DE3343625A1

DE3343625A1 - Messkopf und verfahren zur aufnahme hochaufgeloester kernresonanzsignale

Info

Publication number: DE3343625A1
Application number: DE19833343625
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr Ing Zeiger
Original assignee: Bruker Medizintechnik GmbH
Current assignee: Bruker Biospin MRI GmbH
Priority date: 1983-11-19
Filing date: 1983-12-02
Publication date: 1985-05-30
Also published as: EP0202455A2; DE3343625C2; DE3517812A1; DE3517812C2; EP0145915A1; EP0145915B1; EP0202455B1; EP0202455A3; US4607226A; US4698594A

Description

Anmelder: Stuttgart, 29. November 198:

Bruker Medizintechnik GmbH P 4453 W-ef

Sirberstreifen

7512 Rheinstetten-Forchheim

Vertreter:

Kohler - Schwindling - Späth
P at e nt anwält e
Hohentwielstraße 41
7000 Stuttgart 1

Meßkopf und Verfahren zur Aufnahme hochaufgelöster Kernresonanzsignale

Die Erfindung geht aus von einem Meßkopf für hochauflösende Kernresonanzmessungen in kleinen definierten Bereichen organischen Gewebes von in einem homogenen Magnetfeld befindlichen menschlichen oder tierischen Körpern, mit einer auf den Körper aufsetzbaren Hochfrequenz-Sende- und Empfangseinrichtung.

Ein derartiger Meßkopf ist in einem Aufsatz von W. P. Aue in der Zeitschrift "Radiologe", 1983, 23^ Seite 357 bis 360, beschrieben.

Es ist bekannt, das Untersuchungsverfahren der Kernresonanz und auch der hochauflösenden Kernresonanz für diagnostische Zwecke einzusetzen. Dabei wird stets ein zu untersuchender Körper oder Körperteil eines Patienten in ein Magnetsystem eingebracht, das in einem makroskopischen Bereich des Körpers oder Körperteils ein hinreichend homogenes Konstantmagnetfeld erzeugt.

Zum Anregen der Kernresonanz muß in senkrechter Richtung zum Konstantmagnetfeld nun noch ein Hochfrequenzmagnetfeld einer Frequenz eingestrahlt werden, die für unterschiedliche Kernarten im Verhältnis zur Stärke des Konstantmagnetfeldes als Naturkonstante feststeht.

Bei den sogenannten Kernspintomographen wird das Hochfrequenzmagnetfeld durch große sattelförmige Spulen erzeugt, so daß die in der Kernspintomographie gewünschten Querschnittsbilder von Patientenkörpern oder Körperteilen erzeugt werden können.

Eine derartige großräumige Erzeugung von Hochfrequenzmagnetfeldern kann es jedoch einmal mit sich bringen, daß der Körper oder Körperteil des Patienten durch die Hochfrequenzeinstrahlung zu sehr erwärmt wird, andererseits haben die großräumigen Hochfrequenz-Anordnungen den Nachteil, daß bei hohen Hochfrequenzfeldstärken einerseits Störstrahlung nach außen dringen kann, die in der Nähe befindliche Meßgeräte stört und andererseits auch Störstrahlung von außen in die Sattelspulenanordnung eindringen und Verfälschungen des Meßergebnisses hervorrufen können.

Es ist daher, 'beispielsweise aus dem eingangs genannten Zeitschriftenartikel, "bekannt, anstelle von großräumigen Sattelspulen kleine Oberflächenspulen zu verwenden, die auf einen interessierenden Bereich des Körpers aufgelegt werden. Pur tief erliegende Organe wird "bei Tierversuchen z.B. das zu untersuchende Organ (Leber) freigelegt und die Spule auf das Organ gelegt. Häufig sind jedoch nur die Oberfl'ächenbereiche oder wenigstens die oberflächennahen Bereiche des zu untersuchenden Körpers von Interesse, so daß die kleinen Oberflächenspulen-Anordnungen ausreichend sind, die weder durch übermäßige Hochfrequenzeinstrahlung den Patienten beeinträchtigen können noch übermäßige Störstrahlungen abstrahlen oder gegenüber Störeinstrahlungen empfindlich sind.

Derartige Oberflächenspulen werden daher stets dann verwendet, wenn eine Entnahme von !Probensubstanz nicht möglich ist und mit verhältnismäßig geringem Aufwand am lebenden Körper (sogenannte In-Vivo-Messung) gemessen werden soll und wenn andererseits eine Einbringung des gesamten Körpers oder Körperteils in einen Probenkopf nicht erwünscht oder möglich ist.

Die bekannten Meßköpfe mit Oberflächenspulen haben jedoch mehrere systematische Nachteile.

Ein wesentlicher Nachteil besteht darin, daß bei derartigen einfachen Oberflächenspulen keine räumliche Trennung zwischen elektrischem und magnetischem PeId besteht. Der zu untersuchende Körperbereich braucht zur Anregung von Kernresonanzen jedoch nur mit dem magnetischen Hochfrequenafold, nicht jedoch mit dem elektrischen Hochfrequenzfeld beaufschlagt zu werden, dies ist sogar deswegen unerwünscht, weil

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aufgrund dielektrischer Verluste im Körper eine Beeinträchtigung der Empfindlichkeit des Meßkopfes eintritt.

Ein weiterer Nachteil der Oberflächenspulen ist der, daß sie relativ schmalbandig sind, so daß zur Anregung unterschiedlicher Kernarten jeweils getrennte Meßköpfe mit unterschiedlichen Oberflächenspulen verwendet werden müssen. Beim Wechsel des Probenkopfes tritt jedoch in aller Regel, insbesondere bei unruhigen Patienten, auch ein Wechsel des Meßortes ein, so daß bei aufeinanderfolgenden Messungen mehrerer Kernarten unter Umständen nicht mehr vergleichbare Meßergebnisse erzielt werden. Aufgrund dessen ist es auch nicht möglich, bei einer ersten Kernart mit verhältnismäßig starken Kernresonanzsignalen zunächst einen Abgleich der Apparatur vorzunehmen und alsdann bei einer anderen Kernart das eigentlich interessierende Kernresonanzspektrum aufzunehmen.

Schließlich haben die bekannten Oberflächenspulen den Nachteil, daß sie trotz ihrer geringeren Abmessungen, verglichen mit den eingangs genannten Sattelspulen, immer noch eine gewisse Restabstrahlung und damit auch eine Empfindlichkeit gegenüber Störeinstrahlung aufweisen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Meßkopf der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß der interessierende Körperbereich praktisch ausschließlich vom magnetischen Hochfrequenzfeld durchsetzt wird, daß unterschiedliche Kernarten mit ein und demselben Meßkopf gemessen werden können und daß schließlich der Meßkopf nur ein Minimum an Störstrahlung abgibt und damit auch gegenüber Störeinstrahlung von außen weitgehend unempfindlich ist.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einrichtung als Wendelleitung mit metallischer Abschirmung ausgebildet ist, daß die Abschirmung an mindestens einem Ende offen und die Wendelleitung an diesem Ende mit der Abschirmung verbunden ist und daß das offene Ende die Aufsetzebene bildet.

Der erfindungsgemäße Meßkopf hat damit den Vorteil, daß die Wendelleitung überwiegend magnetische Feldlinien nach außen dringen läßt, während die elektrischen Feldlinien sich überwiegend zwischen der Wendelleitung und der Abschirmung, das heißt in deren Innenraum schließen und damit nur in untergeordnetem Umfange nach außen wirksam werden. Die elektrischen Verluste im untersuchten Körperbereich treten damit nur in sehr geringem Umfange auf. Ein weiterer Vorteil ist, daß eine Wendelleitung von ihrer Struktur her in mehreren Schwingungsmoden bei unterschiedlicher Frequenz anregbar ist, so daß der erfindungsgemäße Meßkopf in einem breiten Frequenzbereich einsetzbar ist, der das Anregen von Kernresonanzen unterschiedlicher Kernarten möglich macht, ohne daß es erforderlich ist, den Meßkopf auszutauschen. Es können daher mit einmal auf den Körper aufgesetztem Meßkopf in unmittelbarer zeitlicher Folge Kernresonanzspektren unterschiedlicher Kernarten aufgenommen werden. Damit ist einmal sichergestellt, daß für die Spektren unterschiedlicher Kernarten exakt dieselben Körperbereiche erfaßt werden und daß zum anderen die gesamte Messung innerhalb kürzester Zeit abgeschlossen werden kann. Dieser letztgenannte Vorteil bringt auch erhebliche wirtschaftliche Vorteile mit sich, weil medizinisch-diagnostische Kernresonanzapparate sehr teuer in der Anschaffung sind und daher ein großes Interesse darin besteht, die Kosten für eine derartige Apparatur durch eine möglichst große Anzahl von Messungen zu amortisieren.

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Durch geeignete Dimensionierung des erfindungsgemaßen Meßkopfes kann dieser z.B. in einen chirurgisch geöffneten Körper eingeführt und auf ein freigelegtes Organ aufgelegt werden. Auch kann z.B. im Tierversuch ein Organ so freigeigt werden, daß es oben auf einen Meßkopfdeckel aufgelegt werden kann.

Schließlich hat der erfindungsgemäße Meßkopf noch den wesentlichen Vorteil, daß aufgrund der die Wendelleitung umgebenden Abschirmung einerseits praktisch keine Störstrahlung nach außen dringt, insbesondere auch deswegen, weil sich die elektrischen Feldlinien innerhalb der Abschirmung schließen und daß in entsprechender Weise auch keine von außen eindringende Störstrahlung die Meßergebnisse verfälschen kann, weil insbesondere eine von außen wirkende elektrische Ankopplung der geschlossenen Feldlinien innerhalb der Abschirmung praktisch nicht möglich ist.

Das von der Aufsetzebene abgewandte Ende der Wendelleitung kann unterschiedlich ausgebildet sein. Bei einer sogenannten Λ/2-Anordnung läge beispielsweise eine klappsymmetrische Struktur vor, bei der das der Aufsetzebene entgegengesetzte Ende identisch mit der Aufsetzebene ausgebildet wäre. Es ist jedoch eine Ausführungsform bevorzugt, bei der eine sogenannte /\74-Struktur verwendet wird und in der folglich das andere Ende der koaxialen Abschirmung geschlossen ist. Diese Ausführungsform ist deswegen besonders vorteilhaft, weil eine weitere Verbesserung der Abschirmeigenschaften durch das Schließen der Abschirmung am entgegengesetzten Ende eintritt. Außerdem ist diese Anordnung in axialer Richt\mg besonders kurz, was deswegen von besonderem Vorteil ist, weil der erfindungsgemäße Meßkopf senkrecht zur Richtung des

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Konstantmagnetfeldes, das heißt senkrecht zur Achse eines Solenoid-Magnetsystems auf den zu untersuchenden Körper aufgesetzt werden muß. In dieser Koordinatenrichtung senkrecht zur Achse des Konstantmagnetfeldes ist jedoch im Inneren des Solenoid-Magnetsystems verhältnismäßig wenig Raum.

Weiterhin ist eine Ausführungsform bevorzugt, hei der das die Aufsatzebene bildende offene Ende mit einem Deckel aus elektrisch nichtleitendem Material bedeckt ist, wobei der Deckel mit einer Vielzahl radial verlaufender Leiterbahnen versehen ist, deren äußere Enden in ein die Abschirmung bildendes Gehäuse übergehen und deren innere Enden im Bereich des Zentrums des Deckels zusammenlaufen, ohne einander zu berühren.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das geringe noch verbleibende elektrische Hochfrequenzstreufeld oberhalb der Aufsetzebene durch die Leiterbahnen kurzgeschlossen wird. Dies ergibt eine weitere Verminderung der dielektrischen Verluste im Meßkörper sowie eine weitere Verminderung der Störungen durch abgestrahlte bzw. eingefangene Störstrahlung.

Erfindungsgemäß ist ferner eine erste Abstimmanordnung vorgesehen, bei der der Abstand des freien Endes der Wendelleitung von dem anderen geschlossenen Ende der koaxialen Abschirmung variierbar ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß in besonders einfacher Weise die Abstimmung auf die gewünschte Resonanzfrequenz bei Anwendung eines/\/4-Resonators, das heißt bei niedrigst

möglicher Resonanzfrequenz des G-rund-Schwingungsmodes möglich ist. Dabei wird am "offenen Ende" durch Annähern einer Metallscheibe eine Abstimmung vorgenommen. Es versteht sich dabei, daß anstelle der Annäherung der Metallscheibe auch ein Eintauchen eines Metallzylinders oder ein Zuschalten eines Kondensators als konzentriertes Bauelement möglich ist, wie dies an sich bekannt ist.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß eine weitere Abstimmanordnung vorgesehen ist, bei der das von der Wendelleitung erzeugte elektrische Feld an einem axial definierten Ort belastet wird, an dem das elektrische Feld nur bei einem vorbestimmten Schwingungsmodus ein Maximum aufweist.

Diese Maßnahme hat den besonderen Vorteil, daß eine Frequenzabstimmung der einzelnen Schwingungsmoden unabhängig voneinander möglich ist. Ein Schwingungsmodus einer höheren Frequenz weist beispielsweise mehrere Maxima der elektrischen Feldstärke auf, das heißt also auch Maxima an Orten, an denen ein Schwingungsmodus niedrigerer Frequenz keine Maxima aufweist. Durch Belastung am Orte dieser nur bei Schwingungsmoden höherer Frequenz auftretenden Maxima kann die Frequenz des höheren Schwingungsmodus beispielsweise vermindert werden, ohne daß hierdurch die Resonanzfrequenz des niedrigeren Schwingungsmodus beeinflußt wird. Auf diese Weise ist es möglich, das Verhältnis der Frequenzen der verschiedenen Schwingungsmoden abweichend von den sich theoretisch ergebenden ungeradzahligen Vielfachen so einzustellen, daß sich unterschiedliche Resonanzfrequenzen im Meßkopf ergeben, die den Kernresonanz-Frequenzen unterschiedlicher Kernarten entsprechen, wobei das Frequenzver-

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hältnis unterschiedlicher Kernarten eine Naturkonstante ist und bekanntlich nicht ungeradzahligen Vielfachen entspricht.

Zweckmäßigerweise kann die Abstimmanordnung dann so ausgebildet sein, daß sie zwischen der Wendelleitung und der Abschirmung angeordnet ist, bevorzugt derart, daß sie aus einer elektrisch leitenden Fahne besteht, deren eines Ende mit einem die Abschirmung bildenden Gehäuse verbunden und deren anderes Ende radial auslenkbar ist. Auf diese Weise kann eine Belastung eines Maximums der elektrischen Feldstärke durch einfaches Verdrehen einer Schraube erfolgen.

Eine weitere Möglichkeit für eine derartige selektive Abstimmung eines Maximums der elektrischen Feldstärke besteht darin, daß die Abstimmanordnung im Innenraum der Wendelleitung angeordnet ist, bevorzugt derart, daß sie aus einer offenen, einseitig mit einem die Abschirmung bildenden Gehäuse verbundenen Schleife mit quer zur Achse der Wendelleitung angeordneter Ebene besteht.

Diese letztgenannte Abstimmanordnung eignet sich besondern zum Einstellen einer fest vorgegebenen Grundbelastung.

Zur Optimierung der Anpassung des Meßkopfes an die Zuleitung ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der in der Verbindung von Wendelleitung und Abschirmung eine weitere Abstimmanordnung, bevorzugt in Form eines einstellbaren Kondensators, vorgesehen ist. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Zuleitung, die isoliert durch das Abschirmgehäuse hindurchgeführt wird, am offene Ende der Wendelleitung unmittelbar angelötet werden kann und die Feinabstimmung der Ankopplung dann über den einstellbaren Kondensator erfolgt, so daß eine exakte Anpassung auf beispielsweise 50 Ci. Wellenwiderstand möglich ist.

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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird die Wendelleitung von einem Hochfrequenzsender mit einstellbarer Amplitude gespeist.

Diese Maßnahme hat den folgenden überraschenden Vorteil:

Diejenigen Feldlinien des magnetischen Hochfrequenzfeldes, die vom offenen Ende des Meßkopfes ausgehend in den zu untersuchenden Körper eintreten, führen zu einer Feldstärkeverteilung des hochfrequenten Magnetfeldes im zu untersuchenden Körper, bei der die Intensität des magnetischen Hochfrequenzfeldes von der Oberfläche des Körpers nach innen abnimmt. Durch Einstellen der Amplitude des magnetischen Hochfrequenzfeldes kann nun bewirkt werden, daß in definierter Tiefe unterhalb der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers eine magnetische Hochfrequenzfeldstärke desjenigen Betrages vorliegt, bei der exakt die sogenannte 90°-Bedingung erfüllt ist, das heißt eine maximale Signalausbeute vorliegt, weil die Spins der zu untersuchenden Kernart bei Anlegen des magnetischen Hochfrequenzfeldes um 90° aus ihrer Ruhelage herausgedreht werden. Andere Bereiche des zu untersuchenden Körpers werden hingegen mit einem magnetischen Hochfrequenzfeld beaufschlagt, das in etwa der sogenannten 180"-Bedingung genügt, so daß von diesen Bereichen so gut wie kein Signal ausgeht.

Demzufolge kann durch Einstellen der Amplitude des magnetischen Hochfrequenzfeldes eine Selektion des untersuchten Körperabschnittes in der Tiefe vorgenommen werden.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Aufnahme von hochaufgelösten Kernresonanzspektren, bei dem ein Meßkopf

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entsprechend einer der vorstehenden Ausführungsformen auf den Körper aufgesetzt wird.

Es ist "bekannt, daß bei der üblichen Kernspintomographie

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eine Homogenität des Konstfantmagnetf eldes von 10 ausreicht, während hei der Verwendung von aufgesetzten Meßköpfen zur Aufnahme hochaufgelöster Kernresonanzspektren eine Homogenität von mindestens 10 erforderlich ist. Es ist daher erforderlich, "bei Aufnahme derartiger hochaufgelöster Kernresonanzspektren vor Beginn der Messung das Konstantmagnetfeld am Meßort, das heißt im zu untersuchenden Bereich des Patientenkörpers oder Körperteils sorgfältig homogen einzustellen. Diese Einstellung sollte möglichst rasch möglich sein, um dem Patienten keine überlange Untersuchungsdauer zuzumuten und um eine wirtschaftlich ausreichende Auslastung der Apparatur zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird nach dem obengenannten Verfahren dadurch gelöst, daß zunächst ein höherfrequenter Schwingungsmodus in der Wendelleitung angeregt wird, bei dessen Frequenz Protonen(H )-Kernresonanzen auftreten, daß unter Beobachtung einer Linie eines Protonen-Kernresonanzspektrums die Homogenität des Konstantmagnetfeldes optimiert und alsdann auf die Anregung eines niedrigfrequenten Schwingungsmodus umgeschaltet wird, bei dessen Frequenz Kernresonanzen anderer Kernarten, insbesondere C , P , Na auftreten und schließlich das Kernresonanzspektrum der anderen Kernart gemessen wird.

Man macht sich dabei mithin die vorteilhafte Eigenschaft des erfindungsgemäßen Meßkopfes zunutze, daß eine breitbandige Anregung in unterschiedlichen Schwingungsmoden, gegebenenfalls unter individueller Frequenzabstimmung der einzelnen

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Schwingungsmoden möglich ist, so daß durch einfaches elektrisches Umschalten der Anregungsfrequenz von Protonen-Resonanz auf die Resonanz einer anderen Kernart umgeschaltet werden kann. Protonen-Spektren eignen sich dabei "besonders gut zum Homogenisieren des Magnetfeldes, weil die zunehmende Homogenität des Magnetfeldes sich unmittelbar in der Linienform der Spektren auswirkt und bei starken Signalen das Spektrum nach jeder einzelnen Anregung beobachtet - und damit das Magnetfeld kontinuierlich homogenisiert - werden kann. Dies ist gegenüber der Feldhomogenisierung bei anderen Kernarten von wesentlichem Vorteil, weil zur Aufnahme eines Kernresonanzspektrums einer anderen Kernart eine Meßdauer von beispielsweise einigen Minuten erforderlich ist, so daß eine Nachstellung des Konstantmagnetfeldes im Sinne einer Homogenisierung immer nur im Takt von mehreren Minuten möglich ist und sich insgesamt eine sehr lange Abgleichzeit für die Gesamtapparatur ergäbe.

Schließlich betrifft die Erfindung noch ein weiteres Verfahren zur Aufnahme hochaufgelöster Kernresonanzspektren, bei dem ein Meßkopf gemäß einer der obengenannten Ausführungsformen verwendet wird.

Es ist nämlich bekannt, daß man die Aussagekraft von Kernresonanzspektren dadurch erhöhen kann, daß man bei Messung einer Kernart eine andere Kernart "entkoppelt", das heißt gleichzeitig durch ein starkes Hochfrequenzfeld anregt bzw. sättigt. Üblicherweise werden Protonen entkoppelt und andere Kernarten gemessen. Zur Entkopplung sind jedoch hohe Hochfrequenzleistungen erforderlich, so daß bei den eingangs genannten bekannten Anordnungen mit Sattelspulen und aufgesetzten Flächenspulen eine erhöhte Gefahr von Störungen elektrischer Natur besteht. Es ist daher wünschenswert, auch

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bei aufgesetzten Meßköpfen derartige entkoppelte Experimente durchführbar zu machen.

Diese Aufgabe wird gemäß dem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß eine erste Einstrahlung eines Hochfrequenzfeldes, insbesondere zur Anregung von Protonen-Resonanzen vermittels Hochfrequenz-FTächenspulen (Sattelspulen) auf den Bereich vorgenommen wird und daß der Meßkopf insbesondere zur Messung anderer Kernarten in senkrechter Ausrichtung zur Ebene der Flächenspulen auf den Körper aufgesetzt wird.

Diese Maßnahme macht sich somit die günstigen Abmessungen des erfindungsgemäßen Meßkopfes zunutze, indem der erfindungsgemäße Meßkopf in einfacher Weise in einen üblichen Kernspintomographen eingeführt und zusätzlich zu den dort vorgesehenen Sattelspulen in senkrechter Ausrichtung zu diesen aufgesetzt wird. Durch die räumlich um 90° gedrehte Anordnung der jeweiligen Spulenachsen und die besonderen Abschirmeigenschaften des erfindungsgemäßen Meßkopfes ist dabei gewährleistet, daß eine Störeinstrahlung von den Sattelspulen in den Meßkopf nicht oder praktisch nicht eintritt·

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische räumliche Darstellung einer Spektrometeranordnung, in der der erfindungsgemUße Meßkopf Verwendung findet;

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Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Meßkopfes im Querschnitt zur Erläuterung der sich einstellenden Feldverteilung;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines praktischen Ausfiihrungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Meßkopfes in Verbindung mit den erforderlichen elektronischen Auswertegeräten;

Fig. 4 eine Ansicht des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. von oben in der Ebene I-II;

Fig. 5 eine Draufsicht auf das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Meßkopfes.

In Fig. 1 bezeichnet 10 insgesamt ein Magnetsystem, das in einem Raum mit den Raumkoordinaten x, y, ζ angeordnet ist. Die Raumkoordinate ζ fällt mit der Achse des Magnetsystems 10 zusammen. In der Achse ζ befindet sich ein schematisch angedeuteter Meßkörper 11, beispielsweise gesamthaft ein Körper eines Patienten oder ein Körperteil, beispielsweise ein Arm oder ein Bein. Es versteht sich jedoch, daß der erfindungsgemäße Meßkopf auch bei nichtorganischen Proben sowie bei Einzelproben von lebendem oder nichtlebendem Gewebe Verwendung finden kann.

Vom Meßkopf 12 führt eine Zuleitung 13 zu einer in Fig. 1 nicht dargestellten Elektronik.

Das Magnetsystem 10 ist lediglich schematisch angedeutet und besteht aus einer sogenannten doppelten Helmholtz-Anordnung

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mit zwei Paaren von Helmholtz-Spulen 14. Die Helmholtz-Spulen 14 erzeugen im Inneren ein Konstantmagnetfeld hoher Homogenität in allen drei Raumkoordinaten x, y, z. Dies "bedeutet, daß "bei gleichzeitiger Einstrahlung eines magnetischen Hochfrequenzfeldes auf den Meßkörper 11 in einer Richtung senkrecht zur Koordinate ζ eine Kernresonanz im gesamten Homogenitätsftereich eintreten würde.

Pig. 2 zeigt die Feldverteilung in einem erfindungsgemäßen Meßkopf 12.

Der Meßkopf 12 "besteht im wesentlichen aus einer Wendelleitung 20, wie sie in der Fachliteratur auch als "Helix" "bezeichnet wird. Von der Wendelleitung 20 sind der Übersichtlichkeit halfter in Fig. 2 nur die öfterste Windung 21 und die unterste Windung 22 vollständig dargestellt. Das zweite wesentliche Element des erfindungsgemäßen Meßkopfes 12 ist eine geerdete Aftschirmung 23, die sich z.B. in einer Ausführungsform koaxial um die Wendelleitung 20 herum erstreckt. Die Aftschirmung 23 mit einer Längsachse 24 weist ein öfteres offenes Ende 25 sowie ein unteres geschlossenes Ende 26 auf. Beim Ausführungsfteispiel gemäß Fig. 2 ist die Lage der Wendelleitung 20 in der Achse 24 derart, daß die öfterste, mit der Aftschirmung 23 üfter einen Anschluß 28 verbundene Windung 21 sich etwa in der Eftene des öfteren offenen Endes 25 "befindet und dort eine Aufsetzeftene 27 "bildet, das heißt eine Eftene, in der der Meßkopf 12 auf den zu untersuchenden Meßkörper 11 aufgesetzt wird.

Elektrisch gesehen "bedeutet dies, daß die Wendelleitung am öfteren offenen Ende 25 mit der Aftschirmung 23 üfter den Anschluß 28 mit Masse verftunden ist, während sie im Bereich

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ihrer untersten Windung 22 im Abstand vom unteren geschlossenen Ende 26 der Abschirmung 23 elektrisch offen ist.

Damit ergibt sich eine Feldverteilung, wie sie in Fig. 2 in der Hälfte links von der Achse 24 für die magnetischen Feldlinien mit B und in der Hälfte rechts von der Achse 24 für die elektrischen Feldlinien mit E bezeichnet ist. Man erkennt, daß sich die magnetischen Feldlinien B in einer Radialebene der Wendelleitung 20 schließen und insbesondere oberhalb des oberen offenen Endes 25 in den freien Raum hinein erstrecken. Setzt man den Meßkopf 12 in der Aufsetzebene 27 auf den Meßkörper 11 auf, ergibt sich damit eine Verteilung der magnetischen Feldlinien B, derart, daß die Intensität des Magnetfeldes längs einer Koordinate d in Fig. 2 zum Inneren des Meßkörpers 11 hin abnimmt.

Die elektrischen Feldlinien E hingegen verlaufen im wesentlichen im Zwischenraum zwischen Wendelleitung 20 und Abschirmung 23, so daß sie nach außen hin praktisch nicht in Erscheinung treten. Im Bereich oberhalb der Aufsetzebene 27 sind kaum Streufelder der elektrischen Feldlinien E zu beobachten. Die E-Feldliniendichte nimmt außerdem von unten nach oben ab.

Das elektrisch-schematische Bild gemäß Fig. 2 stellt einen sogenannten λ/4-Resonator dar, bei dem das untere Ende 26 der Abschirmung 23 geschlossen ist. Es versteht sich, daß anstelle der in Fig. 2 dargestellten Anordnung auch eine sogenannte Λ/2-Anordnung Verwendung finden kann, bei der die Anordnung gemäß Fig. 2 etwa in der Ebene der untersten Windung 22 der Wendelleitung 20 in radialer Richtung abgeschnitten ist und an den verbleibenden oberen Teil der

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Anordnung gemäß Pig. 2 klappsymmetrisch ein identischer Teil nach unten angeschlossen wird, der dann nach unten in einer Konfiguration endet, die mit dem oberen offenen Ende 25 übereinstimmt. Wie man jedoch leicht erkennt, ist die Anordnung gemäß Pig. 2 mit einem X/4—Resonator wesentlich kurzer und überdies nach unten vollständig abgeschirmt, so daß sie im allgemeinen für die Aufnahme von Kernresonanzspektren innerhalb eines Magnetsystems 10 zweckmäßiger sein dürfte.

Pig. 3 zeigt eine praktische Ausführung eines Meßkopfes 12, wie er in Pig. 2 bereits schematisch dargestellt wurde. Als Abschirmung 23 dient beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ein becherförmiges Gehäuse 30 aus leitendem Material. In der Nähe des oberen Randes des Gehäuses 30 ist isoliert eine Leitung 31 durch dessen Wand hindurchgeführt und an die Wendelleitung 20 angeschlossen, beispielsweise angelötet. Die Leitung 31 ist mit einer Meßelektronik verbunden, die in Pig. 3 insgesamt mit 32 angedeutet ist. Zur Meßelektronik gehört zunächst ein Steuergerät 33, das die unterschiedlichen Sende- und Empfangsvorgänge, die Datenverarbeitung sowie die Ausgabe der Meßergebnisse steuert. So steuert das Gerät 33 beispielsweise einen Hochfrequenzsender 34, dessen Ausgangsleistung über einen Abschwächer 35 oder eine regelbare Leistungs-Endstufe einstellbar ist. Hingegen ist im Empfangsteil ein Empfangsverstärker 36 vorgesehen, dessen Ausgang zum Steuergerät 33 führt. Schließlich ist das Steuergerät 33 noch an einen Schreiber 37 oder ein ähnliches Anzeigegerät, beispielsweise einen Bildschirm, angeschlossen.

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Wie man, insbesondere auch in Verbindung mit Fig. 4, erkennt, sind am erfindungsgemäßen Meßkopf 12 insgesamt vier Abstimmanordnungen vorgesehen.

Die erste Abstimmanordnung 38 besteht im wesentlichen aus einem Boden 39 aus elektrisch nichtleitendem Material, der jedoch mit einem elektrisch leitenden Belag 40 versehen ist. An der Unterseite des Bodens 39 befindet sich eine Gewindestange 41, die mit dem Belag 40 leitend verbunden ist und durch eine Gewindebohrung im Boden des Gehäuses 30 nach außen zu einem Rad 42 führt, das von Hand gedreht werden kann, so daß durch Eindrehen der Gewindestange 41 in den Boden des Gehäuses 30 sich der elektrisch leitende Belag 40 des Bodens 39 in axialer Richtung des Gehäuses 30 bewegt. Der Abstand h.. des elektrisch leitenden Belages vom unteren freien Ende 43 der Wendelleitung 20 führt zu einer Abstimmung der Resonanzfrequenz des GrundSchwingungsmodes, das heißt der tiefsten Frequenz, bei dem der erfindungsgemäße Meßkopf resonanzfähig ist.

Eine zweite Abstimmanordnung 50 besteht aus einer elektrisch leitfähigen Fahne 51, die mit ihrem einen Ende 52 elektrisch leitend mit der Innenseite des Gehäuses 30 verbunden, beispielsweise verlötet ist. Durch Eindrehen einer radial angeordneten Schraube 53 durch das Gehäuse 30 hindurch kann nun der mittlere Bereich bzw. das freie Ende der Fahne 51 in radialer Richtung ausgelenkt werden.

Die Schraube 53 befindet sich in einem Abstand Vi₀ von der Ob rkante des Gehäuses 30.

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Im gleichen Abstand hp von der Oberkante des Gehäuses 30 ist eine dritte Abstimmanordnung 55 wirksam, die aus einer offenen Schleife 56 in einer Radialebene zur Wendelleitung 20 besteht. Über eine axial verlaufende Leitung 57 und eine abgeknickte, radial verlaufende Leitung 58 ist die offene Schleife 56 fest mit der Innenseite des Gehäuses 30 verbunden, insbesondere verlötet, und damit geerdet.

Das aus der Wendelleitung 20 und dem Abschirmgehäuse 30 gebildete System ist bei unterschiedlichen Schwingungsmoden resonanzfähig. Neben dem bereits genannten Grundmodus gibt es noch eine Vielzahl höherer Schwingungsmoden mit entsprechend höherer Resonanzfrequenz. Bei diesen höheren Schwingungsmoden tritt eine Vielzahl von Maxima der elektrischen Feldstärke entlang der Längsachse des Gehäuses 30 bzw. der Wendelleitung 20 auf. Diese zusätzlichen Maxima sind jedoch bei niedrigeren Schwingungsmoden, insbesondere dem Grundmodus nicht vorhanden. Der Abstand h₂ entspricht nun demjenigen Abstand, den ein Maximum der elektrischen Feldstärke in axialer Richtung von der Oberkante des Gehäuses hat. Mittels der zweiten Abstimmanordnung kann nun das Maximum des höheren Schwingungsmodus durch Eindrehen der Schraube 53 kontinuierlich belastet werden, während die dritte Abstimmanordnung eine konstante Belastung darstellt. Durch eine oder beide der Abstimmanordnungen 50, 55 kann demzufolge die Resonanzfrequenz des höheren Schwingungsmodus so vermindert werden, daß sich zwischen der Resonanzfrequenz des höheren Schwingungsmodus und derjenigen des Grundmodus ein Verhältnis ergibt, das von dem theoretischen Wert eines ungeradzahligen Vielfachen abweicht. Das Verhältnis kann zum Beispiel so eingestellt werden, daß es dem Verhältnis der Resonanzfrequenzen unterschiedlicher Kernarten, beispiels-

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weise von Protonen einerseits und dem Isotop C des Kohlenstoffs andererseits entspricht, also etwa 80 MHz für H¹ und 20,1 MHz für C¹³.

Wie bereits erwähnt, erfolgt die Ankopplung der Wendelleitung 20 über die gegenüber dem Gehäuse 30 isolierte Leitung 31, deren freies Ende an die oberste Windung 21 der Wendelleitung 20 angelötet ist. Wie man am besten aus Fig. 4 erkennt, sind der Anschlußpunkt der Leitung 31 und der Anschlußpunkt des Masseanschlusses 28 um einen bestimmten Winkel über den Umfang der obersten Windung 21 gegeneinander versetzt. Da mit der Definition dieses Winkels nur eine verhältnismäßig grobe Abstimmung möglich ist, kann mit einer vierten Abstimmanordnung 60, die insbesondere aus einem einstellbaren Kondensator in der Zuleitung oder an der Stelle des Kurzschlusses bestehen kann, eine Peinabstimmung vorgenommen werden, so daß von außen in die Leitung 31 hineingesehen ein definierter Abschlußwiderstand, beispielsweise ein Wellenwiderstand von 5θΛ , vorliegt. Es versteht sich, daß statt eines einzelnen Kondensators als vierte Abstimmanordnung 60 auch mehrere Kondensatoren in Parallelschaltung verwendet werden können, die für die verwendete Hochfrequenz praktisch einen Kurzschluß darstellen.

Schließlich erkennt man aus Pig. 3 und Pig. 5 noch, daß das obere offene Ende 25 der Abschirmung 23 (vgl. Fig. 2) mit einem Deckel 62 verschlossen werden kann, der im wesentlichen aus einer Kunststoffplatte 63 besteht. Auf die Kunststoffplatte 63, die elektrisch nichtleitend ist, sind Leiterbahnen 64 aufgebracht, die, wie man aus Pig. 5 erkennt, oinen sternförmigen, das heißt radialen Verlauf haben. Die Leiterbahnen 64 sind am äußeren Rand über Lötstellen 65 mit

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dem elektrisch leitenden Gehäuse 30 verbunden und erstrecken sich vom äußeren Rand nach innen zum Zentrum, ohne dieses zu erreichen oder einander zu "berühren.

Betrachtet man die rechte Hälfte von Pig. 2 zusammen mit Pig. 5, erkennt man sofort, daß die Leiterbahnen 64 die in den Außenraum der Abschirmung 23 noch hineinreichenden elektrischen Feldlinien E des Streufeldes kurzschließen. Der Deckel 62 mit den Leiterbahnen 64 bewirkt daher, daß praktisch überhaupt kein elektrisches Streufeld oberhalb der Aufsetzebene 27 mehr auftreten kann.

Mit Hilfe des vorstehend im einzelnen erläuterten Meßkopfes 12 kann in unterschiedlicher Weise gearbeitet werden:

Das grundsätzliche Meßverfahren besteht darin, daß entsprechend Pig. 1 der Meßkörper 11 in das Innere des Magnetsystems 10 gebracht und der Meßkopf 12 aufgesetzt wird. Die magnetischen Feldlinien B entsprechend Pig. 2, linke Hälfte dringen nun in den Meßkörper 11 ein und erzeugen, sofern sie senkrecht zur Koordinatenrichtung ζ verlaufen, Kernresonanzen. Durch geeignete Einstellung des Verhältnisses von Stärke des Konstantmagnetfeldes zu eingestrahlter Meßfrequenz können unterschiedliche Kernarten angeregt werden.

Durch die auftretende Kernresonanz trifft eine Signalspannung im Hochfrequenzkreis des Meßkopfes 12 ein, die im Empfangskreis mit dem Eingangsverstärker 36 der Elektronik 32 verstärkt und in entsprechende Spektrensignale umgewandelt wird, wie dies im einzelnen bekannt ist.

Durch Einstellen des Abschwächers 35 kann nun die Intensitätsverteilung des magnetischen Hochfrequenzfeldes innerhalb des Meßkörpers 11 eingestellt werden in der Weise, daß in einer bestimmten Tiefe d unterhalb der Aufsetzebene 27 im Körper 11 eine Stärke des magnetischen Hochfrequenzfeldes vorliegt, bei der die gemessenen Spins gerade um 90° ausgelenkt werden. Man erkennt, daß durch Einstellen des Abschwächers 35 eine Selektion der Meßebene in Richtung der Koordinate d erzielt werden kann.

Ein weiteres Meßverfahren besteht darin, daß mittels der Abstimmanordnungen 38, 50 und 55 der Meßkopf so abgeglichen wird, daß er sowohl bei einer höheren Frequenz, die beispielsweise Protonen entspricht, wie auch bei einer niedrigeren Meßfrequenz,
resonanzfähig ist.

geren Meßfrequenz, die beispielsweise C entspricht,

Nun wird zunächst der Meßkopf 12 auf den Meßkörper 11 aufgesetzt und eine Protonen-Resonanz angeregt. Aufgrund der hohen Intensität von Protonen-Signalen kann das Protonen-Spektrum nach jeder einzelnen Anregung betrachtet werden. Durch in Fig. 1 nicht dargestellte Mittel zum Homogenisieren des Konstantmagnetfeldes, nämlich durch sogenannte Shim-Spulen mit zugehörigen Netzgeräten, kann das Konstantmagnetfeld unter gleichzeitiger Beobachtung des Protonen-Spektrums so nachgestellt werden, daß sich die Linienbreite im Protonen-Spektrum bis zu einem Minimalwert vermindert. Bei diesem Minimalwert ist die Homogenität des Konstantmagnetfeldes besonders gut. Nun wird, während der Meßkopf 12 in seiner Aufsetzstellung am Meßkörper 11 verbleibt, die Meßelektronik

1 3 32 auf eine niedrigere Meßfrequenz, die der Kernart C entspricht, umgeschaltet. Die C -Messung wird demzufolge bei einer besonders guten Homogenität durchgeführt.

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Schließlich kann ein weiteres Meßverfahren darin bestehen, daß der Meßkopf 12 in I¹Ig. 1 "bei gleichzeitiger Anwesenheit von Hochfrequenz-Sattelspulen auf den Meßkörper 11 aufgesetzt wird. Datei stehen die magnetischen Feldlinien des Konstantmagnetfeldes, des Hochfrequenzfeldes vom Meßkopf sowie des Hochfrequenzfeldes von den Sattelspulen jeweils aufeinander senkrecht. Mittels der Hochfrequenz-SattelspuTen kann nun ein Entkopplungsfeld, beispielsweise für Protonen, auf den Meßkörper 11 eingestrahlt werden, während mit dem Meßkopf 12 selbst gleichzeitig beispielsweise ein (protonen-entkoppeltes) C -Kernresonanzspektrum aufgenommen wird. Aufgrund der senkrechten Orientierung der jeweiligen Hochfrequenz-Feldrichtungen von Entkopplungsfeld einerseits und Meßfeld andererseits ergibt sich eine besonders niedrige Störeinstrahlung von den Hochfrequenz-Sattelspulen in den erfindungsgemäßen Meßkopf 12, insbesondere auch deshalb, weil die praktisch allseitige Abschirmung 2J> zusätzlich für eine scharfe Trennung von Entkopplungskreis und Meßkreis sorgt.

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Claims

Patentansprüche

1. Meßkopf für hochauflösende Kernresonanzmessungen in kleinen definierten Bereichen organischen Gewebes von in einem homogenen Konstantmagnetfeld "befindlichen menschlichen oder tierischen Körpern (11) mit einer auf den Körper (11) aufsetzbaren Hochfrequenz-Sende- und Empfangseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung als Wendelleitung (20) mit umhüllender Abschirmung (23) ausgebildet ist, daß die Abschirmung (23) an mindestens einem Ende (25) offen und die Wendelleitung (20) an diesem Ende (25) mit der Abschirmung (23) verbunden ist und daß das offene Ende (25) die Aufsetzebene (27) bildet.

2. Meßkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch das andere Ende (26) der Abschirmung (23) geschlossen ist, so daß der Meßkopf (12) einen X/4-Resonator bildet.

3· Meßkopf nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Aufsetzebene (27) bildende offene Ende (25) mit einem Deckel (62) aus elektrisch nichtleitendem Material bedeckt ist, wobei der Deckel (62) mit einer Vielzahl radial verlaufender Leiterbahnen (64) versehen ist, deren äußere Ende in ein die Abschirmung (23) bildendes Gehäuse (30) übergehen und deren innere Enden im Bereich des Zentrums des Deckels (62) zusammenlaufen, ohne einander zu berühren.

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4· Meßkopf nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Abstimmanordnung (38) vorgesehen ist, bei der der elektrische Abstand h. des freien Endes (43) der Wendelleitung (20) von dem anderen Ende (26) der geschlossenen koaxialen Abschirmung (23) variierbar ist.

5. Meßkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Abstimmanordnung (38) aus einem mit einem leitfähigen Belag (40) versehenen Boden (39) besteht, der in ein die Abschirmung (23) bildendes Gehäuse (30) einschraubbar ist.

6. Meßkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Abstimmanordnung (50, 55) vorgesehen ist, bei der das von der Wendelleitung (20) erzeugte elektrische Feld E an einem axial definierten Ort belastet wird, an dem das elektrische Feld E nur bei einem vorbestimmten Schwingungsmodus ein Maximum aufweist.

7· Meßkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Abstimmanordnung (50) zwischen der Wendelleitung (20) und der Abschirmung (23) angeordnet ist.

8. Meßkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Abstimmanordnung (50) aus einer elektrisch leitfähigen Fahne (51) besteht, deren eines Ende (52) mit einem die Abschirmung (23) bildenden Gehäuse (30) verbunden und deren anderes Ende radial auslenkbar ist.

9· Meßkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Abstimmanordnung (55) im Innenraum der Wendelleitung (20) angeordnet ist.

10. Meßkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Abstimmanordnung (55) aus eine offenen, einseitig mit einem die Abschirmung (23) bildenden Gehäuse (30) verbundenen Schleife (56) mit quer zur Achse der Wendelleitung (20) angeordneter Ebene besteht.

11. Meßkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine vierte Abstimmanordnung (60) in der Verbindung (28) von Wendelleitung (20) und Abschirmung (23) angeordnet ist.

12. Meßkopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Abstimmanordnung (60) von einem einstellbaren Kondensator gebildet ist.

13· Meßkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendelleitung (20) von einem Hochfrequenzsender (34) einstellbarer Amplitude gespeist wird.

14- Verfahren zur Aufnahme hochaufgelöster Kernresonanzspektren in kleinen definierten Bereichen organischen Gewebes von in einem homogenen Konstantmagnetfeld befindlichen menschlichen oder tierischen Körpern (11), bei dem ein Meßkopf (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 auf den Körper (11) aufgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein höherfrequenter Schwingungsmodus in der Wendelleitung (20)

angeregt wird, bei dessen Frequenz Protonen-Kernresonanzen auftreten, das unter Beobachtung einer Linie eines Protonen-Kernresonanzspektrums die Homogenität des Konstantmagnetfeldes optimiert und alsdann auf die Anregung eines ersten niederfrequenten Schwingungsmodus übergegangen wird, bei dessen Frequenz Kernresonanzen anderer Kernarten, insbesondere C , P , Na , auftreten und schließlich das Kernresonanzspektrum der anderen Kernart gemessen wird.

15. Verfahren zur Aufnahme hochaufgelöster Kernresonanzspektren in kleinen definierten Bereichen organischen Gewebes von in einem homogenen Konstantmagnetfeld befindlichen menschlichen oder tierischen Körpern (11), bei dem ein Meßkopf (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 auf den Körper (11) aufgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Einstrahlung eines Hochfrequenzfeldes, insbesondere zur Anregung von Protonen-Resonanzen vermittels Hochfrequenz-Flächenspulen (Sattelspulen) auf den Bereich vorgenommen wird und daß der Meßkopf (12), insbesondere zur Messung anderer Kernarten, in senkrechter Ausrichtung zur Ebene der Flächenspulen auf den Körper (11) aufgesetzt wird.

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