DE3411521A1 - Nuklearmagnetische resonanzvorrichtung - Google Patents

Nuklearmagnetische resonanzvorrichtung

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DE3411521A1
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semitoroidal
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DE19843411521
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Roger A. Assink
Eiichi Fukushima
Altholl A. V. Washington D.C. Gibson
Stephen B. W. Roeder
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US Department of Energy
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Description

R 7342
Nuklearmagnetische Resonanzvorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine nuklearmagnetische Resonanzvorrichtung mit einer halbtoroidförmigen HF-Spule zur Verwendung bei der kernmagnetischen Resonanz und der kernmagnetischen Resonanζabbildung. Allgemein bezieht sich die Erfindung auf analytische und diagnostische Anwendungen der nuklearmagnetischen Resonanz (NMR). Speziell bezieht sich die Erfindung auf metopische (örtliche) magnetische Resonanz (TMR)-Spektroskopie, die NMR-Abbildung und andere NMR-Anwendungen.
Die topische Magnetresonanz (TMR)-Spektroskopie und die NMR-Abbildung sind Abwandlungen der NMR-Spektroskopie,bei der ein NMR-Signal von einem innerhalb eines Objekts
angeordneten Materials erhalten wird. In den letzten Jahren hatte die Entwicklung der TMR-Spektroskopie und der eng damit verwandten NMR-Abbildung die Anwendungsfälle des NMR auf den Gebieten der Biologie und Medizin stark erhöht. Speziell wurde gezeigt, daß die TMR als ein nicht eindringendes Verfahren brauchbar ist, um biochemische und physiologische Information aus örtlichen oder lokalisierten Gebieten innerhalb lebender Tiere zu erhalten, und zwar insbesondere auch bei Menschen. Bei tatsächlich durchgeführten Demonstrationen des Verfahrens wurden spezielle Metaboliten identifiziert und aufgrund solcher Information wurden Erkrankungen und metabolische Veränderungen diagnostiziert.
Die NMR-Spektroskopie wurde auch in einem drei-dimensionalen Abtastverfahren benutzt, um NMR-Abbildungen zu erzeugen. Diese Art einer Abbildung ist vergleichbar mit der Röntgenstrahlencomputertomographie (CT), und zwar hinsichtlich der zu erhaltenden Qualität bei der Bildauflösung. Anders als die CT-Abbildung kann jedoch die NMR-Abbildung Zonen unterscheiden, die die gleiche Probenkerndichte besitzen, die aber unterschiedliche örtliche molekulare Umgebungen besitzen. Der Hauptvorteil von sowohl der NMR-wie auch der CT-Abbildung besteht darin, daß die internen Gewebe eines lebenden Tieres untersucht werden können, ohne daß zur Chirurgie gegriffen werden muß und ohne daß in anderer Weise der Metabolismus des Tieres verändert wird. Die NMR-Abbildung hat den zusätzlichen Vorteil gegenüber der CT-Abbildung, daß keine ionisierende Röntgenstrahlung verwendet wird.
Bei allen NMR-Instrumenten wird die Probe oder der zu analysierende Gegenstand in dem statischen Magnetfeld
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eines großen Magneten angeordnet. Die Hochfrequenz (HF)-Spule bestrahlt die Probe mit einem magnetischen Wechselfeld, welches bei bestimmten Resonanzfrequenzen absorbiert wird, die für die chemische Struktur und die Zusammensetzung der Probe charakteristisch sind. Die absorbierte Energie wird durch die Probe rückgestrahlt und mit einer geeigneten Empfangsspule detektiert. Bei den meisten modernen Instrumenten wird dieses Signal durch die HF-Bestrahlungsspule detektiert, die in solchen Instrumenten in einer Duplex-Betriebsart als sowohl Sender wie auch Empfänger arbeitet.
Bei typischen NMR-Instrumenten ist die HF-Spule eine zylindrische solenoidartige Spule,die eine kleine Probe umgibt. Bei TMR-Anwendungsfällen ist jedoch das zu analysierende Objekt üblicherweise groß und die HF-Spule muß notwendigerweise außerhalb des Objekts angeordnet sein. Demgemäß wurden Fern-Abfühl-HF-Spulen untersucht, die an der Außenoberfläche eines Probenobjekts angeordnet werden können und selektiv ein alternierendes magnetisches Feld in das Innere des Objekts projizieren und die ferner zur Detektion des induzierten HF-Signals herangezogen wird, und zwar all dies innerhalb der räumlichen Umgrenzungen die durch die Form des externen Elektromagneten vorgegeben sind. Studien der Fern-Abfühlung verwendeten bislang eine sogenannte Oberflächenspule oder eine Piännkuchenspule, wobei es sich hier um eine Ebene mehrerer Windungen aufweisende Spule handelt, die flach an der Oberfläche eines Objekts angeordnet wird.
Eine solche planare Oberflächenspule hat mehrere Nachteile. Als erstes erzeugt die Oberflächenspule eine große Menge an unerwünschtem elektrischen HF-Feld, zu-
sätzlich zu dem magnetischen HF-Feld. Das elektrische Feld ist deshalb unerwünscht, weil es dielektrische und auch ohm'sche Erwärmung in der Probe induziert, was insbesondere bei Menschen und anderen lebenden Subjekten vermieden werden muß. Ferner kann ein großes hochfrequentes elektrisches Feld die Gefahr eines elektrischen Schlags hervorrufen.
Zudem ist die Oberflächenspule nicht sehr effizient hinsichtlich der Erzeugung eines tief eindringenden magnetischen HF-Feldes, wobei das HF-Feld derart geformt ist, daß seine Stärke schnell mit dem Abstand gegenüber der Spule abnimmt, was proportional stärkere Signale von Zonen nahe der Spule und schwächere Signale von Zonen tiefer in der Probe zur Folge hat. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß das HF-Feld einer eine ebene Oberfläche aufweisenden Spule in beiden Richtungen von der Spulenebene wegprojiziert wird, so daß die Stärke und die Form des in die Probe projezierten Feldes durch jedwede Metallkomponenten beeinflußt wird, die sich hinter der Oberflächenspule befinden, wie es beispielsweise für die magnetischen Polstücke gilt, die Magnetdewarbehälter bei einem mit flüssigem Helium gekühlten superleitenden Magneten, oder für andere Komponenten des NMR-Spektrometers. Auch können nahegelegene Metallobjekte Rauschen in dem durch die HF-Spule empfangenen Signal bewirken.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist demgemäß ein Ziel der vorliegenden Erfindung eine verbesserte NMR-Vorrichtung vorzusehen, und zwar zur Verwendung bei der topischen magnetischen Resonanzspektroskopie und bei der NMR-Abbildung, wobei die Verbesserung
eine HF-Spule umfaßt, die in der Lage ist, ein magnetisches Wechselfeld in einen Gegenstand zu projizieren, und zwar von einer Stelle außerhalb des Gegenstandes. Ein weiteres Ziel besteht darin, eine solche RF-Spule derart vorzusehen, daß sie ein Minimum an einem elektrischen HF-Feld erzeugt, wodurch die nachteiligen dielektrischen Erwärmungseffekte beim Probenobjekt minimiert werden.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, zur Verwendung in einem NMR-Spektrometer eine verbesserte HF-Spule vorzusehen, die mit einem Abstand von der- Spule ein magnetisches HF-Feld projiziert, wobei dessen Intensität und Form weitgehend frei von nachteiligen Effekten durch nahegelegene Metallkomponenten ist.
Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten sowie Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung sowie den Ansprüchen.
Um die genannten sowie weitere Ziele zu erreichen, sieht die Erfindung eine verbesserte NMR-Vorrichtung vor, bei der erfindungsgemäß eine RF-Spule vorgesehen ist, die eine Form besitzt, welche topologisch äquivalent zu der eines abgestumpften Toroiden oder Halb-Toroiden ist, und zwar einschließlich offener Enden, von denen ein magnetisches Wechselfeld proziziert werden kann. Bei der Anwendung werden die abgestumpften Enden der Semitoroiden Spule benachbart zu oder anliegend an der Oberfläche eines zu untersuchenden Objekts angeordnet.
Die semitoroide RF-Spule erzeugt ein HF-Magnetfeld, das in das Innere des Objekts projiziert wird, und zwar auf eine Tiefe,die in der Größenordnung des Durchmessers
der Semitoroid-Spule liegt.
Die Sernitoroid-HF-Spule ist relativ unempfindlich gegenüber Metallobjekten, die hinter der Spule angeordnet sind, da die Komponente des HF-Magnetfeldes angeordnet hinter der Ebene der offenen Spulenenden im wesentlichen innerhalb der Grenzen des Semitoroids gehalten ist, wo sie in effektiver Weise gegenüber Effekten von irgendwelchen nahegelegenen Metallobjekten abgeschirmt wird.
Die semitoroid-förmige HF-Spule kann relativ unempfindlich gegenüber NMR-Signalen aus denjenigen Regionen der Probe gemacht werden, die am dichtesten gegenüber der Spule liegen, d.h. dicht gegenüber der Oberfläche des Objekts, und zwar durch Orientierung der Spule derart, daß sich die Achse des statischen Magnetfeldes parallel zur zweifachen Rotationssymmetrieachse der Spule erstreckt. Da der nuklearmagnetische Resonanzeffekt proportional zur Intensität der Komponente des HF-Magnetfeldes ist, die sich senkrecht zur Achse des statischen Magnetfeldes erstreckt, werden NMR-Signale erzeugt in dem Probenobjekt nahe den Enden des Semitoroids, wo das HF-Magnetfeld annähernd parallel zum statischen Magnetfeld verläuft, gedämpft. Die effektive Zone,von der ein NMR-Signal mit einer solchen Anordnung erhalten wird, ist ein Volumen^zentriert um die oben erwähnte zweifach symmetrische Achse und sich um einen Abstand von den offenen Enden der Spule weg erstreckend. Diese effektive Zone ist genauer definiert als die effektive Zone der Signalerzeugung für bekannte planare Oberflächenspulen oder auch für den Semitoroid mit irgendwie anders angeordneten Magnetfeldern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine kleine halb- oder semi-toroidförmige iEinschubspule nestartig
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konzentrisch innerhalb der semitoroidförmigen HF-Spule angeordnet. Die Einschubspule ist in der Richtung entgegengesetzt zu der der HF-Spule gewickelt (oder alternativ ist die Spule in der gleichen Richtung gewickelt und der Stromfluß erfolgt in entgegengesetzter Richtung),um so ein hochfrequentes magnetisches Einschubfeld zu erzeugen, welches dem primären HF-Feld auf kurzen Abständen entgegenwirkt und dieses partiell auslöscht. Bei größeren Abständen ist das primäre HF-Feld relativ unbeeinflußt durch das Feld von der Einschubspule. Bei einer solchen Anordnung wird das effektive Volumen der Signalerzeugung innerhalb der Probe noch schmäler definiert und ist gegenüber einem Abstand von der Spule angeordnet. Das brauchbare HF-Signal wird somit mit einem Abstand von dem nestartig angeordneten Paar von Spulen derart konzentriert, so daß ein NMR-Signal von einer isolierten Zone erhalten werden kann, mit einem bestimmten Abstand gegenüber der Oberfläche innerhalb eines lebenden Tieres.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die semitoroidale HF-Spule als eine Entkopplungsspule in einem NMR-Spektrometer verwendet. Entkopplungsspulen werden dazu verwendet, um das NMR-Spektrum einer Klasse von Kernen (nuclei) in einer Probe zu unterdrücken, um so das NMR-Spektrum einer anderen Klasse von Kernen (nuclei) in der gleichen Probe zu vereinfachen und zu erhöhen. Dies erfolgt durch Bestrahlung der Probe mit der Resonanzfrequenz der Kerne, die unterdrückt werden sollen. Beispielsweise kann das Kohlenstoff-13-NMR-Spektrum einer biologischen Probe in signifikanter Weise vereinfacht und verstärkt dadurch werden, daß man die Probe mit einem Magnetfeld bestrahlt, welches sich mit der Resonanzfrequenz von Wasserstoff ändert, wodurch das Wasserstoff-NMR-Spektrum unterdrückt wird, das andernfalls das wesentlich
schwächere Kohlenstoff-13-Spektrum verdecken würde.
Bislang bekannte Entkopplungsspulen hatten den Nachteil, daß beträchtliche elektrische Streu-HF-Pelder erzeugt wurden, und daß dadurch eine dielektrische Erhitzung der Probe bewirkt wurde. Eine semitoroidförmige HF-Spule und insbesondere eine gespaltene semitoroidförmige HF-Spule, gekuppelt mit einer geerdeten leitenden Platte, was im folgenden noch beschrieben wird, kann als eine Entkopplungsspule mit beträchtlich verminderter dielektrischer Heizung verwendet werden.
Die jeweils genannten sowie weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine isometrische Ansicht einer semitoroidförmigen HF-Spule, aufgebaut gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Spule gemäß Fig. 1, und zwar mit Feldlinien zur Illustration der Form des durch die Spule erzeugten Magnetfeldes;
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer semitoroidförmigen Spule, wie in den Fig. 1 und 2, und so angeordnet mit ihrer zweifachen Symmetrieachse parallel zu einem externen statischen Magnetfeld, wobei die Zonen unterschiedlicher Empfindlichkeiten dargestellt sind;
Fig. 4 eine bildliche isometrische Darstellung, die eine semitoroidförmige HF-Spule wie die in den Fig. 1 und 2 in der Bohrung eines solenoidförmigen superleitenden Magneten verwendet werden
kann, um ein NMR-Signal aus dem Gewebe innerhalb des Arms eines Menschen zu erhalten, wobei ein Teil des Elektromagneten aus Gründen der Darstellung entfernt ist;
Fig. 5 eine weitere isometrische Ansicht der semitoroidförmigen HF-Spule und des superleitenden NMR-Elektromagneten gemäß Fig. 4;
Fig. 6 eine bildliche Darstellung einer semitoroidförmigen HF-Feldspule, wie beispielsweise der gemäß den Fig. 1 und 2, die in einem noch größeren superleitenden NMR-Magneten verwendet werden könnte, um diagnostische NMR-Signale aus Gewebe zu erhalten, welches tief innerhalb eines menschlichen Körpers angeordnet ist, wobei ein Teil des Elektromagneten aus Gründen der Darstellung entfernt ist;
Fig. 7 eine isometrische Darstellung einer semitoroidalen HF-Spule, wie beispielsweise der, gemäß den Fig. 1 und 2, und zwar angeordnet zwischen den Polstücken eines konventionellen Eisenkern-NMR-Elektromagneten;
Fig. 8 eine Seitenansicht des NMR-Systems gemäß Fig. 7, wobei dargestellt ist, wie ein NMR-Signal aus Gewebe innerhalb der Hand eines Menschen erhalten werden kann, wobei die Hand zwischen den Polstücken des NMR-Elektromagneten angeordnet ist;
Fig. 9 eine isometrische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels der semitoroidförmigen HF-Spule gemäß den Fig. 1 und 2, wobei die offenen
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Enden der Semitoroidspule in Richtungen radial zur Spule abgeflacht sind;
Fig. 10 eine isometrische Darstellung eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels der semitoroidförmigen HF-Spule gemäß den Fig. 1 und 2, wobei die offenen Enden der semitoroidförmigen Spule in Richtungen radial zum Umfang der Spule zusammengedrückt sind;
Fig. 11 eine isometrische Darstellung eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels der semitoroidförmigen HF-Spule der Erfindung, wobei die Semitoroidform mit zwei Spulenwicklungen parallel bewickelt ist, wobei der Wicklungssinn entgegengesetzt zueinander verläuft, und wobei das ferne Ende jeder Spulenwicklung mit einer geerdeten leitenden Platte verbunden ist, die öffnungen zentriert auf den Stirnflächen der Spule aufweist;
Fig. 12 ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel bestehend aus zwei gekreuzten semitoroidförmigen Spulen der Bauart gemäß Fig. 11, wobei jede der vier individuellen Spulenwicklungen mit einer gemeinsamen geerdeten Platte verbunden ist;
Fig. 13 ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel, welches eine kleine entgegengesetzt gewickelte Einsatzspule verwendet, und zwar nestartig angeordnet, konzentrisch innerhalb einer primären semitoroidförmigen HF-Spule;
Fig. 14 eine graphische Darstellung der Nettomagnetfeldstärke als Funktion des Abstandes gegenüber der
seinitoroidförmigen Einsatz-HF-Spule der Fig. 13;
Fig. 15 die Verwendung einer semitoroj-dförmigen Spule als eine Entkopplungsspule in einem ansonsten konventionellen superleitenden NMR-Spektrometer.
Im folgenden sei die Erfindung im einzelnen beschrieben.
Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen in der einfachsten Form eine semitoroidformige HF-Spule 10, wie sie beispielsweise in einem NMR-Spektrometer verwendet werden könnte. Die Spule besteht, wie gezeigt, einfach aus einem elektrischen Leiter 12, der um eine semitoroidformige rohrartige Form 14 herumgewickelt ist. Die Form 14 kann aus irgendeinem geeigneten dielektrischen Material aufgebaut sein, vorausgesetzt daß das Material nicht ein mit dem Spektrometer zu analysierendes Element enthält und keine signifikante dielektrische Absorption bei der Betriebsfrequenz der Spule zeigt. Unter bestimmten Bedingungen kann die Form 14 weggelassen werden, wenn die Spule selbst aus einem Leiter aufgebaut werden kann, de.r eine hinreichende strukturelle Starrheit besitzt, um seine Form während des normalen Gebrauchs beizubehalten.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Form der HF-Spule nicht die eines vollkommenen Semitoroids sein muß. Andere ähnliche Gestalten, die topologisch äquivalent sind, können in gleicher Weise geeignet sein, und zwar abhängig von den Umständen.
Fig. 2 zeigt die Magnetfeldlinien 16, welche die allgemeine Form des durch die Spule 10 erzeugten Magnetfeldes andeuten. Wie gezeigt, tritt das Feld aus einem Ende der
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Spule aus und kehrt zum anderen Ende hin zurück. Das vollständige Feld kann als aus zwei Teilen bestehend beschrieben werden, und zwar einem ersten oder internen Teil,der vollständig innerhalb der rohrförmigen Grenzen der Spule 10 umschlossen ist, und aus einem zweiten oder externen Teil, der extern zur Spule verläuft und der aus den offenen Enden der Spule in der gezeigten Weise austritt und dorthin wieder zurückkehrt. Der letztgenannte Teil des Feldes ist bei den NMR-Anwendungsfällen,die im folgenden beschrieben werden, nutzbar.
Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Magnetfeld der Semitoroid-HF-Spule 10, wie dies durch die Feldlinien 16 angegeben ist, und einem statischen homogenen Magnetfeld, welches parallel zu der zweifachen Symmetrieachse der Spule verläuft. Die NMR-Signale werden am effektivsten außer den Zonen erhalten, wo das durch die Spule erzeugte Magnetfeld annähernd senkrecht zum statischen Feld verläuft. Diese Zonen sind durch die gestricheitel Gebiete in Fig. 3 angegeben. Diese Zonen definieren, wie gezeigt, ein hornförmiges Volumen, welches sich im Ganzen längs der zweifachen Symmetrieachse der Spule erstreckt. Die Intensität des HF-Magrtetfeldes nimmt mit dem Abstand gegenüber der HF-Spule ab, jedoch derart, daß der Teil der Zone 18, der am dichtesten zur HF-Spule liegt, am effektivsten bei der Erzeugung von NMR-Signalen ist.
Umgekehrt werden NMR-Signale am wenigsten effektiv aus Gebieten erhalten, in denen das statische Feld und das HF-Spulenfeld annähernd parallel verlaufen, wie dies durch die zwei gestrichelten Zonen 19 angedeutet ist, die von den Endflächen der Spule nach außen und wegwärts verlaufen.
-Vd-
Die Fig. 4 und 5 zeigen, wie eine halbtoroidförmige HF-Spule 10, wie beispielsweise die gemäß den Fig. 1 und 2, in der Bohrung eines großen und superleitenden NMR-Magneten 20 verwendet werden kann, um TMR-Messungen aus Gewebe innerhalb des Unterarms eines Menschen zu erhalten. Im dargestellten System sind die Größen von sowohl Bohrung des Magneten wie auch von der HF-Spule derart ausgewählt, daß es möglich ist, daß eine Person den Arm in die Bohrung des Magneten einführt und den Unterarm in enger Nachbarschaft oder den Berührungen mit den offenen Enden der Spule 10 anordnet.
Ferner ist die Spule 10 gemäß den Fig. 4 und 5 derart orientiert, daß sie in einer Ebene liegt, die sich senkrecht zum statischen Magnetfeld (welches sich längs der Bohrung des Magneten erstreckt) erstreckt, und zwar im Gegensatz zur Orientierung gemäß der Fig. 3. Bei einer derartigen Orientierung ist der größte Teil des, durch die Spule erzeugten Magnetfeldes, senkrecht zum statischen Magnetfeld, auf welche Weise die Spule gegenüber einem größeren Volumen der Probe empfindlich gemacht wird. Diese Orientierung ist dort zweckmäßig, wo lediglich ein Signal aus einem relativ homogenen Probenobjekt erhalten werden soll, ohne unterscheiden zu wollen zwischen Signalen, erhalten von unterschiedlichen Stellen innerhalb des Objekts.
Eine weitere mögliche Konfiguration ist eine solche, bei der die Ebene des Semitoroids parallel zu den statischen Feldlinien verläuft und die zweifache Symmetrieachse senkrecht zum statischen Feld liegt. Diese Konfiguration erreicht maximale Empfindlichkeit in Zonen nahe den Enden der Semitoroidspule und minimale Empfindlichkeit an von den Enden weggelegenen Stellen. Ein geeigneter Vergleich der Signale von den verschiedenen Orientierungen der Spule
bezüglich des statischen Feldes gestattet eine Differenzierung oder Unterscheidung der Signale, erhalten von Teilen der Probe,die nahe der Spule sitzen, gegenüber Teilen, die tiefer innerhalb der Probe angeordnet sind.
Wie oben erwähnt, kann das durch die Semitoroidspule erzeugte effektive Magnetfeld als aus zwei Teilen bestehend beschrieben werden, und zwar dem Teil, der innerhalb des rohrförmigen Semitoroiden besteht, und dem Teil der außerhalb des Toroiden existiert und der eine Probe, wie beispielsweise den Unterarm gemäß den Fig. 3 und 4 durchdringt. Der Teil des magnetischen Feldes innerhalb der Innenseite des Semitoroiden wird in effektiver Weise gegenüber Effekten von nahegelegenen Metallobjekten isoliert, und zwar beispielsweise der Innenoberfläche des superleitenden Magneten. Infolgedessen sind die Teile des HF-Magnetfeldes innerhalb der Spule und auch außerhalb der Spule weitgehend unbeeinflußt durch die Nähe der Metalloberfläche hinter der Spule. Diese Trennung oder Isolation des HF-Magnetfeldes repräsentiert eine beträchtliche Verbesserung gegenüber bekannten HF-Spulen, die gegenüber den Effekten von nahegelegenen Metallobjekten empfindlich sind. In dieser Beziehung sei darauf hingewiesen, daß, was immer auch den nicht-benutzten Teil des Magnetfeldes beeinflußt, auch die Form und die Stärke des benutzten Teiles beeinflußt, wodurch die Leistungsfähigkeit des Instruments beeinflußt wird.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, ähnlich den Fig. 4 und 5, aber im größeren Maßstab. Bei diesem Anwendungsfall wird "eine semitoroidförmige HF-Spule 10 zusammen mit einem sehr großen superleitenden NMR-Elektromagneten 21 verwendet, um diagnostische NMR-Messungen
zu erhalten, und zwar aus Gewebe innerhalb des Verdauungstrakts eines Menschen. Wiederum sind wie beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel die Größen der des superleitenden Elektromagneten und der semitoroidförmigen HF-Spule derart ausgewählt, daß man eine optimale Konfiguration für eine Person üblicher Größe erhält.
Fig. 7 veranschaulicht ein Anwendungsfall der vorliegenden Erfindung in einem NMR-Spektrometer mit einem konventionellen Eisenkernelektromagneten 22, bestehend aus einem Paar von mit Abstand angeordneten Magnetspulen 24 und zugehörigen Eisenpolstücken 24a. Eine semitoroidförmige HF-Spule 10 ist zwischen den Polstücken 24a des Elektromagneten positioniert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die HF-Spule zentriert zwiwchen den Polstücken und ist derart positioniert, daß sie orthogonal oder senkrecht zu der Längsmittelachse 24b liegt, welch letztere sich durch die Polstücke erstreckt. Ferner ist die HF-Spule vorzugsweise gegenüber der Achse 24b der Polstücke versetzt, so daß das effektive HF-Feld von der halbtoroidförmigen Spule am Mittelpunkt auf der Achse 24b angeordnet ist, und zwar mittig zwischen den Polstücken, wo das Magnetfeld vom NMR-Elektromagneten am gleichförmigsten ist.
Fig. 8 zeigt die Verwendung der Anordnung gemäß Fig. 7. Die Hand eines Menschen ist zwischen die Polstücke 24a eingesetzt und liegt mit den Kanten an den Stirnflächen der semitoroidförmigen Spule 10. Auf diese Weise kann eine NMR-Messung aus Gewebe erhalten werden, was tief innerhalb der Hand des Menschen liegt. Bei einem tatsächlichen Prototypen der semitoroidförmigen Spule mit einer Gesamtabmessung von 5 cm und einem Querschnitt von 1,5 χ 1,5 cm, angeordnet in dieser Weise, hat ein "Ein-
zelschuß" Protonen-NMR-Signal von der Hand eines Erwachsenen bei 5 cm Abstand und einer Frequenz von 10 MHz, ein Signal zum Rauschverhältnis von ungefähr 10. Dieser Anwendungsfall ist wegen der Einfachheit der Anwendung besonders geeignet für diagnostische Anwendungsfälle, wo eine schnelle biochemische oder physiochemische Bestimmung erforderlich ist, insbesonders wo solche Bestimmungen nicht von irgendeinem speziellen Teil des Körpers einer Person erhalten werden müssen.
Die Fig. 9 und 10 zeigen bestimmte Abwandlungen der grundsätzlichen semitoroidförmigen HF-Spule. In Fig. 9 sind die offenen Enden der semitoroidförmigen Spule 30 abgeflacht, wie durch das Zusammendrücken der offenen Endungen in Richtungen radial zur Spule. Dies formt das Magnetfeld derart, daß die Homogenität des Feldes in der Richtung senkrecht zur Ebene des Semitoroiden verbessert wird. Der Hauptteil des Semitoroiden ist jedoch kreisförmig im Querschnitt um den Güterfaktor der Spule und daher die Intensität des erzeugten Feldes zu maximieren.
Fig. 10 veranschaulicht eine Spule 32, die abgeflacht ist und an ihren offenen Enden zusammengequetscht ist, um die Feldhomogenität weiter zu verbessern, und zwar in Richtung parallel zur Ebene des Semitoroiden. Man wird diesen Effekt dadurch vorstellen, daß man den Fall ins Auge faßt, wo die Verlängerung bis zu dem Punkt ausgeführt wurde, daß die Spule in zwei Spulen aufgespalten wird. Dann würde deutlich eine Zone zwischen den Spulen entstehen, wo das Feld ein relatives Minimum besitzt. Das Minimum kann angehoben werden/um eine flache Abhängigkeit zu sein, d.h. ein gleichförmiges Feld, und zwar durch eine geeignete Einstellung des effektiven Abstands zwischen den Spulen.
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Fig. 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Spule 36,die zwei Spulenwicklungen 38 und 40 aufweist. Die Wicklungen 38 und 40 werden von einem gemeinsamen Mittelpunkt aus betrieben und sind in ihrer Richtung umgekehrt. Die Wicklungen 38 und 40 sind ferner mit einer elektrisch leitenden geerdeten Platte 42 verbunden. Die geerdete Platte 42 weist (nicht gezeigt) Kreisöffnungen auf, die mit den Öffnungen der semitoroidförmigen Spule 36 zusammenfallen. Bei dieser Konfiguration ist die Probe keinem elektrischen Streufeld ausgesetzt, das sich ergeben kann, infolge von Spannungsdifferenzen an den Enden der Spule, und zwar ist dies deshalb der Fall, weil die Enden der Spule auf dem gleichen Potential gehalten werden. Die Vorrichtung wird einfach dadurch verwendet, daß man die geerdete Platte an dem Objekt wie beispielsweise einem Teil des Körpers eines Menschen anordnet, und zwar in der gleichen Weise wie bei den obigen Anwendungsfällen.
Die Ausbildung gemäß Fig. 11 macht die Vorrichtung sicherer für klinische Anwendungsfälle, weil sich keine direkte Schlaggefahr von den Enden der Spule ergibt. Zudem wird die dielektrische Heizung der Probe infolge von elektrischen HF-Streufeldern minimiert. Dieser Vorteil hat auch wichtige Folgen bei der Verwendung der Spule als einer Entkopplungsspule für die zweite Bestrahlung in einem Doppelresonanzexperiment. Um beispielsweise NMR-Signale aus Kohlenstoff-13-Kernen zu erhalten, ist es normalerweise notwendig, die Protonen kontinuierlich mit ihrer Resonanzfrequenz zu bestrahlen, um den Effekt der Protonen auf die Kohlenstof f-1 3-Resonanz zu entkoppeln. Wegen der hohen Protonenfrequenz und auch wegen des großen Arbeitszyklus der Bestrahlung wird diese Protonenbestrahlung ohne weiteres das lebende Gewebe aufheizen, wenn nicht das das HF-Magnetfeld begleitende elektrische HF-Feld unterdrückt werden kann.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Signal/Rauschverhältnis nicht nachteilig beeinflußt wird durch die Kopplung des dielektrischen Rauschens mit der Spule. Das Signal zum Rauschverhältnis kann noch mehr gegenüber einer Spule mit identischen Abmessungen verbessert werden, weil die parallelen elektrischen Verbindungen eine größere Anzahl von Windungen für die gleiche Induktivität gestatten. Schließlich werden die Abstimmparameter weniger beeinflußt durch die elektrische Feldwechselwirkung der Probe mit der Spule, auf welche Weise die Arbeitsweise der Spule vereinfacht wird.
Für eine weiter verbesserte Leistungsfähigkeit können zusätzliche semitoroidale Spulen gemäß Fig. Ii verwendet werden, wie dies beispielsweise in Fig. 12 dargestellt ist. Fig. 12 zeigt ein zweites Semitoroid 44 angeordnet rechtwinklig bezüglich eines ersten Toroids, wobei die Spulen insgesamt vier elektrische Wicklungen 48, 50,52 und 54 aufweisen. Die vier Wicklungen werden von einem gemeinsamen Zentrum her betrieben, und zwar an der Oberseite jeder Anordnung und sie sind jeweils mit einer geerdeten Platte 56 verbunden. Auf diese Weise ist das 1,4-fache des Feldes von jeder Spule verfügbar. Bei diesem Ausführungsbeispiel können die beiden Spulen 44 und 46 mit HF-Strömen betrieben werden, die um 90° derart phasenverschoben sind, daß die Beiträge von den beiden Spulen in konstruktiver Weise addiert werden, um ein zirkulär polarisiertes HF-Feld zu ergeben.
Fig. 13 veranschaulicht die Verwendung einer Einsatzspule 60,um die Leistungsfähigkeit der semitoroidalen Primär-HF-Spule weiter zu erhöhen. Die Einsatzspule 60 besteht aus einer kleinen semitoroidförmigen HF-Spule, die konzentrisch in der primären HF-Spule 62 sitzt. Die Einsatzspule 60
wird durch einenelektrischen HF-Strom betrieben, um so ein entgegenwirkendes HF-Magnetfeld zu erzeugen. Das Feld von der Einsatzspule 60 wird derart eingestellt, daß es partiell das Feld von der Primärspule 62 auslöscht, und zwar an einem gewissen Abstand nahe der gemeinsamen Mittelebene der Spulen. Bei größeren Abständen jedoch ist das Feld der Einsatzspule schwächer und hat weniger Wirkung, so daß das effektive Magnetfeld von der Primärspule 62 mit einem Abstand von der gemeinsamen Ebene angeordnet ist. Der Effekt der Einsatzspule ist ferner in Fig. 14 veranschaulicht. Fig. 14 zeigt graphisch,wie das Feld von der Einsatzspule und das Feld von der primären Spule einander bei dichten Abständen auslöschen, wobei ein Nettofeld übrigbleibt, welches am größten bei einem Abstand gegenüber der Anordnung ist.
Fig. 15 veranschaulicht die Verwendung einer semitoroidförmigen HF-Spule 64 als Entkopplungsspule in der Umgebungstemperaturbohrung eines superleitenden Magneten 66. Eine Probe 68 ist in einer konventionellen Solenoid-HF-Spule 70 eingeschlossen und wird um eine Horizontalachse verdreht, die sich senkrecht zur Achse der zweifachen Symmetrie der semitoroidalen Entkopplungsspule 64 erstreckt. Obwohl die primäre HF-Spule 70 als eine konventionelle Solenoidspule dargestellt ist, so ist doch klar, daß sowohl die primäre als auch die Entkopplungsspulen semitoroidual sein könnten. Die Entkopplungsspule 64 der Fig. 15 weist gespaltene Windungen derart auf, wie sie in Fig. 11 gezeigt sind und sie weist ferner eine Erdplatte 64a auf, um das elektrische Streufeld zu minimieren und die dielektrische Erhitzung der Probe klein zu halten.
Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor: Eine
verbesserte Nuklearmagnet-Resonanzvorrichtung (NMR-Vorrichtung) zur Verwendung in der topischen Magnetresonanzspektroskopie (TMR-Spektroskopie) und anderen NMR-Anwendungsfällen mit Fernabfühlung unter Verwendung einer semitoroidalen Hochfrequenzspule. Die semitoroidale Hochfrequenzspule erzeugt ein effektives alternierendes Magnetfeld mit einem Abstand gegenüber den Polen der Spule, um so NMR-Messungen von ausgewählten Zonen innerhalb eines Objekts vornehmen zu können, und zwar Messungen insbesondere in Zonen innerhalb eines Menschen oder eines anderen lebenden Subjekts. Die semitoroidale HF-Spule ist relativ unempfindlich gegenüber Magnetstörungen durch metallische Objekte angeordnet hinter der Spule, wodurch die Spule besonders geeignet gemacht wird für Anwendungsfälle sowohl bei konventionellen wie auch bei superleitenden NMR-Magneten. Die semitoroidale NMR-Spule kann derart aufgebaut sein, daß sie in der Verbindung mit dem HF-Magnetfeld wenig oder keinen Überschuß an elektrischem HF-Feld imitiert, auf welche Weise die nachteiligen Effekte vermieden werden, die durch die dielektrische Erhitzung der Probe oder irgendwelche anderen Wechselwirkungen des elektrischen Feldes mit der Probe auftreten.
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Claims (15)

  1. Patentansprüche
    1/ Nuklearmagnet-Resonanζspektrometer gekennzeichnet durch eine semitoroidale Hochfrequenzspule zur Bestrahlung einer Probe mit einem alternierenden Magnetfeld.
  2. 2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule eine primäre NMR-Spule ist.
  3. 3. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule eine Entkopplungsspule ist.
  4. 4. Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die semitoroidale HF-Spule eine zweifache Symmetrieachse besitzt und wobei das Spektrometer ein statisches Magnetfeld aufweist und wobei ferner die zweifache Symmetrieachse sich parallel zur Richtung des statischen Magnetfelds des NMR-Spektrometers erstreckt.
  5. 5. Spektrometer nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine semitoroidale Einsetzspule, nestartig angeordnet, konzentrisch innerhalb der Primärspule, wobei die Primär- und Einsetzspulen in entgegengesetzten Richtungen derart gewickelt sind, daß das HF-Magnetfeld der Einsatzspule teilweise das Feld der Primärspule bei engen Abständen auslöscht, wodurch ein NMR-Signal aus einer isolierten Zone auf eine Tiefe innerhalb einer Probe erfaßt werden kann.
  6. 6. Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule eine Vielzahl von semitoroidalen Spulen aufweist, deren jede eine Achse von zweifacher
    Symmetrie besitzt, und wobei die Achsen der zweifachen Symmetrie sich parallel zueinander erstrecken und koaxial sind.
  7. 7. Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die semitoroidale HF-Spule in Richtungen radial zur Spule abgeflacht ist.
  8. 8. Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die semitoroidale HF-Spule in Richtungen radial zur Spule eingequetscht ist.
  9. 9. Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die semitoroidale HF-Spule zwei Spulenwicklungen aufweist, die in entgegengesetzten Richtungen gewicke11 s ind.
  10. 10. Spektrometer nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Erdplatte, wobei sich die Stirnflächen der Spule durch Öffnungen in der Erdplatte öffnen, und wobei jede der beiden Spulenwicklungen elektrisch mit einem Ende mit der Erdplatte verbunden ist.
  11. 11. Spekrometer nach Anspruch 2, wobei die semitoroidale HF-Spule in einer Duplex-Betriebsart betreibbar ist, um alternativ eine Probe zu bestrahlen und das induzierte NMR-Signal von der Probe zu empfangen.
  12. 12. Spektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die semitoroidale HF-Entkopplungsspule eine zweifache Symmetrieachse besitzt, und wobei das Spektrometer ein statisches Magnetfeld aufweist, wobei ferner die zweifache Symmetrieachse der Entkopplungsspule sich parallel zur Richtung des statischen Magnetfelds in dem NMR-Spektrometer erstreckt.
  13. 13. Spektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungsspule eine geerdete Platte aufweist,um das elektrische HF-Streufeld zu minimieren, und wobei die Stirnflächen der Spule sich durch öffnungen in der Erdplatte öffnen.
  14. 14. Spektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die semitoroidale Entkopplungsspule zwei Spulenwicklungen, gewickelt in entgegengesetzten Richtungen aufweist.
  15. 15. Spektrometer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die semitoroidale Entkopplungsspule zwei Spulenwindungen aufweist, die in entgegengesetzten Richtungen gewickelt sind, und wobei jede der beiden Spulenwickeln elektrisch mit einem Ende mit der geerdeten Platte verbunden ist.
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