WO1991000528A1 - Probenkopf für die kernresonanz-ganzkörper-tomographie oder die ortsabhängige in-vivo kernresonanz-spektroskopie - Google Patents

Probenkopf für die kernresonanz-ganzkörper-tomographie oder die ortsabhängige in-vivo kernresonanz-spektroskopie Download PDF

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Hermann Brunner
Karl Hermann Hausser
Werner Veith
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MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.
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Definitions

  • the invention relates to a probe for nuclear magnetic resonance whole-body tomography or location-dependent in-vivo nuclear magnetic resonance spectroscopy, with a high-frequency coil, each of which has a number of inductive sections arranged alternately in the direction of the high-frequency current in the form of metallic ones Includes bands, as well as capacitive sections, such that the field lines of the High-frequency coil generated high-frequency magnetic field run parallel to an axis defined by the high-frequency coil.
  • a sample head of the type mentioned above is known from DE-OS 35 12 682.
  • a human body as a whole or part of the human body is exposed to a constant magnetic field of high field strength and great homogeneity, as well as a high-frequency magnetic field, the field lines of which are directed perpendicular to the field lines of the constant magnetic field.
  • a constant magnetic field of high field strength and great homogeneity as well as a high-frequency magnetic field, the field lines of which are directed perpendicular to the field lines of the constant magnetic field.
  • an "open" high-frequency coil arrangement which consists of two saddle coils arranged symmetrically with respect to one another.
  • the saddle coils are composed of elongated sections of metal strips, the individual sections being connected to one another at their ends by means of insulating elements.
  • Each of the two Saddle coils consist of two vertical metal strips arranged parallel to each other, which are connected to each other at their upper ends by a metal strip running in the form of a circular arc.
  • each vertical metal strip of each saddle coil are connected to each other by means of a transverse metal strip to form an electrode, while the lower ends of the other two vertical metal strips are connected to one end of two further circular-arc-shaped metal strips, the opposite ends of which are also connected to a further transverse one ⁇ the metal strips are connected to a second electrode which is arranged in the vicinity of the first-mentioned electrode and parallel to it.
  • the coil consists of eight sections, in the sense of the present application it is a series connection of two four-gap coils without metal return.
  • the insulating bodies between the ends of the metal strips act as capacitive elements, while the metal strips themselves act as inductive elements.
  • Solid bodies or gases or capacitors can be used here as insulating bodies.
  • a pair of high-frequency coils is used, the individual coils of which are arranged parallel to one another and at an axial distance.
  • Each individual spool of the pair of coils consists of three circumferential metal strips, which are bent inwards at their ends and maintain a certain distance from the bent end of the adjacent strip. In this way, inductive sections are also generated by the metallic strips and capacitive sections by the air gaps formed by the bent strip ends.
  • the coil arrangement acts as a gap coil.
  • the gap coil can therefore be used with its axis of symmetry in the direction of the constant magnetic field because the body to be examined, when it is brought into the gap between the two individual coils, is traversed there by field lines of the high-frequency magnetic field, which are transverse to the axis of symmetry of the coil arrangement and thus perpendicular to the field lines of the constant magnetic field.
  • Another coil arrangement for imaging nuclear magnetic resonance methods is known from EP-OS 0 160 942.
  • the high-frequency current flows in the direction of the longitudinal axis of the body, with the result that the field lines of the high-frequency magnetic field penetrate the interior of this body in a direction perpendicular to the longitudinal axis.
  • a surface resonator is formed by a single turn of a band-shaped electrical conductor.
  • the surface resonator has a funnel-shaped shape so that it can be placed with a larger or a smaller opening on the body to be measured as a surface coil.
  • a resonator for electron spin resonance measurements is known from DE-OS 32 37 250.
  • This resonator which is used in the microwave range, comprises two hollow cylindrical segment-shaped components which are arranged symmetrically to the longitudinal axis of a cylindrical shielding housing in the latter.
  • the distance of the hollow cylindrical segment-shaped elements from the wall of the shielding housing is approximately equal to their radius.
  • an arrangement with four hollow cylindrical segment-shaped elements is also described, each of which forms a sector of approximately 90 ° of a hollow cylinder. In this case, however, it is provided to feed elements lying opposite each other by 180 ° from a high-frequency source, that is to say to feed the entire arrangement with two high-frequency sources in order to carry out multiple resonance measurements.
  • the dimensions of this arrangement are in the range of a few centimeters or less.
  • the dielectric losses ie the energy transfer from the high-frequency electric field into the substance of the human body, increase with the square of the electric field strength. This means that when the electric field strength is doubled, the dielectric losses quadruple.
  • these dielectric losses are extremely disruptive for two reasons: First, the spatially very uneven losses due to the inhomogeneity of the measurement sample, here the human body, distort the high-frequency field, which causes additional artifacts and has a negative effect on the image quality. Secondly, the absorbed energy, which is of the order of 1 W / kg body weight, leads to local warming. This energy is about the limit of what is still assumed to be harmless from a medical point of view.
  • the field lines of the high-frequency electrical field in resonators with axial guidance of the high-frequency current are used e.g. the sample space in a direction perpendicular to the longitudinal axis, so that the body to be measured is exposed to these field lines in full.
  • DE-OS 35 12 682 has the disadvantage that it works as an "open” arrangement, that is to say in practice as an antenna in which the field lines of the electrical and magnetic high-frequency fields are located far outside close the coil arrangement more or less randomly via components in the area.
  • "open" coil arrangements the desire for a compact design cannot be met, because a concentration of the field lines inside the coil is not possible due to the "open” design.
  • the desired electrical or magnetic field strength can be achieved by increasing the high-frequency current with all the associated disadvantages.
  • the object of the invention is to further develop a probe head of the type mentioned at the outset in such a way that, with a small design, a sample space is made available in which the electrical high-frequency field strength with a unchanged high magnetic high-frequency field strength is only minimal Assumes value.
  • the high-frequency coil forms a unit together with an outer jacket and that the number of inductive and capacitive sections is such that it is just below the limit value, when exceeded, the distribution of the field lines of the high-frequency coil generated high-frequency electrical field from a first distribution, in which there is a plane between each inductive section and the axis, in which the strength of the high-frequency electrical field is zero, tilts into a second distribution, in which the strength of the high-frequency electrical field, irrespective of the number of inductive sections, extends essentially rotationally symmetrically about the axis and increases linearly from the axis to the high-frequency coil.
  • the invention is therefore based on the idea of setting the number of capacitive and inductive sections to close to the limit value mentioned, so that the large-scale reduction of the high-frequency electrical field inside the coil can be used as effectively as possible.
  • the invention thus opens up completely new application possibilities for whole-body nuclear magnetic resonance tomography and the location-dependent in-vivo nuclear magnetic resonance spectroscopy, because the strength of the magnetic high-frequency alternating field can be increased by about an order of magnitude without having to be compared to conventional sample heads increase dielectric losses in the human body to be examined.
  • the invention thus achieves three essential advantages over conventional sample heads which were not predictable by means of relatively simple measures in one fell swoop.
  • the capacitive sections are designed as gaps that run parallel to the field lines of the high-frequency magnetic field.
  • This measure has the advantage that a defined field distribution is achieved, in which the field lines of the high-frequency electrical magnetic field run exactly at 90 ° to the field lines of the constant magnetic field.
  • the gaps are filled with a dielectric. This measure has the advantage that the inductive sections are mechanically bridged and thus the stability of the arrangement is increased.
  • the metallic strips are bent away from the interior of the high-frequency coil at their edges adjoining the gaps, such that the capacitive sections lie outside the interior.
  • This known measure has the advantage that the electrical field strength in the interior can be further reduced by moving the capacitive sections out of the interior.
  • the tapes are flat.
  • This measure has the advantage that the high-frequency coil can be constructed in the manner of polygons, which leads to constructive advantages in individual cases.
  • Flat belts are also easier and cheaper to manufacture.
  • annular high-frequency coils can be realized, as is known per se. If, alternatively or additionally, the strips are given a curvature transversely to their longitudinal direction, mechanically particularly stable structures are created. In exemplary embodiments of the invention, the metallic strips are rigidly connected to one another at the capacitive sections.
  • this measure has the advantage that particularly stable high-frequency coils are formed which can be self-supporting.
  • the metallic strips can be glued to one another by means of an adhesive, the adhesive preferably forming a dielectric. In this way, a mechanical connection and an electrical improvement in the manner described above are achieved at the same time.
  • the width of the column in the direction of the high-frequency current is between 0.1% and 2%, preferably 0.5% of the circumference of the high-frequency coil.
  • a first dimension of the metallic strips in the direction of the high-frequency current is no more than four times a second dimension perpendicular thereto.
  • This measure has the advantage that by using particularly "broad" bands, seen in a direction transverse to the direction of propagation of the high-frequency current, the ohmic losses can also be kept low because the effective cross-section of the bands is large.
  • a dimension of the metallic strips perpendicular to the direction of the high-frequency current is between 10% and 50%, preferably 20% of the diameter of the high-frequency coil.
  • the outer jacket has an essentially circular cylindrical shape and surrounds the high-frequency coil at a distance which is between 5% and 20%, preferably 10%, of the diameter of the high-frequency coil.
  • the probe head comprises two high-frequency coils in a Helmholtz arrangement, as is known per se.
  • the sample head comprises four high-frequency coils, two of which each form a pair in a Helmholtz arrangement and the axes of the pairs are perpendicular to one another.
  • Such an arrangement has the essential advantage that, as a so-called Bloch arrangement, it allows induction measurements in which the nuclear spins, which are excited via the one pair of coils, induce the measurement signal into the other pair of coils and at the same time an extreme electrical decoupling is given between the two pairs of coils.
  • such an arrangement also has the advantage that the substance to be examined can be subjected to two excitation signals of different phase positions simultaneously, so that a circularly polarized excitation field is created in the measuring substance and detection of the measurement signal with a quadrature receiver is possible.
  • the high-frequency coils are designed as saddle coils in a manner known per se.
  • This measure namely has the advantage that access to the interior of the coil is facilitated because, in the case of sample heads of the type of interest here, the high-frequency coil has its longitudinal axis transverse to the direction of the constant magnetic field and when using superconducting solenoid coils to generate the Constant magnetic field so that access from a direction perpendicular to the longitudinal axis of the high-frequency coil is required.
  • each saddle coil of a pair bears at least one point on the two saddle coils of the other pair and is fixed there.
  • This measure has the advantage that a self-supporting arrangement of the four high-frequency coils is created, which spatially touch at a total of eight points and thus form a stable framework.
  • a particularly preferred embodiment of the invention is formed in that the saddle coils comprise two circular segment-shaped bands and two elongated bands, preferably curved in the longitudinal and / or transverse direction, with their free ends at an angle of 90 ° to the circular segment-shaped bands run.
  • This measure has the advantage that a further increase in stability is possible without having to use additional brackets which could disrupt the course of the fields.
  • the symmetry of the high-frequency coils of the probe head and the distribution of the high-frequency electrical field mean that planes occur in the interior of the probe head at which the high-frequency electrical field strength is zero. It is therefore safe to ground there, and this is therefore recommended in order to be certain that the probe head is very large, so that only the desired mode of vibration is excited in the circle. These groundings can also serve as brackets at the same time.
  • sample head according to the invention can advantageously be used as a surface coil.
  • Figure 1 is a perspective view of a sample head, partially broken open, with a high-frequency coil consisting of a double-slotted arrangement with hollow cylinder-segment-shaped elements and with an outer jacket which forms an integrated unit together with the high-frequency coil.
  • FIG. 2 shows a top view of the arrangement according to FIG. 2;
  • FIG. 3 shows a further probe head, similar to FIG. 1, but with a high frequency coil slotted four times;
  • FIG. 4 is a view like FIG. 2, but for the sample head of FIG. 3;
  • FIGS. 1 and 3 shows a probe head similar to FIGS. 1 and 3, but with an eight-fold slotted high-frequency coil
  • FIG. 6 is a view similar to that of FIGS. 2 and 4, but for the sample head according to FIG. 5;
  • FIGS. 1, 3 and 5 shows a further probe head, similar to FIGS. 1, 3 and 5, but with a high-frequency coil slotted sixteen times;
  • Figure 8 is a view similar to Figures 2, 4 and 6 but for the sample head of Figure 7; 9 is a perspective view of the course of the amount of the electric field strength over a radial cross-sectional area of the high-frequency coil in the sample head of FIG. 1;
  • FIG. 10 shows a representation similar to FIG. 9, but for the sample head according to FIG. 3;
  • FIG. 11 shows a representation similar to FIGS. 9 and 10, but for the sample head according to FIG. 5;
  • FIG. 12 shows a representation similar to FIGS. 9, 10 and 11, but for the sample head according to FIG. 7;
  • FIG. 13 is a graphical representation of measured values measured in practice to explain the dependence of the electric field strength at a predetermined distance from the axis of a high-frequency coil in resonators of the type of FIGS. 1, 3, 5 and 7 on the number of slots in the radio frequency coil;
  • 15 shows a perspective illustration of a further probe head with two high-frequency coils in a Helmholtz arrangement in a constant magnetic field of a nuclear magnetic resonance tomograph; 16 shows a perspective illustration, partly broken away, of a ready-to-use resonator similar to the type shown in FIGS. 3 and 4;
  • FIG. 17 shows a radial sectional view through the resonator according to FIG. 16;
  • FIG. 19 shows a perspective illustration of a further exemplary embodiment of a probe head, in which the high-frequency coil is formed in the manner of a polygon with flat bands;
  • FIG. 20 shows a side view of a high-frequency coil for a further sample head, which is constructed in the manner of a sixteen-corner with flat bands;
  • FIG. 21 shows a perspective view of the high-frequency coil shown in FIG. 20;
  • FIG. 22 shows a sample head in the manner of that of FIG. 18, but consisting of four nested and fastened high-frequency coils according to FIGS. 20 and 21; 23 shows a detail, illustrating a first embodiment of an inductive section for a high-frequency coil of a sample head according to the invention;
  • FIG. 24 shows a variant of the detail of FIG. 23
  • FIG. 25 shows a further variant — for the detail of FIG. 23;
  • FIG. 1 and 2 show a first probe head 10 with a high-frequency coil 11, which is surrounded by a cylindrical outer jacket 12.
  • the high-frequency coil 11 consists of two bands 13 and 14, which are designed as segments of a hollow cylinder or two half-shells. Between the bands 13 and 14 there is a gap 15 and 16 at their free ends. A line 17 serving as grounding is connected radially to the first band 13 and a further line 18 serving as grounding is connected radially to the second band 14. From a high-frequency point of view, the high-frequency coil 11 consists of inductive sections, which are formed by the metallic strips 13, 14, and capacitive sections, formed by the gaps 15 and 16.
  • the high-frequency coil 11 is supplied with high-frequency energy in a manner known per se by using a conventional coupling, which is omitted in FIG. 1 as well as in the following figures for the sake of clarity.
  • the high-frequency coupling can be carried out in a conventional manner in an inductive manner via a loop in the high-frequency magnetic field space.
  • the structure of the resonant circuit will then force the desired high-frequency magnetic field, particularly in the case of the described symmetrical grounding of the circuits via lines 17 and 18.
  • FIGS. 3 and 4 show the corresponding conditions for a second probe head 30, in which a high-frequency coil 31 is in turn housed in an outer jacket 32.
  • the high-frequency coil 31 has four bands 33 to 36, which include gaps 37 to 40 between them.
  • earth lines 41, 42 are each connected to only one of the bands 33 and 35.
  • the field lines 43 of the high-frequency electric field Ei and the field lines 44 of the high-frequency magnetic field Hi again run perpendicular or parallel to an axis 45 and have the distribution 46 shown in FIG. 4.
  • FIG. 5 and 6 show the corresponding relationships for a third probe head 50, in which a high-frequency coil 51 is in turn surrounded by a cylindrical outer jacket 52.
  • the high-frequency coil 51 consists of eight bands 53 to 60 with eight columns 61 to 68, and earth lines 69 and 70 are only connected to the band 53 or the opposite band 57 in the image; but they can also be connected to four tapes or all tapes.
  • Field lines 71 of the high-frequency electrical field Ei and field lines 72 of the high-frequency magnetic field Hi have the distribution 56 shown in FIG. 6 and run perpendicular or parallel to the axis 24 of the high-frequency coil 51.
  • the high frequency coil 81 now comprises sixteen bands, some of which are designated 83 to 88 in FIGS. 7 and 8. Correspondingly, sixteen columns 89 to 94 are provided.
  • Earth lines 95 and 96 can in turn, e.g. be connected to diametrically opposed bands 83, etc., as explained above for FIG. 6.
  • the field lines 97 of the high-frequency electric field Ei again run perpendicular to the axis 99 of the high-frequency coil 81.
  • the plane 76c is clearly drawn out and it can be seen that it leads from the center of the inductive section, which is symbolized by the third band 55, to the axis 74 and only contains spatial points in which the electric field strength is zero Has.
  • the measurement of the electric field strength E was carried out on about a fifth of the radius, measured from the center of the respective high-frequency coil.
  • FIG. 13 shows that the electric field strength decreases by about an order of magnitude, if two slotted to an eight times slotted high-frequency coil. If, as mentioned at the beginning, the fact that the dielectric losses depend on the square of the electric field strength is taken into account, FIG. 13 clearly shows that the dielectric losses can be reduced by approximately two orders of magnitude.
  • nu is a critical number for the inductive or capacitive sections. This critical number nu is intended to symbolize the transition from the regularly shaped distributions 22, 46 and 75 to the degenerate, constant distribution 98.
  • a characteristic example is calculated, in which the diameter D is 80 cm.
  • the magnet required for this to generate the constant magnetic field must therefore have a diameter of more than one meter.
  • the gap width d is calculated using the known formula:
  • the values in the fourth column are twice as large as the values in the third column because PTFE has a dielectric constant of 2 and the width d must therefore be doubled in order to achieve the same capacitance value.
  • the wavelength at 100 MHz is 3, the circumference is 2.51 m. So it is slightly smaller than the wavelength. With eight columns, the length of a single band with 31.4 centimeters corresponds to about 10% of the wavelength.
  • the entire arrangement is 2 by 16 centimeters plus a distance of, for example, 24 centimeters, a total of 56 centimeters, which is slightly larger than a sixth the wavelength.
  • the resonance circuit must be shielded with an outer jacket in order not to let the numerous antennas take effect.
  • the outer jacket 52 is absolutely necessary in order to maintain the magnetic reflux.
  • the distance c of the outer jacket 52 from the high-frequency coil 51 is only 10 cm in the example and is therefore at least one order of magnitude in relation to the diameter 5 D and corresponding relative distances in microwave arrangements of electron spin resonance spectroscopy.
  • FIG. 15 shows a fifth exemplary embodiment of a sample head 100 with a first high-frequency coil 101 and a second high-frequency coil 102.
  • the coils 101, 102 are in turn located in an outer jacket 103.
  • the field lines 104 of the magnetic high-frequency field Hi pass through both coils
  • the intermediate space 106 is dimensioned with a width g that is smaller than half the diameter D of the coils 101,
  • the direction of the constant magnetic field Ho, which runs perpendicular to the axis of the coils 101, 102, is designated by 105.
  • Ii denotes the high-frequency current that is supplied to the two coils 101, 102 in phase.
  • the sample head 110 has a first high-frequency coil 111 and a second high-frequency coil 112, which in turn are arranged within a cylindrical outer shell 113.
  • the first high-frequency coil 111 comprises four bands 114 to 117, and the second high-frequency coil 112 also comprises four bands 118 to 121, which are arranged symmetrically with respect to one another.
  • the tapes 114, 116, 118 and 120 are designed as annular disk segments, while the tapes 115, 117, 119 and 121 are designed as flat tapes or as slightly curved tapes.
  • the curvature of the latter bands can be made either in the direction of their longitudinal axis and / or in a direction perpendicular thereto.
  • each high-frequency coil 111, 112 is designed as a saddle coil, in which good access to the inside of the coil is ensured.
  • the coils 111, 112 are arranged in a Helmholtz arrangement.
  • the coils 111, 112 are grounded via a first line 123 and a second line 124.
  • the field lines of the high-frequency electrical field Hi are indicated at 125, which are perpendicular to the axis of the probe head 110 run.
  • the constant magnetic field Ho runs parallel to the axis of the sample head 110, as indicated by a field line 126.
  • a grounding rail 127 is provided, which on the one hand connects the bands 117 and 121 and of which a second electrically and mechanically connects the bands 115 and 119.
  • FIG. 16 and 135 in FIG. 16 denote the two planes in which the electric field strength is zero, this corresponds to the case illustrated in FIG. 10 with the two dashed planes drawn in there, in which the electric field strength is zero.
  • first line 123 and the opposite second line 124 are soldered at 129 to the shield housing 113, which is connected to ground, as indicated at 130.
  • 16 and 17 at 131 show the openings formed by the circular segment shape of the bands 114, 116, 118, 120, which are aligned with one or two openings 132 on one end face or both end faces of the outer casing 113.
  • 16 and 17 also clearly show that the high-frequency coils 111, 112 form a self-supporting arrangement, which is also mechanically stable in the outer jacket 113 by means of the electrical leads 123, 124, without additional support elements being required.
  • FIG. 18 now shows a seventh exemplary embodiment of a probe head 140 according to the invention with a first pair of high-frequency coils 141, 142 and a second pair of high-frequency coils 143 and 144.
  • Axes 145, 146 for the high-frequency magnetic field Hi or Hiy run at an angle of 90 ° to one another and again at an angle of 90 ° to a third Cartesian axis 147, which lies in the direction of the constant magnetic field Ho.
  • FIG. 18 allows measurement samples to be examined in further different ways.
  • excitation signals of the same frequency but different phase positions are supplied to the two pairs, so that a circularly polarized high-frequency magnetic field is produced in the measurement space (in the coordinate origin of the illustration in FIG. 18).
  • a circularly polarized field can advantageously be used for measurements with quadrature ** detection.
  • one of the pairs of high-frequency coils is excited, and the other pair of high-frequency coils serves as a receiver.
  • good decoupling of the two circuits (the transmitter and the receiver) from one another is achieved, so that with high excitation field strengths only measurement signals, but not coupled-in scatter signals from the transmitter in get the recipient.
  • FIG. 19 shows an eighth exemplary embodiment of a probe head 150 according to the invention, in which two high-frequency coils 151 and 152 in a Helmholtz arrangement are also used.
  • the special feature of the sample head 150 is that the high-frequency coils 151, 152 are formed from flat bands 153 to 160, the kinks between the bands which can be seen in FIG. 19 also forming the gaps 161 which are not shown in detail.
  • the arrangement of FIG. 19 would have the shape of a regular octagon.
  • the arrangement is chosen so that two saddle coils are again formed by the two front bands 155 and 159 (in the direction looking at the measuring space) are offset by an amount y from the backward-pointing bands 153 and 157 and the remaining bands 154, 156, 158 and 160 establish the connection to the aforementioned bands.
  • FIGS. 20 and 21 A ninth embodiment 170 of a sample head is shown in FIGS. 20 and 21.
  • the sample head 170 comprises a high-frequency coil 171 with sixteen bands * 172 to 187, which are designed in the manner of a saddle coil similar to the arrangement in FIG. 19, as shown in the perspective illustration in FIG. 21.
  • the saddle shape also results from the axial offset y between the two bands 172 and 180 to the two bands 176 and 184.
  • a special feature of the high-frequency coil 171 is that four long bands 172, 176, 180 and 184 are used in each case, which are connected to one another at their free ends by short band pieces.
  • the bands 174, 178, 182 and 186 form flat sections which are arranged symmetrically to one another and symmetrically to the central axis.
  • the tenth exemplary embodiment 190 of a sample head which can be seen there in perspective, is composed of four high-frequency coils 171 according to FIGS. 20 and 21.
  • the flat and symmetrically arranged sections 174, 178, 182 and 186 allow the four coils 171 to be interleaved in such a way that the flat sections mentioned lie one on top of the other and can be mechanically but isolatedly connected to one another. Of course, this only provides a mechanical connection, but not an electrical interaction between the respective coils 171.
  • FIG. 23 shows in detail the practical formation of a gap, shown at the gap 122 of the high-frequency coil 111 of the sample head 110 of FIGS. 16 and 17.
  • the band 117 terminates at the upper end in an angular section 200 which runs parallel to the band 114.
  • the gap 122 formed between them is filled with a dielectric 201.
  • the dielectric 201 can be PTFE, it having to be taken into account that its dielectric constant £ is approximately equal to 2.
  • the bands 54, 55 which enclose the gap 63 between them, run out at their free ends in folds 205, 206 which enclose a dielectric 207 between them and radially outwards, i.e. run away from an interior 208 of the high-frequency coil 51.
  • FIG. 25 also shows a detailed representation in which a variant of FIG. 24 is shown.
  • the strips 55 *, 56 ' are covered with an overlapping metallic strip 210.
  • a dielectric 211 is again located between the strip 210 and the strips 55 ', 56'.
  • the gap 63 ' can remain free or can also be filled with dielectric.
  • the dielectric 211 can also be formed by an adhesive, which at the same time ensures the electrical property of the dielectric and also the mechanical connection.
  • a screw connection is also possible, as indicated by 212 in FIG. 25. It is understood that in this case an electrically non-conductive screw, e.g. a screw made of PTFE is used.

Abstract

Ein Probenkopf (50) für die Kernresonanz-Ganzkörper-Tomographie oder die ortsabhängige in-vivo Kernresonanz-Spektroskopie umfaßt eine Hochfrequenz-Spule (51), die jeweils eine Anzahl von in Richtung des Hochfrequenz-Stromes (I1) abwechselnd hintereinander angeordneten induktiven Abschnitten in Gestalt von metallischen Bändern (53 bis 60) sowie kapazitiven Abschnitten in Gestalt von Spalten (61 bis 68) umfaßt, derart, daß die Feldlinien (72) des von der Hochfrequenz-Spule (51) erzeugten Hochfrequenz-Magnetfeldes (H1) parallel zu einer von der Hochfrequenz-Spule (51) definierten Achse (74) verlaufen. Die Hochfrequenz-Spule (51) bildet zusammen mit einem Außenmantel (52) eine Einheit. Die Anzahl der induktiven und kapazitiven Abschnitte ist so bemessen, daß sie gerade unterhalb desjenigen Grenzwertes liegt, bei dessen Überschreitung die Verteilung der Feldlinien (71) des von der Hochfrequenz-Spule (51) erzeugten elektrischen Hochfrequenz-Feldes (E1) von einer ersten Verteilung (75), bei der zwischen jedem induktiven Abschnitt (55) und der Achse (74) eine Ebene (76) liegt, in der die Stärke des elektrischen Hochfrequenz-Feldes (E1) gleich Null ist, in eine zweite Verteilung umkippt, bei der die Stärke des elektrischen Hochfrequenz-Feldes (E1) unabhängig von der Anzahl der induktiven Abschnitte im wesentlichen rotationssymmetrisch um die Achse und linear von der Achse zur Hochfrequenz-Spule hin ansteigend verläuft.

Description

—A —
Probenkopf für die Kernresonanz-Ganzkörper-Tomoσraphie oder die ortsabhänqiσe in-vivo Kernresonanz-Spektroskopie
Die Erfindung betrifft einen Probenkopf für die Kernresonanz- Ganzkδrper-Tomographie oder die ortsabhängige in-vivo Kern¬ resonanz-Spektroskopie, mit einer Hochfrequenz-Spule, die jeweils eine Anzahl von in Richtung des Hochfrequenz-Stromes abwechselnd hintereinander angeordneten induktiven Abschnitten in Gestalt von metallischen Bändern, sowie kapazitiven Ab¬ schnitten umfaßt, derart, daß die Feldlinien des von der Hochfrequenz-Spule erzeugten Hochfrequenz-Magnetfeldes parallel zu einer von der Hochfrequenz-Spule definierten Achse verlaufen. Ein Probenkopf der vorstehend genannten Art ist aus der DE-OS 35 12 682 bekannt.
In der Kernresonanz-Ganzkörper-Tomographie wird ein menschlicher Körper als Ganzes oder ein Teil des menschlichen Körpers einem konstanten Magnetfeld hoher Feldstärke und großer Homogenität sowie einem Hochfrequenz-Magnetfeld ausgesetzt, dessen Feld¬ linien senkrecht zu den Feldlinien des Konstant-Magnetfeldes gerichtet sind. Durch geeignete Verfahren können nun Schnitt¬ bilder des menschlichen Körpers oder eines Teils davon erzeugt werden, indem Kernresonanzen in bestimmten punktför igen Raumbereichen der Schnittebene angeregt und gemessen werden.
Einzelheiten der Kernresonanz-Ganzkδrper-Tomographie, und zwar sowohl hinsichtlich der eingesetzten Meßmethoden wie auch hinsichtlich der hierzu erforderlichen Apparaturen sind aus dem DE-Buch von Hausser, K.H. und H.R. Kalbitzer "NMR für Mediziner und Biologen", Springer-Verlag, 1989, oder dem US-Buch von Wehrli, Felix W. , Derek Shaw und J. Bruce Kneeland, BIOMEDICAL MAGNETIC RESONANCE IMAGING, VCH Publishers, Ine. , 1988, zu entnehmen.
Bei dem aus der eingangs genannten DE-OS 35 12 682 bekannten Probenkopf wird eine "offene" Hochfrequenz-Spulenanordnung verwendet, die aus zwei klappsymmetrisch zueinander angeordnete Sattelspulen besteht. Die Sattelspulen sind ihrerseits aus langgestreckten Abschnitten von Metallstreifen zusammengesetzt, wobei die einzelnen Abschnitte an ihren Enden mittels Isolier¬ elementen miteinander in Verbindung stehen. Jede der beiden Sattelspulen besteht dabei aus zwei vertikalen, parallel zueinander angeordneten Metallstreifen, die an ihren oberen Enden mit einem kreisbogenförmig verlaufenden Metallstreifen miteinander in Verbindung stehen. Die unteren Enden jeweils eines vertikalen Metallstreifens jeder Sattelspule sind mittels eines querverlaufenden Metallstreifens miteinander zu einer Elektrode verbunden, während die unteren Enden der beiden anderen vertikalen Metallstreifen mit einem Ende zweier weitere kreisbogenförmiger Metallstreifen verbunden sind, deren gegen¬ überliegende Enden ebenfalls mit einem weiteren, querverlaufen¬ den Metallstreifen zu einer zweiten Elektrode verbunden sind, die in der Nähe der erstgenannten Elektrode und parallel zu dieser angeordnet ist.
Wird über die beiden Elektroden Strom durch die so erzeugte Doppel-Sattelspule geleitet, so ergibt sich eine Richtung des Hochfrequenz-Magnetfeldes senkrecht zu den von den beiden Sattelspulen definierten und parallel zueinander angeordneten Spulenflächen. Die Spule besteht zwar aus acht Abschnitten, ist aber im Sinne der vorliegenden Anmeldung eine Hintereinan¬ derschaltung von zwei Vierspalt-Spulen ohne Metallrückführung.
Bei der bekannten Spulenanordnung wirken die Isolierkörper zwischen den Enden der Metallstreifen als kapazitive Elemente, während die Metallstreifen selbst als induktive Elemente wirken Als Isolierkörper können dabei Festkörper oder Gase oder Kondensatoren verwendet werden.
Mit der bekannten Anordnung soll ein einfacher Aufbau erzielbar sein, weil die elektrisch voneinander isolierten Metallstreifen leicht aneinandergefügt werden können, ohne daß es erforderlich ist, eine Doppel-Sattelspule durch Verbiegen eines als Leiter dienenden Kupferrδhrchens herzustellen. Aus der US-PS 4 733 190 ist eine weitere Hochfrequenz-Spulen¬ anordnung für bildgebende Kernresonanz-Verfahren bekannt.
Bei dieser bekannten Anordnung wird ein Paar von Hochfrequenz- Spulen verwendet, dessen Einzelspulen parallel zueinander und im axialen Abstand angeordnet sind. Jede Einzelspule des Spulenpaars besteht aus drei umlaufenden Metallbändern, die an ihren Enden nach innen umgebogen sind und einen gewissen Abstand zum umgebogenen Ende des jeweils benachbarten Bandes einhält. Auf diese Weise werden ebenfalls induktive Abschnitte durch die metallischen Bänder und kapazitive Abschnitte durch die von den umgebogenen Bandenden gebildeten Luftspalte erzeugt.
Bei der bekannten Spulenanordnung werden die Einzelspulen so von Strom durchflössen, daß die Spulenanordnung als Spaltspule wirkt. Dies bedeutet, daß die Feldlinien des Hochfrequenz- Magnetfeldes die Einzelspulen zwar axial durchsetzen, jedoch in entgegengesetzter Richtung in den Zwischenraum zwischen den beiden Einzelspulen eintreten. Insgesamt ist die resul¬ tierende Richtung des Hochfrequenz-Magnetfeldes im Spalt zwischen den beiden Einzelspulen damit senkrecht zur Achse der Spulenanordnung gerichtet. Die Spaltspule kann daher mit ihrer Symmetrieachse in Richtung des Konstant-Magnetfeldes eingesetzt werden, weil der zu untersuchende Körper, wenn er in den Spalt zwischen den beiden Einzelspulen gebracht wird, dort von Feldlinien des Hochfrequenz-Magnetfeldes durchsetzt wird, die quer zur Symmetrieachse der Spulenanordnung und damit senkrecht zu den Feldlinien des Konstant-Magnetfeldes stehen. Aus der EP-OS 0 160 942 ist eine weitere Spulenanordnung für bildgebende Kernresonanz-Verfahren bekannt.
Bei dieser bekannten Spulenanordnung befinden sich zwei metal¬ lische Bänder auf der Außen- und Innenoberfläche eines Hohl- zylinders mit elliptischem Querschnitt. Auf den Breitseiten des so gebildeten Körpers ist zu beiden Seiten ein großes Fenster angeordnet, das einen freien Zugang zum Innenraum des Körpers ermöglicht.
Bei dieser bekannten Anordnung fließt der Hochfrequenz-Strom in Richtung der Längsachse des Körpers, mit der Folge, daß die Feldlinien des Hochfrequenz-Magnetfeldes den Innenraum dieses Körpers in einer Richtung senkrecht zur Längsachse durchsetzen.
Entsprechendes gilt für eine weitere Spulenanordnung, wie sie aus der US-PS 4 751 464 bekannt ist. Bei dieser bekannten Spulenanordnung ist eine Vielzahl von 16 Leitern auf der gedachten Wand eines Hohlzylinders, innerhalb eines zylindri¬ schen Abschirmgehäuses, angeordnet. Auch hier werden die Leiter in axialer Richtung von Hochfrequenz-Strom durchflössen, der über kapazitive Koppelelemente von den Stirnseiten des Abschirm¬ gehäuses in die Leiter eingekoppelt wird.
Auch auf diese Weise stellt sich ein Verlauf der Feldlinien des Hochfrequenz-Magnetfeldes ein, bei dem die genannten Feldlinien senkrecht zur Längsachse der Spulenanordnung ver¬ laufen. Bei einer weiteren Spulenanordnung, wie sie in der EP-OS 0 268 083 beschrieben ist, wird ein Oberflächenresonator durch eine einzige Windung eines bandförmigen elektrischen Leiters gebildet. Der Oberflächenresonator hat dabei eine trichterförmige Gestalt, so daß er mit einer größeren oder einer kleineren Öffnung auf den zu messenden Körper als Ober¬ flächenspule aufgesetzt werden kann.
Schließlich ist aus der DE-OS 32 37 250 noch ein Resonator für Elektronenspinresonanz-Messungen bekannt. Dieser Resonator, der im Mikrowellenbereich eingesetzt wird, umfaßt zwei hohl- zylindersegmentförmige Bauelemente, die symmetrisch zur Längs¬ achse eines zylindrischen Abschirmgehäuses in diesem angeordnet sind. Der Abstand der hohlzylindersegmentförmigen Elemente von der Wand des Abschirmgehäuses ist dabei etwa gleich ihrem Radius. In diesem Zusammenhang wird auch eine Anordnung mit vier hohlzylindersegmetförmigen Elementen beschrieben, die jeweils einen Sektor von etwa 90° eines Hohlzylinders ausmachen. Dabei ist jedoch vorgesehen, jeweils um 180° gegenüberliegende Elemente aus einer Hochfrequenzquelle, die gesamte Anordnung also mit zwei Hochfrequenzquellen zu speisen, um Mehrfach¬ resonanz-Messungen auszuführen.
Da, wie erwähnt, die zuletzt genannte Anordnung für Elektronen- spinresonanz-Messungen im Mikrowellenbereich vorgesehen ist, bewegen sich die Abmessungen dieser Anordnung im Bereich weniger Zentimeter oder darunter.
Den vorstehend erläuterten Anordnungen, soweit sie überhaupt für Kernresonanz-Ganzkδrper-Tomographie-Messungen einsetzbar sind, ist vor allem ein wesentlicher Nachteil zueigen: Die moderne Kernresonanz-Ganzkörper-Tomographie arbeitet mit statischen Magnetfeldern von ca. 0,15 - 1,5 Tesla, entsprechend einer Protonen-Resonanzfrequenz von ca. 6 - 60 MHz. Noch wesentlich höhere Magnetfelder im Bereich von 3 - 4 Tesla, entsprechend 130 - 170 MHz Protonen-Resonanzfrequenz, werden für die ortsabhängige in-vivo Spektroskopie verwendet, weil die Auflösung der Spektren infolge der chemischen Verschiebung linear mit der Feldstärke zunimmt. Dabei treten in der Praxis u.a. die folgenden Probleme auf:
Zum einen wird es bei solchen Feldstärken immer schwieriger, das erforderliche Konstant-Magnetfeld in der gewünschten Stärke, aber auch mit der gewünschten Homogenität in dem erforderlichen großen Probenraum mit Abmessungen von mehreren Dezimetern zu erzeugen. Hochfeld-Magnete oberhalb von 0,3 Tesla, d.h. weit oberhalb der Sättigungsgrenze von Eisen, sind jedoch nur in Supraleitungs-Technik aufzubauen. Es liegt daher auf der Hand, daß eine Erhöhung der Feldstärke mit einer weit überproportio¬ nalen Erhöhung der Kosten verbunden -ist, wenn von Meßräumen der genannten Größenordnung die Rede ist.
Es ist daher ein allgemeines Bestreben in der Fachwelt, Proben- kδpfe der eingangs genannten Art möglichst klein aufzubauen, damit der Nutzraum des supraleitenden Magnetsystems nur um so viel größer als der zu messende menschliche Körper ist, wie dies gerade noch notwendig ist.
Ein weiteres, in der Vergangenheit häufig nicht erkanntes oder unterschätztes Problem liegt darin, daß der menschliche Körper bei Tomographie-Messungen nicht nur dem Konstant-Magnet¬ feld, sondern auch dem Hochfrequenz-Feld ausgesetzt wird. Während man.sich heute in der Fachwelt dahingehend einig ist, daß weder das Konstant-Magnetfeld noch das Hochfrequenz-Magnet¬ feld zu physiologischen Störungen führt, wenn man einmal von mittelbaren Rückwirkungen auf Hilfsgeräte (z.B. Herzschritt¬ macher) absieht, so ist doch zu bedenken, daß jedes elektromag¬ netische Hochfrequenz-Feld auch ein elektrisches Hochfrequenz- Feld beinhaltet, das zwangsläufig mit den dielektrischen Substanzen des menschlichen Körpers wechselwirkt, namentlich über eine Dipol-Wechselwirkung mit den Molekülen des Wassers, aus dem der menschliche Körper bekanntlich zu mehr als der Hälfte besteht.
Besonders kritisch ist dabei, daß die dielektrischen Verluste, d.h. der Energieübergang vom elektrischen Hochfrequenz-Feld in die Substanz des menschlichen Körpers mit dem Quadrat der elektrischen Feldstärke zunehmen. Dies bedeutet, daß bei einer Verdoppelung der elektrischen Feldstärke eine Vervierfachung der dielektrischen Verluste eintritt. Diese dielektrischen Verluste sind jedoch aus zwei Gründen äußerst störend: Erstens wird durch die wegen der Inhomogenität der Meßprobe, hier des menschlichen Körpers, räumlich sehr ungleichmäßigen Verluste das Hochfrequenzfeld verzerrt, was zusätzliche Artefakte verursacht und sich negativ auf die Bildqualität auswirkt. Zweitens führt die absorbierte Energie, die durchaus in die Größenordnung von 1 W/kg Körpergewicht kommt, zu einer lokalen Erwärmung. Diese Energie stellt etwa die Grenze dessen dar, was vom medizinischen Standpunkt aus noch als sicher unschädlich angenommen wird. Andererseits ist es jedoch sehr erwünscht, zur Erhöhung der Meßempfindlichkeit und zur Verkürzung der Aufnahmezeit eines Kernresonanz-Tomogramms die wirksame magne¬ tische Feldstärke des Hochfrequenz-Magnetfeldes zu erhöhen. Da die dielektrischen Verluste sowohl mit der Feldstärke als auch mit der Frequenz des Hochfrequenzfeldes zunehmen, stellt die o.g. praktische Obergrenze von 1,5 Tesla, entsprechend 60 MHz Protonen-Resonanzfrequenz, daher einen Kompromiß dar, zwischen der im Prinzip angestrebten (noch) höheren Magnet¬ feldstärke bzw. Meßfrequenz und derjenigen, die aufgrund der dielektrischen Verluste noch akzeptabel ist. Wenn es gelingt, diese zu reduzieren, so ließe sich die Kernspin-Tomographie auf höhere Felder ausdehnen und damit die für die medizinische Diagnostik äußerst wichtigen Parameter, die räumliche Auflösung und die Meßzeit, noch weiter verbessern.
Bei den eingangs im einzelnen erläuterten diversen Probenkδpfen des Standes der Technik ist diesem Gesichtspunkt überhaupt keine Beachtung geschenkt worden. So durchsetzen die Feldlinien des elektrischen Hochfrequenz-Feldes bei Resonatoren mit axiale Führung des Hochfrequenz-Stromes (US-PS 4 751 464 und EP-OS 160 942) z.B. den Probenraum in einer Richtung senkrecht zur Längsachse, so daß der zu messende Körper diesen Feldlinien in vollem Umfange ausgesetzt wird.
Vor allem aber hat die bekannte Anordnung der DE-OS 35 12 682 den Nachteil, daß sie als "offene" Anordnung arbeitet, also in der Praxis als Antenne, bei der die Feldlinien des elektri¬ schen und des magnetischen Hochfrequenz-Feldes sich weit außerhalb der Spulenanordnung mehr oder weniger zufällig über Bauteile in der Umgebung schließen. Mit derartigen "offenen" Spulenanordnungen ist der Wunsch nach kompakter Bauweise nicht zu erfüllen, weil eine Konzentration der Feldlinien im Spulen¬ inneren infolge der "offenen" Bauweise nicht möglich ist. Bei dieser Bauweise muß daher die gewünschte elektrische bzw. magnetische Feldstärke durch Erhöhung des Hochfrequenz-Stromes mit allen damit verbundenen Nachteilen erreicht werden.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Probenkopf der eingangs genannten Art dahingehend weiter¬ zubilden, daß bei kleiner Bauweise ein Probenraum zur Ver¬ fügung gestellt wird, in dem die elektrische Hochf equenz- Feldstärke bei unverändert hoher magnetischer Hochfrequenz- Feldstärke nur einen minimalen Wert annimmt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hochfrequenz-Spule zusammen mit einem Außenmantel eine Einheit bildet und daß die Anzahl der induktiven und der kapazitiven Abschnitte so bemessen ist, daß sie gerade unterhalb desjenigen Grenzwertes liegt, bei dessen Überschreitung die Verteilung der Feldlinien des von der Hochfrequenz-Spule erzeugten elektri¬ schen Hochfrequenz-Feldes von einer ersten Verteilung, bei der zwischen jedem induktivem Abschnitt und der Achse eine Ebene liegt, in der die Stärke des elektrischen Hochfrequenz- Feldes gleich Null ist, in eine zweite Verteilung umkippt, bei der die Stärke des elektrischen Hochfrequenz-Feldes unab¬ hängig von der Anzahl der induktiven Abschnitte im wesentlichen rotationssymmetrisch um die Achse und linear von der Achse zur Hochfrequenz-Spule hin ansteigend verläuft.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde nämlich über¬ raschenderweise gefunden, daß bei einer Erhöhung der Anzahl der induktiven Abschnitte und damit auch der kapazitiven Abschnitte nicht nur eine Erhöhung der Güte des Kreises ein¬ tritt, es hat sich vielmehr ergeben, daß bei einer Zunahme der Anzahl der Abschnitte sich eine Verteilung der Feldlinien des elektrischen Hochfrequenz-Feldes ergibt, bei der im Spulen¬ zentrum nur noch eine sehr geringe elektrische Feldstärke vorhanden ist. Allerdings hat sich im Verlaufe der zugehörigen Überlegungen und Untersuchungen ergeben, daß die Größe der Anzahl der kapazitiven und induktiven Abschnitte nicht beliebig erhöht werden kann. Es existiert vielmehr ein Grenzwert für die Anzahl, bis zu dem sich die elektrische Feldstärke im Spulenzentrum mehr und mehr vermindert, bis plötzlich bei einer weiteren Erhöhung der Anzahl die Verteilung der Feldlinie des elektrischen Hochfrequenz-Feldes vollständig umkippt und sich bei jeder höheren Anzahl der Abschnitte eine im wesent¬ lichen gleichbleibende entartete Verteilung der genannten Feldlinien einstellt. Bei dieser Verteilung ist zwar der Betrag der elektrischen Feldstärke im exakten Zentrum der Spule ebenfalls null, die elektrische Feldstärke steigt jedoch' von dort nahezu linear an bis hin zu den die Spule bildenden induktiven und kapazitiven Abschnitten.
Der Erfindung liegt daher der Gedanke zugrunde, die Anzahl der kapazitiven und induktiven Abschnitte bis nahe unterhalb des genannten Grenzwertes einzustellen, so daß die großräu ige Verminderung des elektrischen Hochfrequenz-Feldes im Inneren der Spule bestmöglich ausgenutzt werden kann.
Bei praktischen Versuchen hat sich ergeben, daß in einem Berei der Spulenmitte bis etwa zu einem Drittel des Radius auf diese Weise eine Verminderung der elektrischen Feldstärke um etwa eine Größenordnung erreicht werden kann. Da, wie erwähnt, die dielektrischen Verluste im menschlichen Körper sich jedoch mit dem Quadrat der elektrischen Feldstärke ändern, ist leicht ersichtlich, daß die Erfindung zu einer drastischen Verminderung der dielektrischen Verluste im menschlichen Körper bei Kern- resonanz-Ganzkδrper-Tomographie-Messungen oder bei ortsab¬ hängigen in-vivo Kernresonanz-Spektroskopie-Messungen führt.
Bei dem erfindungsgemäßen Vorgehen bleibt nämlich, was weiterhin überraschend ist, die Verteilung der Feldlinien des magnetischen Hochfrequenz-Wechselfeldes nahezu unverändert, die den Innenraum der Hochfrequenz-Spule weiterhin axial und mit sehr hoher Homogenität durchsetzen.
Die Erfindung eröffnet der Kernresonanz-Ganzkδrper-Tomσgraphie und der ortsabhängigen in-vivo Kernresonanz-Spektroskopie damit ganz neue Einsatzmöglichkeiten, weil die Stärke des magnetischen Hochfrequenz-Wechselfeldes um etwa eine Größen¬ ordnung erhöht werden kann, ohne daß sich gegenüber herkömm¬ lichen Probenkδpfen die dielektrischen Verluste im zu unter¬ suchenden menschlichen Körper erhöhen.
Ein weiterer überraschender Erfolg stellt sich bei der Erfindung dadurch ein, daß die Hochfrequenzspule und der Außenmantel eine Einheit bilden, weil hierdurch nämlich eine Feldkonzen¬ tration stattfindet, bei der die aus der Hochfrequenz-Spule austretenden Feldlinien auf den Innenraum des Probenkopfes beschränkt bleiben und keine Strahlungsverluste auftreten. Diese Maßnahme führt zu sonst nicht erreichbaren Kreisgüten, wie weiter unten anhand von Meßwerten noch gezeigt werden wird. Im Gegensatz zu den aus der Mikrowellentechnik bekannten Resonatoren der Elektronenspinresonanz-Spektroskopie braucht dabei auch nur ein relativ kleiner Abstand zwischen der Außen¬ seite der Hochfrequenz-Spule und der Innenseite des Außenmantel eingehalten zu werden. Die Baugrδße des erfindungsgemäßen Probenkopfes ist daher äußerst gering, so daß sich der erfin¬ dungsgemäße Probenkopf auch für solche Tomographie-Geräte eignet, die mit sehr hohen magnetischen Feldern arbeiten.
Es wurde bereits erwähnt, daß eine Erhöhung der Anzahl der induktiven und kapazitiven Abschnitte auch eine Erhöhung der Güte bedeutet, weil bei einer Erhöhung der Anzahl der kapazi¬ tiven Abschnitte die wirksame Länge der induktiven Abschnitte für den Hochfrequenz-Strom und damit auch die Ohm'sehen Verlust geringer werden.
Die Erfindung erreicht damit durch verhältnismäßig einfache Maßnahmen mit einem Schlag drei wesentliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Probenkδpfen, die nicht vorhersehbar waren.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die kapazitiven Abschnitte als Spalte ausgebildet, die parallel zu den Feldlinien des Hochfrequenz-Magnetfeldes verlaufen.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine definierte Feldver¬ teilung erzielt wird, bei der die Feldlinien des elektrischen Hochfrequenz-Magnetfeldes exakt unter 90° zu den Feldlinien des Konstant-Magnetfeldes verlaufen.
Bevorzugt ist dabei, wenn die Spalte mit einem Dielektrikum ausgefüllt sind. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die induktiven Abschnitte mechanisch überbrückt sind und damit auch die Stabilität der Anordnung erhöht wird.
Bevorzugt ist ferner bei den vorstehend genannten Ausführungs¬ beispielen, wenn die metallischen Bänder an ihren an die Spalte angrenzenden Rändern vom Innenraum der Hochfrequenz-Spule weg gebogen sind, derart, daß die kapazitiven Abschnitte außerhalb des Innenraumes liegen.
Diese an sich bekannte Maßnahme hat den Vorteil, daß durch das Verbringen der kapazitiven Abschnitte aus dem Innenraum heraus die elektrische Feldstärke im Innenraum weiter vermindert werden kann.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die Bänder eben.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Hochfrequenz-Spule nach Art von Vielecken aufgebaut werden kann, was im Einzelfall zu konstruktiven Vorteilen führt. Auch sind ebene Bänder leichter und kostengünstiger herzustellen.
Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, gewölbte Bänder zu verwenden, wobei die Bänder vorzugsweise in der Richtung des Hochfrequenz-Stromes gebogen sind.
Auf diese Weise können ringförmige Hochfrequenz-Spulen reali¬ siert werden, wie dies an sich bekannt ist. Wenn man den Bänder alternativ oder zusätzlich eine Wölbung quer zu ihrer Längs¬ richtung verleiht, so entstehen mechanisch besonders stabile Gebilde. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die metallischen Bänder an den kapazitiven Abschnitten starr miteinander ver¬ bunden.
Diese Maßnahme hat, wie bereits weiter oben erwähnt, den Vorteil, daß besonders stabile Hochfrequenz-Spulen entstehen, die selbsttragend sein können.
Bei Varianten dieses Ausführungsbeispiels können die metalli¬ schen Bänder mittels eines Klebstoffes miteinander verklebt werden, wobei der Klebstoff vorzugsweise ein Dielektrikum bildet. Auf diese Weise wird zugleich eine mechanische Verbin¬ dung und eine elektrische Verbesserung in der weiter oben beschriebenen Weise erreicht.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen ist es jedoch auch möglich, die metallischen Bänder miteinander zu verschrauben, wozu selbstverständlich nicht-leitfähige Schrauben, beispiels¬ weise Kunststoffschrauben oder PTFE-Schrauben, verwendet werden können.
Bei einer weiteren Gruppe von Ausführungsbeispielen liegt die Breite der Spalte in Richtung des Hochfrequenz-Stromes zwischen 0,1 % und 2 %, vorzugsweise bei 0,5 % des U fanges der Hoch¬ frequenz-Spule.
Dieser Wertebereich hat sich in der Praxis als besonders vorteilhaft erwiesen, weil einerseits die gewünschte Verteilun der induktiven und der kapazitiven Elemente erreicht werden kann, andererseits aber die kapazitiven Abschnitte in Richtung des Hochfrequenz-Stromes so breit wie möglich gehalten werden, um die Ohm'sehen Verluste in den induktiven Bereichen zu senken.
Bei einer weiteren Gruppe von Ausführungsbeispielen beträgt eine erste Abmessung der metallischen Bänder in Richtung des Hochfrequenz-Stromes nicht mehr als das Vierfache einer zweiten, dazu senkrechten Abmessung.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß durch Verwendung besonders "breiter" Bänder, in einer Richtung quer zur Ausbreitungsrich¬ tung des Hochfrequenz-Stromes gesehen, die Ohm'sehen Verluste ebenfalls niedrig gehalten werden können, weil der wirksame Querschnitt der Bänder groß gewählt ist.
Bei einer anderen Gruppe von Ausführungsbeispielen liegt eine zur Richtung des Hochfrequenz-Stromes senkrechte Abmessung der metallischen Bänder zwischen 10 % und 50 %, vorzugsweise bei 20 % des Durchmessers der Hochfrequenz-Spule.
Auch dieser Wertebereich hat sich in der Praxis als besonders vorteilhaft erwiesen, insbesondere dann, wenn Anordnungen mit mehreren Einzelspulen verwendet werden sollen.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weist der Außenmantel eine im wesentliche kreiszylindrische Form auf und umgibt die Hochfrequenz-Spule in einem Abstand, der zwischen 5 % und 20 %, vorzugsweise bei 10 % des Durchmessers der Hochfrequenz- Spule liegt.
Durch den hier angegebenen Wertebereich kann in besonders deutlicher Weise der bereits weiter oben angedeutete Vorteil erreicht werden, daß mit einem nur minimalen Zwischenraum zwischen der Hochfrequenz-Spule und dem Außenmantel eine genügende Rückführung und damit Konzentration der Feldlinien möglich ist. Die Baugrδße des Gesamt-Resonators wird damit so klein wie nur irgend möglich gehalten.
Bei einer weiteren Gruppe von Ausführungsbeispielen umfaßt der Probenkopf zwei Hochfrequenz-Spulen in Helmholtz-Anordnung, wie dies an sich bekannt ist.
Besonders bevorzugt ist ferner, wenn der Probenkopf vier Hochfrequenz-Spulen umfaßt, von denen jeweils zwei ein Paar in Helmholtz-Anordnung bilden und die Achsen der Paare aufein¬ ander senkrecht stehen.
Eine derartige Anordnung hat den wesentlichen Vorteil, daß sie als sogenannte Bloch'sche Anordnung Induktionsmessungen gestattet, bei denen die Kernspins, die über das eine Paar der Spulen angeregt werden, das Meßsignal in das andere Spulen¬ paar induzieren und zugleich eine extreme elektrische Entkopp¬ lung zwischen den beiden Spulenpaaren gegeben ist. Andererseits hat eine derartige Anordnung aber auch den Vorteil, daß die zu untersuchende Substanz gleichzeitig mit zwei Anregungssig¬ nalen unterschiedlicher Phasenlage beaufschlagt werden kann, so daß in der Meßsubstanz ein zirkularpolarisiertes Anregungs¬ feld entsteht und eine Detektion des Meßsignales mit Quadratur- Empfänger möglich wird.
Bei den vorstehend genannten Ausführungsbeispielen mit Helm¬ holtz-Anordnung ist besonders bevorzugt, wenn die Hochfrequenz- Spulen in an sich bekannter Weise als Sattelspulen ausgebildet sind. Diese Maßnahme hat nämlich den Vorteil, daß der Zugang zum Innenraum der Spule erleichtert wird, weil bei Probenkδpfen der hier interessierenden Art die Hochfrequenz-Spule mit ihrer Längsachse quer zur Richtung des Konstant-Magnetfeldes steht und bei Verwendung von supraleitenden Solenoid-Spulen zur Erzeugung des Konstant-Magnetfeldes damit ein Zugang aus einer Richtung senkrecht zur Längsachse der Hochfrequenz—Spule erforderlich ist.
Bei Anordnungen mit zwei Paaren von Helmholtz-Spulen ist weiterhin besonders bevorzugt, wenn die Sattelspulen derart ausgebildet und zueinander angeordnet sind, daß jede Sattelspule eines Paares mit mindestens einem Punkt an den beiden Sattel¬ spulen des jeweils anderen Paares anliegt und dort befestigt ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine selbststragende Anordnung der insgesamt vier Hochfrequenz-Spulen entsteht, die sich räumlich an insgesamt acht Punkten berühren und damit ein stabiles Fachwerk bilden.
Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird dadurch gebildet, daß die Sattelspulen zwei kreisring- segmentfδrmige Bänder sowie zwei langgestreckte, vorzugsweise in Längs- und/oder Querrichtung gewölbte Bänder umfaßt, die mit ihren freien Enden unter einem Winkel von 90° zu den kreisringsegmentförmigen Bändern hin verlaufen.
Diese Merkmale haben den Vorteil, daß eine besonders einfache Anordnung entsteht, die bei supraleitenden Magnetsystemen mit üblichen Kryostaten einsetzbar ist. Weiterhin ist noch bevorzugt, wenn mindestens eine als Erdung dienende Leitung für den Hochfrequenz-Strom als Halterung für die metallischen Bänder an dem Abschirmgehäuse ausgebildet ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine weitere Erhöhung der Stabilität möglich ist, ohne zusätzliche Halterungen verwenden zu müssen, die den Verlauf der Felder stören könnten. Die Symmetrie der Hochfrequenz-Spulen des Probenkopfes und die Verteilung des elektrischen Hochfrequenz-Feldes bringen es mit sich, daß im Inneren des Probenkopfes Ebenen auftreten, an denen die elektrische Hochfrequenz-Feldstärke Null ist. Dort kann man also unbedenklich erden, und dies ist deswegen empfehlenswert, um bei der großen Ausdehnung des Probenkopfes sicher zu sein, daß in dem Kreis nur der gewünschte Schwingungs¬ mode angeregt wird. Diese Erdungen können auch gleichzeitig als Halterungen dienen.
Schließlich kann der erfindungsgemäße Probenkopf vorteilhaft als Oberflächenspule verwendet werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach¬ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Probenkopfes, teilweise aufgebrochen, mit einer Hochfrequenz- Spule, bestehend aus e ner zweifach geschlitzten Anordnung mit hohlzylindersegmentfδrmigen Elementen und mit einem Außenmantel, der zusammen mit der Hochfrequenz-Spule eine integrierte Einheit bildet;
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 2;
Fig. 3 einen weiteren Probenkopf, ähnlich Fig. 1, jedoch mit vierfach geschlitzter Hochfrequenz-Spule;
Fig. 4 eine Ansicht wie Fig. 2, jedoch für den Probenkopf der Fig. 3;
Fig. 5 einen Probenkopf ähnlich der Fig. 1 und 3, jedoch mit einer achtfach geschlitzten Hochfrequenz-Spule;
Fig. 6 eine Ansicht, ähnlich denen der Fig. 2 und 4, jedoch für den Probenkopf gemäß Fig. 5;
Fig. 7 einen weiteren Probenkopf, ähnlich den Fig. 1, 3 und 5, jedoch mit sechzehnfach geschlitzter Hoch¬ frequenz-Spule;
Fig. 8 eine Ansicht, ähnlich den Fig. 2, 4 und 6, jedoch für den Probenkopf der Fig. 7; Fig. 9 in perspektivischer Ansicht den Verlauf des Betrages der elektrischen Feldstärke über einer radialen Querschnittsfläche der Hochfrequenz-Spule beim Probenkopf der Fig. 1;
Fig. 10 eine Darstellung ähnlich Fig. 9, jedoch für den Probenkopf gemäß Fig. 3;
Fig. 11 eine Darstellung ähnlich den Fig. 9 und 10, jedoch für den Probenkopf gemäß Fig. 5;
Fig. 12 eine Darstellung ähnlich den Fig. 9, 10 und 11, jedoch für den Probenkopf gemäß Fig. 7;
Fig. 13 eine graphische Darstellung von in der Praxis gemessenen Meßwerten zur Erläuterung der Abhängig¬ keit der elektrischen Feldstärke in einem vor¬ gegebenen Abstand von der Achse einer Hochfre¬ quenz-Spule in Resonatoren nach Art der Fig. 1, 3, 5 und 7 von der Anzahl der Schlitze in der Hochfrequenz-Spule;
Fig. 14 eine graphische Darstellung von in der Praxis gemessenen Meßwerten zur Erläuterung der Abhängig¬ keit der Güte von der Anzahl der Schlitze bei Hochfrequenz-Spulen der Resonatoren gemäß den Fig. 1, 3, 5 und 7;
Fig. 15 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Probenkopfes mit zwei Hochfrequenz-Spulen in Helmholtz-Anordnung in einem Konstant-Magnetfeld eines Kernresonanz-Tomographen; Fig. 16 eine perspektivische Darstellung, teilweise auf¬ gebrochen, eines betriebsfertigen Resonators ähnlic der in Fig. 3 und 4 gezeigten Bauart;
Fig. 17 eine radiale Schnittdarstellung durch den Resonator gemäß Fig. 16;
Fig. 18 eine perspektivische Ansicht von zwei Paaren von
Hochfrequenz-Spulen zur Durchführung von Experimen¬ ten mit zirkularer Polarisation und Quadrator- Detektion oder zur Durchführung von Induktions- Experimenten;
Fig. 19 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Probenkopfes, bei dem die Hochfrequenz-Spule nach Art eines Vielecks mit ebenen Bändern gebildet ist;
Fig. 20 eine Seitenansicht einer Hochfrequenz-Spule für einen weiteren Probenkopf, die nach Art eines Sechzehn-Ecks mit ebenen Bändern aufgebaut ist;
Fig. 21 eine perspektivische Ansicht der in Fig. 20 gezeig¬ ten Hochfrequenz-Spule;
Fig. 22 einen Probenkopf nach Art desjenigen der Fig. 18, jedoch bestehend aus vier ineinander verschachtelte und aneinander befestigten Hochfrequenz-Spulen gemäß Fig. 20 und 21; Fig. 23 ein Detail, darstellend eine erste Ausführungsform eines induktiven Abschnittes für eine Hochfrequenz- Spule eines erfindungsgemäßen Probenkopfes;
Fig. 24 eine Variante zum Detail der Fig. 23;
Fig. 25 eine weitere Variante- zum Detail der Fig. 23;
Bei der Entwicklung großraumiger Probenköpfe bzw. Resonatoren für die Kernresonanz-Tomographie werden Frequenzen von 6 bis 60 MHz, entsprechend 50 - 5 m Wellenlänge, und für die ortsab¬ hängige in-vivo Spektroskopie Frequenzen von 80 - 200 MHz entsprechend ca. 4 - 1,5 m Wellenlänge, im Probenkopf benötigt. Mit abnehmender Wellenlänge wird aber die Konstruktion geeigne¬ ter Probenköpfe bzw. der darin verwendeten Resonatoren schwieri¬ ger, und außerdem nimmt die für das im Meßraum angeordnete Meßobjekt schädliche Absorption der Hochfrequenz-Energie zu. Diese Absorption wird durch die Leitfähigkeit des Meßobjektes, die im elektrischen Hochfrequenz-Feld im Meßraum einen Ver- luststrom verursacht, hervorgerufen.
Zur Erläuterung dieser Verhältnisse zeigen die Fig. 1 und 2 einen ersten Probenkopf 10 mit einer Hochfrequenz-Spule 11, die von einem zylindrischen Außenmantel 12 umgeben ist.
Die Hochfrequenz-Spule 11 besteht aus zwei Bändern 13 und 14, die als Segmente eines Hohlzylinders bzw. zwei Halbschalen ausgebildet sind. Zwischen den Bändern 13 und 14 befindet sich an deren freien Enden jeweils ein Spalt 15 bzw. 16. Eine als Erdung dienende Leitung 17 ist radial an das erste Band 13 und eine weitere als Erdung dienende Leitung 18 ist radial an das zweite Band 14 angeschlossen. Hochfrequenztechnisch gesehen besteht die Hochfrequenz-Spule 11 aus induktiven Abschnitten, die von den metallischen Bändern 13, 14 gebildet werden, sowie aus kapazitiven Abschnitten, gebildet durch die Spalte 15 und 16.
Die Hochfrequenz-Spule 11 wird in an sich bekannter Weise mit Hochfrequenz-Energie versorgt, indem eine übliche Ankopplung verwendet wird, die in Fig. 1 ebenso wie in den folgenden Figuren der Übersichtlichkeit halber fortgelassen ist. Die Hochfrequenz-Ankopplung kann in herkömmlicher Weise auf induk¬ tivem Wege über eine Schleife im Hochfrequenz-Magnetfeldraum vorgenommen werden. Die Struktur des Schwingkreises wird dann das gewünschte Hochfrequenz-Magnetfeld erzwingen, insbesondere bei der beschriebenen symmetrischen Erdung der Kreise über die Leitungen 17 und 18.
Bezeichnet man die Achse der Hochfrequenz-Spule 11 mit 21, so ergibt sich eine Verteilung 22 der Feldlinien 19, 20, bei der die Feldlinien 20 des magnetischen Hochfrequenz-Feldes Hi parallel zur Achse 21 und die Feldlinien 19 des elektrischen Hochfrequenz-Feldes Ei senkrecht zur Achse 21 verlaufen. Die Feldlinien 20 des magnetischen Hochfrequenz-Feldes Hi durch¬ setzen den Innenraum der Hochfrequenz-Spule 11 dabei im wesent¬ lichen homogen, während die Feldlinien 19 des elektrischen Hochfrequenz-Feldes Ei in einer Radialebene eine inhomogene Verteilung 22 haben, weil sie jeweils von einer nicht-ebenen Elektrode, nämlich dem ersten Band 13, zu einer weiteren nicht¬ ebenen Elektrode, nämlich dem zweiten Band 14, verlaufen.
In den Fig. 3 und 4 sind die entsprechenden Verhältnisse für einen zweiten Probenkopf 30 dargestellt, bei dem wiederum eine Hochfrequenz-Spule 31 in einem Außenmantel 32 untergebracht ist. Beim Probenkopf 30 weist die Hochfrequenz-Spule 31 jedoch vier Bänder 33 bis 36 auf, die zwischen sich Spalte 37 bis 40 einschließen. Wie aus Fig. 4 deutlich wird, sind Erdleitungen 41, 42 jeweils nur an eines der Bänder 33 und 35 angeschlossen. Die Feldlinien 43 des elektrischen Hochfrequenz-Feldes Ei und die Feldlinien 44 des magnetischen Hochfrequenz-Feldes Hi verlaufen wiederum senkrecht bzw. parallel zu einer Achse 45 und haben die aus Fig. 4 ersichtliche Verteilung 46.
In den Fig. 5 und 6 sind die entsprechenden Verhältnisse für einen dritten Probenkopf 50 dargestellt, bei dem wiederum eine Hochfrequenz-Spule 51 von einer zylindrischen Außenmantel 52 umgeben ist.
Beim Probenkopf 50 besteht die Hochfrequenz-Spule 51 jedoch aus acht Bändern 53 bis 60 mit acht Spalten 61 bis 68, und Erdleitungen 69 und 70 sind im Bild nur an das Band 53 bzw. das gegenüberliegende Band 57 angeschlossen; sie können aber auch an vier Bänder oder alle Bänder angeschlossen sein.
Feldlinien 71 des elektrischen Hochfrequenz-Feldes Ei und Feldlinien 72 des magnetischen Hochfrequenz-Feldes Hi haben die aus Fig. 6 erkennbare Verteilung 56 und verlaufen senkrecht bzw. parallel zur Achse 24 der Hochfrequenz-Spule 51.
Aus der Verteilung 75 des elektrischen Hochfrequenz-Feldes Ei ergibt sich, daß je nach Spaltzahl n eine Anzahl n/2 von Ebenen auftritt, in denen die elektrische Hochfrequenz-Feldstärke Ei Null ist. Dies konnte in praktischen Versuchen, z.B. bei einer Anordnung mit vier Spalten meßtechnisch nachgewiesen werden. Diese Messungen sind in Fig. 16 veranschaulicht. Die Fig. 7 und 8 zeigen nun einen vierten Probenkopf 80 mit einer Hochfrequenz-Spule 81, die wiederum in einem zylindrischen Abschirmgehäuse 82 untergebracht ist.
Die Hochfrequenz-Spule 81 umfaßt nunmehr sechzehn Bänder, von denen einige in den Fig. 7 und 8 mit 83 bis 88 bezeichnet sind. Entsprechend sind sechzehn Spalte 89 bis 94 vorgesehen.
Erdleitungen 95 und 96 können wiederum z.B. an diametral gegenüberliegende Bänder 83 usw. angeschlossen sein, wie oben zu Fig. 6 erläutert.
Die Feldlinien 97 des elektrischen Hochfrequenz-Feldes Ei verlaufen wiederum senkrecht zur Achse 99 der Hochfrequenz- Spule 81.
In den Fig. 9 bis 12 sind nun im Vergleich nochmals die Feld¬ linien 19 bzw. 43 bzw. 71 bzw. 97 für die Verteilungen 22 bzw. 46 bzw. 75 bzw. 98 des elektrischen Hochfrequenz-Feldes Ei für die Probenköpfe 10 bzw. 30 bzw. 50 bzw. 80 dargestellt.
Man erkennt aus den Fig. 9 bis 11 deutlich, daß sich die Verteilung 22 für den Fall der zweifach geschlitzten Hochfre¬ quenz-Spule 11 regulär zunächst in die Verteilung 46 für den Fall der vierfach geschlitzten Hochfrequenz-Spule 31 und dann in die Verteilung 75 für den Fall der achtfach geschlitzten Hochfrequenz-Spule 51 ändert.
In den Fällen, der Fig. 9, 10 und 11 sind jeweils gestrichelt angedeutete Ebenen definiert, die jeweils von der Mitte eines . induktiven Abschnitts zur Achse führen und auf denen die elektrische Feldstärke insgesamt den Betrag Null hat. Im Fall der zweifach geschlitzten Hochfrequenz-Spule (Fig. 9) existiert eine solche Ebene, im Falle der vierfach geschlitzten Spule (Fig. 10) gibt es zwei solche Ebenen und im Falle der achtfach geschlitzten Spule (Fig. 11) sind deutlich vier derartige Ebenen zu erkennen, die mit 76a, 76b, 76c und 76d bezeichnet sind. Der Klarheit halber ist die Ebene 76c deutlich heraus¬ gezeichnet und man erkennt, daß sie von der Mitte des induktive Abschnitts, der durch das dritte Band 55 symbolisiert wird, zur Achse 74 führt und nur Raumpunkte enthält, in denen die elektrische Feldstärke den Betrag Null hat.
Es darf an dieser Stelle angemerkt werden, daß die vorliegenden Erläuterungen nicht auf den Fall beschränkt sind, daß die Anzahl der Bänder bzw. Spalte eine Potenz von 2 ist, entspre¬ chende Überlegungen lassen sich vielmehr auch für sechsfach, zehnfach und evtl. noch zwölffach usw. geschlitzte Hochfrequenz Spulen anstellen. Im Prinzip sind auch ungerade Spaltzahlen (drei-, fünf-, sieben-, neun-, elffach) möglich, diese Anord¬ nungen dürften aufgrund der geringeren Symmetrie im allgemeine aber weniger vorteilhaft sein.
In den Darstellungen der Fig. 9 bis 11 ist jeweils der Betrag der elektrischen Feldstärke dargestellt.
Vergleicht man nun die Verteilungen 22, 46 und 75 der Fig. 9, 10 und 11, so ergibt sich deutlich, daß mit zunehmender Anzahl der Abschnitte der Hochfrequenz-Spulen der zentrale Bereich der Spule einen immer flacheren Verlauf der elektrischen Feldstärke zeigt. In Fig. 11 ist dies mit einem Bereich 73 angedeutet, der auch in Fig. 6 eingezeichnet ist und in dem die elektrische Feldstärke auf einen Minimalwert abgefallen is Die Verminderung der elektrischen Feldstärke im zentralen Bereich 73 kann man sich so erklären, daß die Feldlinien 19 bzw. 43 bzw. 71 des elektrischen Hochfrequenz-Feldes Ei nicht beliebig scharf gekrümmt verlaufen können. Infolge dieser begrenzten Krümmung der genannten Feldlinien reichen diese bei zunehmender Anzahl der kapazitiven und induktiven Abschnitte immer weniger weir in den Iππeπraum der Hochfrequenz-Spule hinein, wie deutlich auch aus einem Vergleich der Fig. 2, 4 und 6 erkennbar ist, da die von den kapazitiven bzw. induktiven Abschnitten definierten Sektoren der Querschnittsfläche einen immer kleiner werdenden Zentrumswinkel haben.
Betrachtet man nun jedoch die Fig. 8 und 12, so wird deutlich, daß diese Entwicklung nicht unbegrenzt fortsetzbar ist.
Wird nämlich die Anzahl der induktiven bzw. der kapazitiven Abschnitte der Hochfrequenz-Spule über einen Grenzwert hinaus weiter erhöht, im Beispielsfall der Fig. 7 und 8 auf sechzehn, so zeigt sich, daß die Verteilung 98 der Feldlinien 97 des elektrischen Hochfrequenz-Feldes Ei sich sprungartig ändert und nunmehr die aus Fig. 12 ersichtliche entartete Form annimmt. Bei dieser Verteilung 98 ist zwar die elektrische Feldstärke im exakten Zentrum der Hochfrequenz-Spule 81, d.h. in der Achse 99, ebenfalls gleich null, die elektrische Feldstärke steigt vom Zentrum jedoch praktisch linear und in rotations¬ symmetrischer Verteilung 98 zur Peripherie der Hochfrequenz- Spule 81 hin an. Die Verteilung 98 ändert sich oberhalb des genannten Grenzwertes praktisch nicht mehr in Abhängigkeit von der Anzahl der Abschnitte. Im Gegensatz zur Verteilung 75 bei achtfach geschlitzter Hochfrequenz-Spule 51 gemäß Fig. 5 und 6 existiert somit kein zentraler Bereich mehr, in dem die elektrische Feldstärke in einem größeren Raum sehr klein ist.
Die vorstehend erläuterten Verhältnisse sind auch aus Fig. 13 erkennbar, wo in willkürlichen Einheiten die elektrische Feldstärke E in einem vorgegebenen Abstand von der Achse auf der Ordinate und die Anzahl n der induktiven bzw. kapazitiven Abschnitte der Hochfrequenz-Spulen auf der Abszisse aufgetragen sind.
Die Messung der elektrischen Feldstärke E wurde etwa auf einem Fünftel des Radius, gemessen vom Mittelpunkt der jeweiligen Hochfrequenz-Spule, vorgenommen.
Man sieht nun aus dem in Fig. 13 dargestellten Verlauf, daß die elektrische Feldstärke E von der zweifach geschlitzten zur vierfach geschlitzten und zur achtfach geschlitzten Spule drastisch abnimmt und dann sprungartig für die sechzehnfach geschlitzte Spule ansteigt, um dort für noch höhere Zahlen n nahezu konstant zu bleiben.
Die in Fig. 13 dargestellten Messungen belegen somit deutlich, daß die Verteilung der Feldlinien des elektrischen Hochfrequenz- Feldes sich zunächst regulär ändert und dann sprungartig in eine andere Verteilungsform übergeht, die sich für noch höhere Werte von n nicht mehr ändert.
Außerdem zeigt Fig. 13, daß die elektrische Feldstärke sich etwa um eine Größenordnung vermindert, wenn von einer zweifach geschlitzten zu einer achtfach geschlitzten Hochfrequenz-Spule übergegangen wird. Berücksichtigt man, wie eingangs erwähnt, daß die dielektrischen Verluste vom Quadrat der elektrischen Feldstärke abhängen, so zeigt Fig. 13 deutlich, daß eine Verminderung der dielektrischen Verluste um ca. zwei Größenord¬ nungen erzielt werden kann.
In Fig. 13 ist mit nu eine kritische Zahl für die induktiven bzw. kapazitiven Abschnitte bezeichnet. Diese kritische Zahl nu soll den Übergang von den regulär geformten Verteilungen 22, 46 und 75 zur entarteten, konstanten Verteilung 98 sym¬ bolisieren.
Wo diese kritische Zahl nie genau liegt, hängt im Einzelfall von der Hochfrequenz-Spule ab. Praktische Versuche und theoreti¬ sche Überlegungen haben indes gezeigt, daß die kritische Zahl nie in aller Regel bei zehn liegen dürfte, so daß in den aller¬ meisten Fällen ein optimales Ergebnis erzielt wird, wenn die Anzahl n gerade gleich acht (Anordnung der Fig. 5 und 6) gewählt wird. In diesem Falle erhält man einen optimal großen Bereich 73 niedrigster elektrischer Feldstärke und damit einen großen Meßbereich, in dem keine oder nur extrem geringe dielektrische Verluste auftreten.
Fig. 14 zeigt als Vergleich das Ergebnis weiterer Messungen, in denen die Güte Q in Abhängigkeit von der Anzahl n aufgenommen wurde. Fig. 14 zeigt deutlich, daß die Güte linear über der quadratisch aufgetragenen Anzahl n zunimmt, dies liegt daran, daß die Weglänge für den Hochfrequenz-Strom bei einer Erhöhung der Anzahl der kapazitiven Abschnitte abnimmt, wie bereits erläutert wurde. Kehrt man mit diesen Erkenntnissen nochmals in das optimale Ausführungsbeispiel der Fig. 5 und 6 zurück, so ergibt sich im Hinblick auf eine praktische Dimensionierung des dort gezeigten Probenkopfes 50 folgendes:
Zur Veranschaulichung sei ein charakteristisches Beispiel durchgerechnet, bei dem der Durchmesser D 80 cm betrage. Der hierzu benötigte Magnet zum Erzeugen des Konstant-Magnetfeldes muß also einen Durchmesser von mehr als einem Meter aufweisen.
Bezeichnet man mit R den Radius (R = D/2) und mit a die in Achsrichtung gemessene Breite der Bänder 53 bis 60, so folgt für die Induktivität der Hochfrequenz-Spule.51:
8R
L = μo R (In - 2)
Damit L so klein wie möglich wird, ist es vorteilhaft, die Breite a möglichst groß zu machen, weil der charakteristische Widerstand L/c' so klein wie möglich sein soll. Außerdem wirken sich breite Bänder (hoher Wert von a) vorteilhaft auf die Homogenität des Hochfrequenz-Magnetfeldes Hi und die Kreisgüte Q aus. Mit R = 0,4 m und a = 0,16 m erhält man mit der oben angegebenen Formel L = 5,03 10-7 Henry.
Dem entspricht bei einer Frequenz von 100 MHz ein Kapazitäts¬ wert C von 5 pF.
Da wir es im orliegendjen Falle mit einem achtfach geschlitzten Kreis zu tun haben, bei dem die kapazitiven Abschnitte in Reihe geschaltet sind, muß pro Spalt 61 bis 68 ein 8-facher Wert des soeben berechneten Wertes von C, nämlich Cβ •= 40 pF verwendet werden.
Da jeder der Spalte 61 bis 68 einen Plattenkondensator bildet, errechnet sich die Spaltbreite d nach der bekannten Formel:
C8 = £o £ F/d = £ o £ ab/d
Für die Kapazität des Plattenkondensators folgt, wenn man die Dicke b der Bänder 53 bis 60 mit 1 cm annimmt:
f/MHz Cβ/pF do (Luftspalt)/mm d(PTFE)/mm
200 10 1,415 2,83
100 40 0,354 0,708
50 160 0,0885 0,177
Die Werte in der vierten Spalte sind doppelt so groß wie die Werte in der dritten Spalte, weil PTFE eine Dielektrizitätszahl von 2 hat und damit zur Erzielung desselben Kapazitätswertes die Breite d verdoppelt werden muß.
Die Wellenlänge bei 100 MHz ist 3 , der Kreisumfang beträgt 2,51 m. Er ist also etwas kleiner als die Wellenlänge. Bei acht Spalten entspricht die Länge eines einzelnen Bandes mit 31,4 Zentimetern etwa 10 % der Wellenlänge.
Verwendet man zwei Hochfrequenz-Spulen 51 in Helmholtz-Anordnun (worauf weiter unten noch eingegangen wird) , so ist die gesamte Anordnung 2 mal 16 Zentimeter zuzüglich eines Abstandes von beispielsweise 24 Zentimeter hoch, insgesamt also 56 Zentimeter, was etwas größer ist als ein Sechstel der Wellenlänge. Aus allen diesen Gründen muß der Resonanzkreis mit einem Außen¬ mantel abgeschirmt werden, um die zahlreichen Antennen nicht wirksam werden zu lassen. Aus diesem Grunde ist der Außenmantel 52 zwingend notwendig, um den magnetischen Rückfluß aufrechtzu¬ erhalten. Der Abstand c des Außenmantels 52 von der Hochfre¬ quenz-Spule 51 beträgt im Beispielsfalle nur 10 cm und liegt damit im Verhältnis zum Durchmesser5 D unr mindestens eine Größen¬ ordnung unter entsprechenden relativen Abständen bei Mikrowel¬ len-Anordnungen der Elektronenspinresonanz-Spektroskopie.
Fig. 15 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Probenkopfes 100 mit einer ersten Hochfrequenz-Spule 101 und einer zweiten Hochfrequenz-Spule 102. Die Spulen 101, 102 befinden sich wiederum in einem Außenmantel 103. Die Feldlinien 104 des magnetischen Hochfrequenz-Feldes Hi durchsetzen beide Spulen
101, 102 in axialer Richtung, so daß vor allem ein Zwischenraum 106 zwischen den Spulen 101, 102 eine besonders homogene Feldverteilung hat.
Der Zwischenraum 106 ist mit einer Breite g dimensioniert, die kleiner ist als der halbe Durchmesser D der Spulen 101,
102, um die sogenannte Helmholtz-Bedingung zu erfüllen.
Mit 105 ist die Richtung des Konstant-Magnetfeldes Ho bezeich¬ net, das senkrecht zur Achse der Spulen 101, 102 verläuft.
Mit Ii ist der Hochfrequenz-Strom bezeichnet, der beiden Spulen 101, 102 gleichphasig zugeführt wird.
In den Fig. 16 und 17 ist ein sechstes Ausführungsbeispiel eines Probenkopfes 110 dargestellt. Der Probenkopf 110 weist eine erste Hochfrequenz-Spule 111 und eine zweite Hochfrequenz-Spule 112 auf, die wiederum innerhalb eines zylindrischen Außenmantels 113 angeordnet sind.
Die erste Hochfrequenz-Spule 111 umfaßt vier Bänder 114 bis 117, und die zweite Hochfrequenz-Spule 112 umfaßt ebenfalls vier Bänder 118 bis 121, die zueinander klappsymmetrisch angeordnet sind.
Mit 122 ist angedeutet, daß zwischen den Bändern 114 bis 121 jeweils Spalte vorgesehen sind, wie dies bereits weiter oben erläutert wurde und wie dies weiter unten anhand der Fig. 23 bis 25 noch näher erläutert werden wird.
Die Bänder 114, 116, 118 und 120 sind als Kreisringscheiben- Segmente ausgebildet, während die Bänder 115, 117, 119 und 121 als ebene Bänder oder als geringfügig gewölbte Bänder gestaltet sind. Die Wölbung der letztgenannten Bänder kann entweder in Richtung ihrer Längsachse und/oder in einer Richtun senkrecht dazu vorgenommen sein.
Auf diese Weise ist jede Hochfrequenz-Spule 111, 112 als Sattelspule ausgestaltet, bei der ein guter Zugang zum Innenrau der Spule gewährleistet ist. Außerdem befinden sich die Spulen 111, 112 in Helmholtz-Anordnung.
Über eine erste Leitung 123 und eine zweite Leitung 124 werden die Spulen 111, 112 geerdet.
Mit 125 sind die Feldlinien des elektrischen Hochfrequenz- Feldes Hi angedeutet, die senkrecht zur Achse des Probenkopfes 110 verlaufen. Parallel zur Achse des Probenkopfes 110 verläuft hingegen das Konstant-Magnetfeld Ho , wie mit einer Feldlinie 126 angedeutet.
Zur Erdung der Hochfrequenz-Spulen 111, 112 ist jeweils eine Erdungsschiene 127 vorgesehen, die einerseits die Bänder 117 und 121 und von denen eine zweite die Bänder 115 und 119 elektrisch und mechanisch verbindet.
Mit 135 und 136 sind in Fig. 16 die beiden Ebenen bezeichnet, in denen die elektrische Feldstärke gleich Null ist, dies entspricht dem in Fig. 10 veranschaulichten Fall mit den dort eingezeichneten beiden gestrichelten Ebenen, in denen die elektrische Feldstärke gleich Null ist.
Fig. 17 zeigt hierzu in weiteren Einzelheiten, daß die erste Leitung 123 sowie die gegenüberliegende zweite Leitung 124 bei 129 mit dem Abschirmgehäuse 113 verlötet ist, das an Masse liegt, wie bei 130 angedeutet.
Es wurde bereits erwähnt, daß Sattelspulen einen guten Zugang zum Innenraum der Spule, insbesondere bei Helmholtz-Anordnungen, gestatten.
Hierzu zeigen die Fig. 16 und 17 bei 131 die durch die Kreis¬ ringsegment-Form der Bänder 114, 116, 118, 120 gebildeten Öffnungen, die mit einer oder zwei Öffnungen 132 auf einer Stirnseite oder beiden Stirnseiten des Außenmantels 113 fluch¬ ten. Die Fig. 16 und 17 lassen ferner deutlich erkennen, daß die Hochfrequenz-Spulen 111, 112 eine selbsttragende Anordnung bilden, die überdies mittels der elektrischen Zuleitungen 123, 124 mechanisch stabil im Außenmantel 113 gehalten ist, ohne daß zusätzliche Stützelemente erforderlich sind.
Es darf an dieser Stelle angemerkt werden, daß die Beschränkung auf eine vierfach gespaltete Hochfrequenz-Spule in den beiden zuletzt geschilderten Ausführungsbeispielen der Fig. 15 bis 17 lediglich aus Gründen der Einfachheit gewählt wurde, während damit keinesfalls ausgedrückt ist, daß von der als optimal erkannten achtfach gespalteten Anordnung abgewichen werden soll. Dies gilt auch für die im folgenden beschriebenen Aus¬ führungsbeispiels, bei denen ebenfalls aus Gründen der Über¬ sichtlichkeit teilweise Anordnungen mit kleinerer Anzahl n gezeigt sind.
Fig. 18 zeigt nun ein siebtes Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen Probenkopfes 140 mit einem ersten Paar von Hoch¬ frequenz-Spulen 141, 142 und einem zweiten Paar von Hochfre¬ quenz-Spulen 143 und 144.
Achsen 145, 146 für das magnetische Hochfrequenz-Feld Hi bzw. Hiy verlaufen unter einem Winkel von 90° zueinander und wiederum unter einem Winkel von 90° zu einer dritten kartesi- schen Achse 147, die in Richtung des Konstant-Magnetfeldes Ho liegt.
Die Anordnung der Fig. 18 gestattet es, Meßproben auf weitere unterschiedliche Arten zu untersuchen. Bei einer dieser Meßarten werden den beiden Paaren Anregungs¬ signale gleicher Frequenz aber unterschiedlicher Phasenlage zugeführt, so daß im Meßraum (im Koordinatenursprung der Darstellung der Fig. 18) ein zirkularpolarisiertes Hochfrequenz Magnetfeld entsteht. Ein solches zirkularpolarisiertes Feld kann in vorteilhafter Weise für Messungen mit Quadratur**-Detek- tion verwendet werden.
Bei einer anderen Meßart wird über eines der Paare von Hoch¬ frequenz-Spulen angeregt, und das andere Paar von Hochfrequenz- Spulen dient als Empfänger. Bei einer derartigen Induktions¬ anordnung nach dem sogenannten Bloch'sehen Meßverfahren erzielt man eine gute Entkopplung der beiden Kreise (des Senders und des Empfängers) voneinander, so daß bei hohen Anregungs-Feld¬ stärken lediglich Meßsignale, nicht jedoch eingekoppelte Streusignale aus dem Sender in den Empfänger gelangen.
Fig. 19 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel eines erfindungs¬ gemäßen Probenkopfes 150, bei dem ebenfalls zwei Hochfrequenz- Spulen 151 und 152 in Helmholtz-Anordnung verwendet werden.
Das Besondere des Probenkopfes 150 liegt darin, daß die Hoch¬ frequenz-Spulen 151, 152 aus ebenen Bändern 153 bis 160 gebilde werden, wobei die in Fig. 19 erkennbaren Knickstellen zwischen den Bändern zugleich die nicht näher dargestellten Spalte 161 bilden.
In einer Seitenansicht hätte die Anordnung der Fig. 19 die Gestalt eines regelmäßigen Achtecks. Die Anordnung ist jedoch so gewählt, daß wiederum zwei Sattelspulen entstehen, indem die jeweils beiden vorderen Bänder 155 und 159 (in Richtung auf den Meßraum gesehen) um einen Betrag y gegenüber den nach hinten weisenden Bändern 153 und 157 versetzt sind und die übrigen Bänder 154, 156, 158 und 160 die Verbindung zu den zuvor genannten Bändern herstellen.
Mit 162 sind in Fig. 19 die Feldlinien des magnetischen Hoch¬ frequenz-Feldes Hi und mit 163 eine Feldlinie des Konstant- Magnetfeldes Ho bezeichnet.
Ein neuntes Ausführungsbeispiel 170 eines Probenkopfes ist in den Fig. 20 und 21 dargestellt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt der Probenkopf 170 eine Hochfrequenz-Spule 171 mit sechzehn Bändern* 172 bis 187, die ähnlich der Anordnung der Fig. 19 nach Art einer Sattelspule ausgebildet sind, wie die perspektivische Darstellung der Fig. 21 zeigt. Die Sattelform ergibt sich auch hier aus dem axialen Versatz y zwischen den beiden Bändern 172 und 180 zu den beiden Bändern 176 und 184.
Eine Besonderheit der Hochfrequenz-Spule 171 liegt darin, daß jeweils vier lange Bänder 172, 176, 180 und 184 verwendet werden, die über kurze Bandstücke an ihren freien Enden mitein¬ ander verbunden sind. Bei diesen kurzen Stücken bilden die Bänder 174, 178, 182 und 186 ebene Abschnitte, die symmetrisch zueinander und symmetrisch zur Mittelachse angeordnet sind.
Dies gestattet es, eine Doppel-Helmholtz-Anordnung ähnlich derjenigen der Fig. 18 aufzubauen, so wie dies in Fig. 22 dargestellt ist. Das dort perspektivisch erkennbare zehnte Ausführungsbeispiel 190 eines Probenkopfes ist aus vier Hochfrequenz-Spulen 171 gemäß Fig. 20 und 21 zusammengesetzt.
Die eben und symmetrisch angeordneten Abschnitte 174, 178, 182 und 186 gestatten es dabei, die vier Spulen 171 so in¬ einander zu verschachteln, daß die genannten ebenen Abschnitte aufeinanderliegen und mechanisch aber isoliert miteinander verbunden werden können. Selbstverständlich ist damit lediglich ein mechanischer Verbund, nicht jedoch eine elektrische Wechsel¬ wirkung zwischen den jeweiligen Spulen 171 vorgesehen.
Auf diese Weise ergibt sich wiederum eine Doppel-Helmholtz- Anordnung mit zwei Achsen 191 und 192 für die Feldlinien des magnetischen Hochfrequenz-Feldes Hix und Hiy .
Fig. 23 zeigt in einem Detail die praktische Ausbildung eines Spaltes, dargestellt am Spalt 122 der Hochfrequenz-Spule 111 des Probenkopfes 110 der Fig. 16 und 17.
Man erkennt aus der vergrößerten Detaildarstellung der Fig. 23, daß das Band 117 am oberen Ende in einen Winkelabschnitt 200 ausläuft, der parallel zum Band 114 verläuft. Der dazwischen ausgebildete Spalt 122 ist mit einem Dielektrikum 201 aus¬ gefüllt. Das Dielektrikum 201 kann PTFE sein, wobei zu berück¬ sichtigen ist, daß dessen Dielektrizitätszahl £ ungefähr gleich 2 ist.
Auf diese Weise wird nicht nur der kapazitive Abschnitt im Bereich des Spaltes 122 definiert, es ist auch ein mechanischer Verbund zwischen dem Winkel 200 und dem Band 114 möglich. Entsprechendes gilt für die Detaildarstellung der Fig. 24, bei der als Beispiel die Bänder 54 und 55 der Hochfrequenz- Spule 51 des Probenkopfes 50 der Fig. 5 und 6 dargestellt sind.
Die Bänder 54, 55, die zwischen sich den Spalt 63 einschließen, laufen an ihren freien Enden in Umkantungen 205, 206 aus, die zwischen sich ein Dielektrikum 207 einschließen und radial nach außen, d.h. von einem Innenraum 208 der Hochfrequenz- Spule 51 weg verlaufen.
Auf diese Weise werden die elektrischen Feldlinien weiter nach außen gezogen und belasten den Innenraum 208 weniger.
Schließlich zeigt Fig. 25 noch eine Detaildarstellung, bei der eine Variante der Fig. 24 dargestellt ist. Die Bänder 55*, 56' sind in diesem Falle mit einem überlappenden metalli¬ schen Streifen 210 überdeckt. Zwischen dem Streifen 210 und den Bändern 55', 56' befindet sich wiederum ein Dielektrikum 211. Der Spalt 63' kann dabei frei bleiben oder ebenfalls mit Dielektrikum ausgefüllt werden.
Das Dielektrikum 211 kann in diesem Falle, ebenso wie bei den in Fig. 23 und 24 dargestellten Fällen auch durch einen Kleber gebildet werden, der zugleich die elektrische Eigenschaft des Dielektrikums und auch die mechanische Verbindung gewährleistet.
Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Verschraubung möglich, wie in Fig. 25 mit 212 angedeutet. Es versteht sich, daß in diesem Falle eine elektrisch nicht-leitende Schraube, z.B. eine Schraube aus PTFE, eingesetzt wird.
Auch in diesem Falle wird ein Innenraum 213 der Spule 51* weitgehend von elektrischen Feldlinien entlastet.

Claims

Patentansprüche
Probenkopf für die Kernresonanz-Ganzkörper-Tomographie, oder die ortsabhängige in-vivo Kernresonanz-Spektroskopi mit einer Hochfrequenz-Spule (11; 31; 51; 81; 101, 102; 111, 112; 141 bis 144; 151, 152; 171), die jeweils eine Anzahl (n) von in Richtung des Hochfrequenz-Stromes (Ii ) abwechselnd hintereinander angeordneten induktiven Abschnitten in Gestalt von metallischen Bändern (13, 14; 33 bis 36; 53 bis 60; 83 bis 88; 114 bis 121; 153 bis 160; 172 bis 187) sowie kapazitiven Abschnitten umfaßt, derart, daß die Feldlinien (20; 44; 72; 104; 125; 145, 146; 162; 191, 192) des von der Hochfrequenz- Spule (11; 31; 51; 81; 101, 102; 111, 112; 141 bis 144; 151, 152; 171) erzeugten Hochfrequenz-Magnetfeldes (Hi ) parallel zu einer von der Hochfrequenz-Spule (11; 31; 51; 81; 101, 102; 111, 112; 141 bis 144, 151, 152; 171) definierten Achse (21; 45; 74; 126) verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenz-Spule (31; 51; 81; 101, 102; 111, 112; 141 bis 144; 151, 152; 171) zusammen mit einem Außenmantel (32; 52; 82; 103; 113) eine Einheit bildet, und daß die Anzahl (n) der induktiven und der kapazitiven Abschnitte so bemess ist, daß sie gerade unterhalb desjenigen Grenzwertes (nit) liegt, bei dessen Überschreitung die Verteilung (22; 46; 74) der Feldlinien (19; 43; 71; 97) des von der Hochfrequenz-Spule (11; 31; 51; 81; 101, 102; 111, 112; 141 bis 144; 151, 152; 171) erzeugten elektrischen Hochfrequenz-Feldes (Ei ) von einer ersten Verteilung (22; 46; 75) , bei der zwischen jedem induktiven Ab¬ schnitt (Band 55) und der Achse (74) eine Ebene (76) liegt, in der die Stärke des elektrischen Hochfrequenz- Feldes (Ei ) gleich Null ist, in eine zweite Verteilung
(98) umkippt, bei der die Stärke des elektrischen Hochfrequenz-Feldes (Ei ) unabhängig von der Anzahl (n) der induktiven Abschnitte im wesentlichen rotations¬ symmetrisch um die Achse (99) und linear von der Achse
(99) hin zur Hochfrequenz-Spule (81) hin ansteigend verläuft.
2. Probenkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitiven Abschnitte als Spalte (37 bis 40; 61 bis 68; 89 bis 94; 122; 161) ausgebildet sind, die parallel zu den Feldlinien (44; 72; 104; 125; 145, 146; 162; 191, 192) des Hochfrequenz-Magnetfeldes (Hi ) verlaufen.
3. Probenkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte (63; 122) mit einem Dielektrikum (201; 207; 211) ausgefüllt sind.
4. Probenkopf nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich¬ net, daß die metallischen Bänder (54, 55) an ihren an die Spalte (63) angrenzenden Rändern vom Innenraum (208) der Hochfrequenz-Spule (51) weg gebogen sind, derart, daß die kapazitiven Abschnitte außerhalb des Innenraumes (208) liegen.
5. Probenkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bänder (153 bis 160; 172 bis 187) eben sind.
6. Probenkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bänder (33 bis 36; 53 bis 60; 83 bis 88; 114 bis 121) gewölbt, vor¬ zugsweise in der Richtung des Hochfrequenz-Stromes (Ii ) gebogen sind.
7. Probenkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Bänder (53 bis 60; 114 bis 121; 153 bis 160; 172 bis 187) an den kapazitiven Abschnitten starr miteinander verbunden sind.
8. Probenkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Bänder (55', 56') mittels eines Klebstoffes miteinander verklebt sind.
9. Probenkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff ein Dielektrikum (211) bildet.
10. Probenkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Bänder (55', 56') miteinander isoliert verschraubt sind.
11. Probenkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite d der Spalte (61 bis 68) in Richtung des Hochfrequenz-Stromes (Ii ) zwischen 0,1 % und 2 %, vorzugsweise bei 0,5 % des Umfanges der Hochfrequenz-Spule (51) liegt.
12. Prσbenkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Abmessung (1) der metallischen Bänder (53 bis 60) in Richtung des Hochfrequenz-Stromes (Ii ) nicht mehr als das Vier¬ fache einer zweiten, dazu senkrechten Abmessung (a) beträgt.
13. Probenkopf nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Richtung des Hochfrequenz-Stromes (Ii ) senkrechte Abmessung (a) der metallischen Bänder (53 bis 60) zwischen 10 % und 50 %, vorzugsweise bei 20 % des Durchmessers (D) der Hochfrequenz-Spule (51) liegt.
14. Probenkopf nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (52) eine im wesentlichen kreis¬ zylindrische Form aufweist und die Hochfrequenz-Spule (51) in einem Abstand (c) umgibt, der zwischen 5 % und 20 %, vorzugsweise bei 10 % des Durchmessers (D) der Hochfrequenz-Spule (51) liegt.
15. Probenkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Hochfrequenz Spulen (101, 102; 111, 112; 141, 142; 143, 144; 151, 152; 171) in Helmholtz-Anordnung umfaßt.
16. Probenkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß er vier Hochfrequenz Spulen (141 bis 144; 171) umfaßt, von denen jeweils zwei (141/142, 143/144) ein Paar in Helmholtz-Anordnung bilden und die Achse (145, 146) der Paare (141/142, 143/144) aufeinander senkrecht stehen.
17. Probenkopf nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Hochfrequenz-Spulen (111, 112; 151, 152; 171) als Sattelspulen ausgebildet sind.
18. Probenkopf nach Anspruch 16 und 17, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Sattelspulen derart ausgebildet und zuein¬ ander angeordnet sind, daß jede Sattelspule eines Paares mit mindestens einem Punkt an den beiden Sattelspulen des jeweils anderen Paares anliegt und dort befestigt ist.
19. Probenkopf nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Sattelspulen zwei kreisringseg entfδrmige Bänder (114, 116, 118, 120) sowie zwei langgestreckte, vor¬ zugsweise in Längs- und/oder Querrichtung gewölbte Bänder (115, 117, 119, 121) umfaßt, die mit ihren freien Enden unter einem Winkel von 90° zu den kreisringseg- mentfδrmigen Bändern (114, 116, 118, 120) hin verlaufen.
20. Probenkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine als Erdung dienende Leitung (123, 124) für den Hoch¬ frequenz-Strom (Ii ) als Halterung für die metallischen Bänder (114 bis 121) an dem Außenmantel (113) ausgebilde sind.
21. Probenkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Oberflächenspule.
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