DE202004021683U1

DE202004021683U1 - NMR-Sonde mit einer inneren Quadratur-Erfassungsspule in Kombination mit einer spiralförmig gewundenen, äußeren Spule zur Bestrahlung

Info

Publication number: DE202004021683U1
Application number: DE202004021683U
Authority: DE
Original assignee: Varian Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2014-03-30
Also published as: WO2004113946A2; US20040189304A1; EP1613974A2; US6876200B2; WO2004113946A3

Abstract

Eine NMR-Sonde mit:
einer Birdcage-Spule, die aus einem Suszeptibilitäts-kompensierten Material besteht und aufweist
einen ersten leitenden Ring;
einen nicht-leitenden, ersten Zylinder, der außerhalb des ersten leitenden Rings angeordnet ist; und
einen zweiten leitenden Ring, der außerhalb des ersten nicht-leitenden Zylinders aufgesetzt ist,
wobei der erste und der zweite leitende Ring und die Birdcage-Spule zwischen sich eine Kapazität oder Induktivität bilden und wechselseitig beweglich sind, um eine Resonanzfrequenz der Birdcage-Spule selektiv zu steuern.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine für Kernmagnet-Resonanz-(NMR-)Sonde und eine Magnetresonanzabbildung (MRI) unter Verwendung von Hochfrequenz-(HF-)Signalen; und insbesondere eine solche Sonde mit einem inneren Erfassungsresonator in Kombination mit einem äußeren Resonator, der aus einer spiralförmigen Bestrahlungsspule besteht, um dadurch die wechselseitige Induktivität zwischen den zwei Resonatoren zu minimieren. Die Empfindlichkeit wird mittels eines inneren Resonators verbessert, der aus einer Birdcage-Spule oder Doppelsattelspulen, die im Quadraturmodus betrieben werden, besteht. Eine weitere Empfindlichkeitsverbesserung wird durch Kühlen der Resonatoren oder durch Herstellen von einem oder mehreren der Resonatoren aus einem supraleitenden Material und Betreiben im Supraleitungstemperaturbereich erhalten.
Stand der Technik
Die folgenden Offenbarungen zeigen den Stand der Technik:

1. US-Patent 6 100 694 , 08.08.00, W. H. Wong.
2. US-Patent 6 420 871 , 16.07.02, W. H. Wong, S. Uno und W. Anderson.
3. US-Patent 4 694 255 , 15.09.87, C. E. Hayes.
4. "Quadrature Detection Coils. A further √2 Improvement in Sensitivity", C. N. Chen, D. I. Hoult, V. J. Sank, J. Mgn. Reson. 54, 324–327 (1983).
5. "A Hybrid Birdcage Resonator for Sodium Observation at 4.7 T", P. Pimmel und A. Briguet, Mgn. Reson. Med. 24, 158 (1992).
6. "A New Miniaturizable Birdcage Resonator design with Improved Electric Field Characteristics", S. Su und JJ. K. Sanders. J. Magn. Reson. Ser. B, 110, 210–212 (1996).
7. "Optimized Small Bore, High Pass Resonator Designs" S. Crozier, K. Luescher, L. K. Forbes, D. M. Doddrell, J. Magn. Reson. Ser. B. 109, 1–11 (1995).
8. "Design and Performance of a Double Tuned Birdcage Coil", A. Rath, J. Magn. Reson. 86, 488–495 (1990).
9. "5 mm Birdcage Coils for Micro-imaging Applications", Wong, J. Finnigan und S. Sukumar, Poster 171, 41. ENC, April 2000.

NMR-Sonden mit hoher Auflösung weisen typischerweise eine innere Sattelspule zur Bestrahlung und Erfassung einer ersten Kernspezies und eine zweite größere Sattelspule koaxial zur inneren Sattelspule zur Bestrahlung von einer oder mehreren anderen Kernspezies auf. Die zwei Sattelspulen sind in Bezug zueinander unter 90° ausgerichtet, um die Kopplung zwischen den zwei Spulen zu minimieren.
Normalerweise wird nur eine äußere Spule verwendet, da zusätzliche Sattelspulen stark miteinander koppeln würden oder mit der inneren Sattelspule koppeln würden, was folglich zu einem Verlust der Empfindlichkeit und einer Erhöhung der Komplexität beim Abstimmen der individuellen Spulen führen würde. Mehr Bestrahlungsfrequenzen werden durch doppeltes oder dreifaches Abstimmen der äußeren Sattelspule erreicht. Der Prozess der Doppelabstimmung verringert die Effizienz der Spulen, wodurch mehr Betriebsleistung erforderlich ist, um die gewünschten Kernresonanzübergänge zu bewirken.
Folglich ist zu erkennen, dass der Stand der Technik keine auf mehrere Frequenzen abgestimmte Quadratursondenkonstruktion für eine HF-Sonde bereitstellt, die eine hohe Auflösung aufweist und mit der Fähigkeit zu einer Mehrfrequenzentkopplung. Überdies fehlt dem Fachgebiet eine solche Sonde, die eine ausgezeichnete Empfindlichkeit und eine effiziente HF-Leistungsnutzung und Einfachheit in der Struktur aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Folglich besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, die vorangehenden und weitere Mängel und Probleme des Standes der Technik zu beseitigen.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine neue HF-Sondenstruktur bereitzustellen, die einen Mechanismus zum selektiven Steuern der Resonanzfrequenz der Erfassungsspule der HF-Sonde aufweist.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Zuverlässigkeit, den Leistungswirkungsgrad und die Empfindlichkeit der in NMR-Systemen verwendeten HF-Sonde zu verbessern.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Spulensystem bereitzustellen, das eine minimale wechselseitige Induktivität aufweist.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Sonde bereitzustellen, die Mehrfrequenzfähigkeiten aufweist.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine NMR-Sonde bereitzustellen, die Spulen aufweist, die verschiedene Arten von Kernen bestrahlen, wobei alle Spulen so angeordnet sind, dass sie wechselseitig transparent sind und folglich eine minimale wechselseitige Induktivität aufweisen.
Die vorangehenden und weitere Aufgaben werden durch die Erfindung erreicht, die eine HF-Sonde mit einzigartiger und neuer Struktur umfasst, die beispielsweise bei einem NMR-System verwendet wird, wobei eine zylindrische Birdcage-Spule so konfiguriert ist, dass sie einen Kondensator in Richtung eines Endteils derselben aufweist, der einen leitenden Ring umfasst, der innerhalb oder außerhalb des Birdcages angeordnet ist, der in Umfangsrichtung oder axial wechselseitig beweglich ist, um die Frequenz der Birdcage-Spule selektiv zu steuern. Die Birdcage-Spule kann aus einer Vielzahl von parallelen geraden Beinen oder sich verjüngenden Beinen konfiguriert sein, die sich von einem leitenden Ring erstrecken. Die Sonde kann den Birdcage auch mit einer Spiralspule kombinieren, die im Betrieb nicht induktiv mit der Birdcage-Spule gekoppelt ist. Die Birdcage-Spule und/oder die Spiralspule können auf eine niedrige Temperatur gekühlt werden, um die Empfindlichkeit zu erhöhen und den Leistungswirkungsgrad zu erhöhen.
Ein Merkmal der Erfindung ist eine NMR-Sonde mit einer Birdcage-Spule; einem ersten Zylinder mit einem ersten leitenden Ring, der an einen Endteil desselben aufgesetzt ist, wobei der erste Zylinder innerhalb oder außerhalb der Birdcage-Spule eingebaut ist und wobei der erste leitende Ring und die Birdcage-Spule eine Kapazität oder Induktivität dazwischen bilden und wechselseitig beweglich sind, um die Resonanzfrequenz der Birdcage-Spule selektiv zu steuern.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass die Birdcage-Spule eine Vielzahl von leitenden, parallelen und sich axial erstreckenden Beinen umfasst, die an einem leitenden Ring befestigt sind.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass die Birdcage-Spule eine Vielzahl von leitenden sich verjüngenden Beinen umfasst, die sich von einem leitenden Ring erstrecken.
Ein weiteres Merkmal der Birdcage-Spule besteht darin, dass sie ferner einen zweiten Zylinder aufweist, an dem an einem Außenflächenendteil ein zweiter leitender Ring angefügt ist, wobei der erste Zylinder innerhalb die Birdcage-Spule eingebaut ist und der zweite Zylinder außerhalb der Birdcage-Spule angebaut ist, und wobei der erste und der zweite leitende Ring und die Birdcage-Spule dazwischen wechselseitig beweglich sind, um die Resonanzfrequenz der Birdcage-Spule selektiv zu steuern.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass der erste Zylinder eine Birdcage-Spule mit einer Vielzahl von sich verjüngenden oder parallelen Beinen umfasst, die sich vom leitenden Ring erstrecken.
Ein weiteres Merkmal ist ein dritter leitender Ring, der an einem Endteil des zweiten Zylinders angeordnet ist, der über der Birdcage-Spule angebaut ist.
Ein weiteres Merkmal ist eine doppelte, um 360° verdrehte Entkopplungsspule, die an der Außenseite des zweiten Zylinders angeordnet ist.
Ein weiteres Merkmal ist eine Erfassungsspule mit einem Ringendteil und zwei oder mehr Paaren von Spulen, die sich von diesem erstrecken.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass die Erfassungsspule durch einen Satz von Saphirstäben gehalten wird, wobei Kondensatoren mit den Erfassungsspulen verbunden sind.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass die Entkopplungsspulen Signale liefern von mindestens einer Abstimmschaltung mit einem ersten Kondensator, der mit einem ersten Induktionselement parallel geschaltet ist, und einer zweiten Abstimmschaltung mit einem in Reihe geschalteten zweiten Kondensator und zweiten Induktionselement, um eine doppelt abgestimmte Schaltung zu bilden.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass die Birdcage-Spule mit einer Niedertemperaturumgebung versehen ist.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass die Entkopplungsspule mit einer Niedertemperaturumgebung versehen ist.
Ein weiteres Merkmal ist ein HF-Resonatorsystem zum Ausstrahlen und Erfassen von Kernmagnet-Resonanz-Signalen, wobei das System aufweist: einen inneren Resonator zur Stimulation und Erfassung von Kernmagnet-Resonanz-Signalen von einer Kernspezies; und einen äußeren Resonator zur Resonanzausstrahlung von mindestens einer weiteren Kernspezies, wobei der äußere Resonator die Form einer spiralförmig gewundenen Spule aufweist, die mit dem inneren Resonator eine wechselseitige Kopplung von im Wesentlichen null aufweist.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass der innere Resonator eine Birdcage-Spule ist.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass der innere Resonator eine Helmholz-Spule ist.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass zumindest der innere Resonator einer Niedertemperaturkühlung unterzogen wird.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass die Birdcage-Spule aus einem supraleitenden Material besteht.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass der innere Resonator eine einzelne Sattelspule umfasst.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass der innere Resonator eine erste und eine zweite Sattelspule umfasst, die in Bezug zueinander unter 90° angeordnet sind, um eine Quadraturerfassung zu ermöglichen.
Weitere Merkmale bestehen darin, dass das System ferner einen Empfänger und einen HF-Ausgangsverstärker umfasst und dass der innere Resonator mit dem Empfänger gekoppelt ist und der äußere Resonator mit dem HF-Ausgangsverstärker gekoppelt ist.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass der innere Resonator eine Birdcage-Spule mit mindestens einem Paar von leitenden Ringen aufweist, die einen Kondensator bilden, die axial oder in Umfangsrichtung wechselseitig beweglich sind, um die Resonanzfrequenz des inneren Resonators selektiv zu steuern.
Ein weiteres Merkmal ist ein NMR-System mit einem Mittel zum Bestrahlen und Erfassen von Kernmagnet-Resonanz-Signalen von einer Probe und mit einem inneren Resonator zur Stimulation und Erfassung des Kernmagnet-Resonanz-Signals von mindestens einer Kernspezies, wobei der innere Resonator eine Birdcage-Spule mit einem Kondensator aufweist, der aus einem leitenden Ring und der Birdcage-Spule gebildet ist, wobei der Kondensator durch eine wechselseitige Bewegung des Rings und der Spule veränderbar ist, um die Resonanzfrequenz des inneren Resonators selektiv zu steuern; mindestens einem äußeren Resonator zur Resonanzbestrahlung von mindestens einer weiteren Kernspezies, wobei der äußere Resonator die Form einer spiralförmig gewundenen Spule aufweist, die mit dem inneren Resonator eine wechselseitige Kopplung von im Wesentlichen null aufweist; und einem Mechanismus zum Kühlen der Birdcage-Spule des ersten Resonators.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass die Birdcage-Spule einen leitenden Ring umfasst und sich von diesem eine Vielzahl von parallelen geraden Beinen erstrecken.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass die Birdcage-Spule einen Leiterring und eine Vielzahl von sich verjüngenden Beinen von diesem umfasst.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass die Erfassungsspule eine erste und eine zweite Spule in der Form von Sätteln aufweist, die in Bezug zueinander unter 90° angeordnet sind, umfasst, um Quadratursignale zu erfassen.
Die vorangehenden und weitere Merkmale und Aufgaben werden zusammen mit bevorzugten Ausführungsbeispielen in den folgenden Zeichnungen spezieller beschrieben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1A, 1B sind eine Ansicht in auseinandergezogener Anordnung bzw. eine zusammengefügte Ansicht einer Tiefpass-Birdcage-Spule mit einer Vielzahl von Lagen.
2A, 2B, 2C sind ähnlich zu 1A, 1B, außer dass sie verjüngte Beine zeigen.
3A, 3B, 3C sind nicht zusammengefügte Ansichten (3A, 3B) und eine zusammengefügte Ansicht (3C) einer Tiefpass-Birdcage-Spule mit einer Vielzahl von sich verjüngenden Beinen, mit inneren und äußeren Glasröhren und Ringen.
4A, 4B, 4C sind dieselben wie 3A, 3B, 3C, außer dass das äußere ”0”-Glasrohr und der äußere ”0”-Metallfolienring fehlen.
5A, 5B sind eine Draufsicht bzw. eine Vorderansicht einer zylindersymmetrischen Entkopplungsspule.
6 ist eine bildhafte Ansicht, die eine nicht zusammengefügte Spule von 1A, 1B zusammen mit der Spule von 5B, die als Außenlage angeordnet ist, darstellt.
7 ist eine bildhafte Ansicht, die eine Erfassungsspule mit einer vierfachen Konstruktion darstellt.
8A, 8B sind eine Seitenansicht (8A), die die Erfassungsspule von 7A repräsentativ darstellt, und eine Seitensicht (8B) einer Struktur unter Verwendung einer zylindrischen Röhre, die durch Saphirsäulen abgestützt ist.
9 ist ein Schaltplan, der eine reguläre, doppelt abgestimmte Signalquelle der spiralförmigen Entkopplungsspule von 5A, 5B darstellt.
10 ist ein Blockdiagramm, das eine NMR-Sonde unter Verwendung einer auf Tiefsttemperatur gekühlten Quadraturerfassungsspule und von spiralförmigen Entkopplungsspulen darstellt.
11 ist ein Blockdiagramm, das ein NMR-System unter Verwendung der erfindungsgemäßen Sonde darstellt.
12 ist eine bildhafte Ansicht, die eine spiralförmig gewundene Spule mit Einzelwindung darstellt.
13 ist eine bildhafte Ansicht, die spiralförmig gewundene Sattelpaarspulen darstellt.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
1A zeigt eine nicht zusammengefügte Spule vom Birdcagetyp und 1B zeigt die zusammengefügte Spule, wobei eine innere, zylindrische, leitende Spule mit einem leitenden, z. B. metallischen, Ring 1 und leitenden, z. B. metallischen, sich parallel erstreckenden Beinen 2 in einen zylindrischen Zylinder 3 aus Glas oder einem anderen nicht-leitenden Material eingesetzt ist. Auf der anderen Seite ist ein ähnlicher zylindrischer Zylinder 6 aus Glas oder einem anderen nicht-leitenden Material über eine äußere, zylindrische Spule mit einem leitenden, z. B. metallischen, Ring 5 und leitenden, z. B. metallischen, sich parallel erstreckenden Beinen 4 aufgesetzt. Der Glaszylinder 3 mit der inneren, zylindrischen Spule darin ist in die äußere, zylindrische Spule, die in den Glaszylinder oder das Glassrohr 6 eingefügt ist, eingesetzt. So zusammengefügt ist die resultierende Birdcage-Spule in 1B gezeigt.
Vorteilhafterweise sind die innere und die äußere Spule und die Komponentenbeine 2, 4 und Komponentenringe 1, 5 so angeordnet, dass sie überlappen, so dass sich eine Quadratur-1H-Erfassungsspule mit einer Kapazitäts- und/oder Induktionsschleifenkopplung ergibt. Die Resonanzfrequenz der Spule kann durch Ändern der Überlappung dazwischen durch entweder wechselseitige Drehung um die gemeinsame Achse oder durch eine seitliche axiale Bewegung dazwischen leicht eingestellt und selektiv gesteuert werden.
Die innere und die äußere Spule mit zumindest den Beinen 2, 4 bestehen aus einer kompensierten Metallfolie mit einer magnetischen Suszeptibilität von null. Die Beine 2, 4 sind beispielsweise aus Kupfer und/oder Aluminium hergestellt und sind typischerweise 2 bis 5 mils dick.
1A, 1B sowie die anderen Figuren in der Zeichnung lassen die elektrischen Verbindungen der Deutlichkeit der Beschreibung halber weg. Verschiedene elektrische Verbindungen wären jedoch für den Fachmann ersichtlich.
2A zeigt eine Birdcage-Spule ähnlich zu der von 1A, 1B, wobei die Glaszwischenlagen der Deutlichkeit der Beschreibung halber weggelassen sind. Der Unterschied zwischen diesen Ausführungsbeispielen besteht in den Beinen 8, 9, die verjüngt anstatt gerade sind, wie durch die Beine 2, 4 in 1A, 1B gezeigt. Die leitenden Ringe 7, 10 sind ähnlich zu den leitenden Ringen 1, 5 von 1A, 1B.
Es wurde entdeckt, dass die verjüngte Beinkonstruktion 8, 9 eine verbesserte Stromverteilung gegenüber der geraden Beinkonstruktion 2, 4 von 1A, 1B bereitstellte.
2B, 2C zeigen ähnliche verjüngte Beinkonstruktionen 8, 9 von 2A, wobei ein Unterschied dazwischen in der Feinheit der sich verjüngenden Konstruktion liegt. Es sollte beachtet werden, dass die Anordnung der ausgedehnten Beine 8, 9 (von 2A, 2B, 2C) und der ausgedehnten Beine 2, 4 (von 1A, 1B) so positioniert werden kann, dass die Beine einander überlappen wie in 1A und 2A, oder dass die leitenden Ringe 7, 10 einander überlappen. In beiden Fälle besteht immer noch die Überlappung der Ringe, die den Kondensator bilden, und der Beine, die die Induktionselemente bilden, die axial oder auf dem Umfang bewegt werden können, um die Frequenz der Spulen selektiv zu steuern. In 2A bilden die zwei sich verjüngenden Beine eine Struktur mit zylindrischer Form, wobei das Metall gleichmäßiger über die gesamte Spule verteilt ist. Diese Anordnung zeigt weniger Störung für das polarisierende Magnetfeld B₀. Mit anderen Worten, das Ausführungsbeispiel von 2A stellt eine gleichmäßige Verteilung von Metall bereit und die Störung des Magnetfeldes B₀, die durch die Suszeptibilität verursacht wird, ist minimiert.
3A, 3B, 3C zeigen ein Zusammenfügen einer weiteren Birdcage-Spule unter Verwendung einer einzelnen Anordnung von sich verjüngenden Beinen, wobei in 3A eine innere ”i”-Röhre oder ein innerer ”i”-Zylinder 14 aus Glas oder einem anderen nicht-leitenden Material einen inneren ”i”-Ring 15 aus einer Metallfolie oder einem anderen leitenden Material aufweist, der innerhalb deren Innenseite angeordnet ist. Die zylindrische Birdcage-Spule mit dem Ring 13 und den sich verjüngenden Beinen 16 wird dann außerhalb der inneren Glasröhre 14 mit dem Ring 15 angeordnet. Die äußere ”0”-Glasröhre 11 mit dem Metallfolienring 12 darauf wird den leitenden Ring 15 umgebend angeordnet, wobei der leitende Ring 13 und die leitenden Beine 16 in überlappenden Positionen liegen, wie in 3C gezeigt. Auf diese Weise kann ähnlich zur Spule von 1A, 1B die Resonanzfrequenz durch die selektive axiale Bewegung der Ringe und/oder Beine in Bezug zueinander selektiv gesteuert werden. Wie in 3C dargestellt, sind überdies zwei Sätze von Kondensatoren vorhanden, ein erster zwischen dem inneren Ring 15 und dem Spulenring 13 (oder den Beinen 16) und der zweite zwischen dem äußeren Ring 12 und dem Spulenring 13 (oder den Beinen 16). Vorteilhafterweise kann der Innenring-Kondensator verwendet werden, um das Hochfrequenzfenster zu definieren, und der Außenring-Kondensator kann verwendet werden, um die Resonanzfrequenz der Spule selektiv einzustellen und zu steuern.
In 3A, 3B, 3C ist es auch möglich, den Ring 15 außerhalb der Röhre 14 und den Ring 12 innerhalb der Röhre 11, wobei der Spulenring 13 und die Beine 16 außerhalb der Röhre 14 liegen, oder in irgendeiner anderen Kombination der Anordnung der Ringe, Spulen und Glasröhren anzuordnen, wie erwünscht. In solchen Ausführungsbeispielen ermöglicht die axiale Bewegung der Ringe und der anderen Teile die Einstellung des Hochfrequenzfensters und die selektive Steuerung der Resonanzfrequenz.
4A, 4B, 4C sind ähnlich zu 3A, 3B, 3C, außer dass die äußere ”0”-Glasröhre 11 und der äußere ”0”-Metallfolienring 12 nicht verwendet werden. Folglich befindet sich nur ein einzelner Kondensator zwischen dem Ring 15 und dem Ring 13 (oder den Beinen 16). Die selektive axiale Bewegung der Ringe 15 und der Ringe 13 und der Beine 16 stellt eine selektive Einstellung und Steuerung der Resonanzfrequenz bereit.
5A zeigt eine Draufsicht und 5B zeigt eine bildhafte Seitenansicht eines spiralförmigen Entkopplungssattelspulenpaars 18. Das Spulenpaar 18 ist spiralförmig und bildet von oben betrachtet einen 360°-Kreis und ist um 180° zueinander getrennt. Die Entkopplungsspule wird für eine Einzel-, Doppel- oder Breitbandabstimmung verwendet.
6 zeigt eine Birdcage-Spulen- und Glasröhrenkonfiguration, wie z. B. in 1A, 1B gezeigt, mit einer spiralförmigen Entkopplungssattelspule, wie z. B. in 5A, 5B gezeigt, die die Außenseite der äußeren Glasröhre 6 umgebend angeordnet ist, so dass die Entkopplungsspulen 18 eine induktiv entkoppelte Birdcagekonfiguration sind.
So konfiguriert optimiert die Birdcage- und Entkopplungskonfiguration von 6 den Verdrahtungsabstand für eine gute B₁-Feld-Homogenität entlang einer Z-Achse. Vorteilhafterweise können die Spulen aus kompensierten Folien und/oder Drähten bestehen. Die Konfiguration umfasst einen isolierten Mehrfachspulensatz.
9 stellt eine typische Schaltung eines regulären doppelt abgestimmten Verfahrens mit einer spiralförmigen Entkopplungsspule L₁ dar, wie z. B. in 5A, 5B gezeigt. Die Schaltung umfasst Kondensatoren C₁, C₂, C₃, C₄, C₅, C₆ und C₇; und Induktionselemente L₁, L₂ und L₃. Der Kondensator C₁ empfängt ein Signal f₁. Die Kondensatoren C₂ und C₃ sind auf die Eingangssignalfrequenz f₁ abgestimmt, die die Resonanzfrequenz eines bestrahlten Isotops sein kann. Das Induktionselement L₁ ist die spiralförmige Entkopplungsspule der Erfindung. C₄ und L₂ bilden einen Parallelresonanzkreis. Der Kondensator C₅ ist auf die Frequenz f₂ abgestimmt, die die Frequenz eines zweiten bestrahlten Isotops sein kann, wobei der Kondensator C₆ ein Anpassungskondensator mit der Frequenz f₂ des zweiten bestrahlten Isotops ist.
Die doppelt abgestimmte Schaltung von 9 kann verwendet werden, um Entkopplungsfrequenzen bereitzustellen.
Die Konfiguration von 6 kann verwendet werden, um eine Sonde mit indirekter Erfassung (Indirect Detection ID) zu bilden, wie später erörtert wird. Die Birdcage-Spule und die spiralförmige Entkopplungsspule sind in dieser Anordnung wechselseitig transparent.
Eine alternative Anordnung kann die Verwendung der Birdcage-Spule mit zwei oder mehr spiralförmigen Entkopplungsspulen sein.
7 stellt eine weitere Erfassungsspule dar, die zwei Sattelspulen einschließt, die in Bezug zueinander im rechten Winkel orientiert sind. Eine Sattelspule umfasst Spulen 21 und 23 und die andere Sattelspule umfasst Spulen 22 und 24. Die Spulen sind mit dem Ring 20 verbunden.
Eine repräsentative Ansicht der Spule von 7 ist gezeigt in 8A mit dem oberen gemeinsamen Leiter 25 und mehreren Spulen 21, 22, 23, 24 und einem unteren Anschluss 26 mit Kondensatoren 27, 28, 29, 30, die jeweils mit den Enden der mehreren Spulen verbunden sind. Die Kondensatoren können, wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen gezeigt, durch leitende Ringe gebildet sein. Auf die Anschlüsse, die mit den Kondensatoren verbunden gezeigt sind, kann induktiv oder kapazitiv oder direkt mit geeigneten Signalen zugegriffen werden. Der gemeinsame Leiter 25 kann als gemeinsame Erdung dienen.
Eine physikalische Struktur von 7 ist repräsentativ in 8B gezeigt, wobei die Spulen oder mehreren Wicklungen 21, 22, 23, 24 und die Kondensatoren 27, 28, 29, 30 auf einer Glasröhre 31 aufgebaut und durch eine Vielzahl von Saphirstäben 32 abgestützt sind. Die Röhre 31 kann aus einem anderen geeigneten, nicht-leitenden Material bestehen. Auch die Saphirstäbe 32, 33 können aus einem anderen geeigneten Material bestehen. Vorteilhafterweise ermöglicht diese Struktur von 8B unter Verwendung der Saphirstäbe 32, 33 eine zweckmäßige Leiterverbindung und einen Zugang zu den Spulen.
Die Erfassungsspulen von 7, 8A, 8B weisen vier Spulen auf und können anstelle der Erfassungsspulen von 1, 2 und 3 verwendet werden, beispielsweise in der kombinierten Spulenstruktur von 6 anstelle der Birdcage-Spule mit einer geeigneten Frequenzabstimmung, die auf die erörterte Weise gesteuert wird.
Vorteilhafterweise weisen die Spulen der Erfindung Strukturen auf, die beispielsweise aus kompensiertem Draht, Folie und Gleitglasröhren bestehen. Folglich sind die Spulen der Erfindung für die Verwendung in NMR-Detektoren mit hoher Auflösung besonders vorteilhaft. Die Erfindung umfasst auch eine Quadraturdetektor-Birdcage-Spule, die mit einer Breitband-Entkopplungsspule kombiniert ist. Folglich ermöglicht die Erfindung eine Quadraturerfassung und eine Mehrfrequenzentkopplung. Die spiralförmige Entkopplungssattelspule ist auch für die reguläre Sattelspule und die Quadraturspule induktiv transparent. Sie kann auch durch die offenbarte Schaltung auf mehrere Frequenzen abgestimmt werden. Die Erfindung hat auch eine Struktur, die zweckmäßig, flexibel, kostengünstig und effizient in der Konstruktion ist.
Die vorstehend beschriebenen Spulen, die auch als Resonatoren bezeichnet werden können, können aus einem Material sein, das supraleitend ist, oder das einer Kühlung unterzogen wird, oder einem, das eine niedrige magnetische Suszeptibilität oder hohe Leitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen aufweist. Die Erfindung kann beispielsweise beinhalten eine auf Tiefsttemperatur gekühlte Detektorspule wie z. B. die innere Spule, die in 6 mit 1–6 bezeichnet ist, die eine hohe Empfindlichkeit bereitstellt, und eine äußere Spule 18, die wechselseitig transparent ist, d. h. eine vernachlässigbare wechselseitige Induktivität mit der inneren Spule aufweist. Die Kühlumgebung kann entweder für die innere Spule und/oder die äußere Spule bereitgestellt werden, wie erwünscht. Die äußere Spule kann aus einem gewöhnlichen Material bestehen, wenn sie nicht einer Tieftemperaturkühlung unterzogen wird.
Die Empfindlichkeit ist ein wichtiger Faktor in der NMR-Spektroskopie mit hoher Auflösung. Eine höhere Empfindlichkeit ermöglicht die Verwendung von kleineren Mengen an Probenmaterial, was bei verschiedenen Angelegenheiten ein wichtiger Faktor ist. Die Verwendung von Quadratur-Aufnahme- oder Erfassungsspulen schafft eine Verbesserung der Empfindlichkeit. Durch Kühlen der Erfassungsspulen wird eine weitere Verbesserung einer erhöhten Empfindlichkeit wie z. B. um einen Faktor von 3 erhalten. Die Verwendung von mehreren Frequenzen ist auch wichtig, um komplexe molekulare Strukturen aufzulösen, die bestimmte Arten von Kernen enthalten. Die spiralförmig gewundene Spule 18 von 6, die die inneren Erfassungsspulen umgibt, stellt Mehrfrequenzfähigkeiten bereit. Die hohe Empfindlichkeit der Erfassungsspule wird aufgrund der kleinen wechselseitigen Kopplung mit den Spiralspulen nicht beeinträchtigt. Die Kühlung der Spulen stellt eine größere HF-Feldstärke für eine gegebene Menge an Betriebsleistung zusätzlich zur Erhöhung der Empfindlichkeit bereit.
10 ist eine Querschnittsansicht, die eine auf Tiefsttemperatur gekühlte NMR-Sonde 34 mit drei Sätzen von Resonatoren 36, 37, 38 darstellt, um zu ermöglichen, dass HF-Felder an die Probe 35 angelegt werden. Die Resonatoren sind mechanisch abgestützt und thermisch mit einem thermischen Block oder Wärmetauscher 39 gekoppelt. Ein Tiefsttemperaturfluid wie z. B. kalte Flüssigkeit oder kaltes Gas ist in einem Dewar oder einer gekühlten Quelle 43 gelagert und wird durch eine Pumpe 41 durch einen flexiblen Faltenbalg 42 und durch ein Rohr 40 zum thermischen Block 39 gepumpt. Um die Spulen thermisch zu isolieren, wird der innere Bereich 44 ausgepumpt.
11 stellt ein Blockdiagramm eines NMR-Systems mit beispielsweise der Sonde 34 von 10 dar. Die Sonde 34 ist in die Bohrung eines supraleitenden Magneten 46 eingesetzt. Andere Arten von Magneten können auch verwendet werden. Das System wird durch einen Hauptsteuercomputer 51 gesteuert. Ein Frequenzsynthesizer 50 erzeugt Frequenzen für einen Sender und Empfänger 47 und Leistungsverstärker 48, 49. Der Sender und Empfänger 47 ist mit dem Resonator 36 von 10 gekoppelt und wird verwendet, um NMR-Signale zu erfassen. Die HF-Leistungsverstärker 48, 49 werden verwendet, um Kernübergänge zu stimulieren, und sind mit den Resonatoren 37, 38 von 10 gekoppelt.
Der innere Resonator 36 von 10 kann eine Birdcage-Spule, wie z. B. in 1–4 gezeigt, sein und aus Kupfer und/oder Aluminium hergestellt sein, das an einem dielektrischen Träger wie z. B. Stäben thermisch verankert ist. Der Saphirträger kann mit einem Wärmetauscher oder thermischen Block 39 in 10 thermisch gekoppelt sein, was bewirkt, dass er gekühlt wird. Typische Betriebstemperaturen für die Spulen können im Bereich unterhalb 30 K liegen. Bei diesen Temperaturen nimmt die Empfindlichkeit zu, da die Güte zunimmt, wodurch die Signalstärke erhöht wird, und das durch die Spulen erzeugte thermische Rauschen nimmt ab.
Die äußeren Resonatoren 37, 38 von 10 können eine spiralförmig gewundene Spule, wie z. B. in 7, 8, 12 und 13 gezeigt, sein. 12 zeigt ein Beispiel eines spiralförmig gewundenen Resonators 52 mit einzelner Windung. Die spiralförmig gewundene Spule 137 weist einen Verdreh-Winkel auf, der 360° im Uhrzeigersinn ist, wie von der Oberseite derselben gesehen. Die durch solche spiralförmigen Spulen erzeugten HF-Felder weisen sowohl positive als auch negative Komponenten auf, die den inneren Resonator 36 durchqueren, wodurch die wechselseitige Induktivität zwischen den Spulen weitgehend aufgehoben wird. Die Spule 137 kann in Form eines Drahts oder einer Folie, der/die an einem dielektrischen Zylinder 53 befestigt ist, vorliegen, welcher aus Saphir hergestellt sein kann. Der dielektrische Zylinder 53, der auch aus Glas oder einem anderen nicht-leitenden Material bestehen kann, ist am Wärmetauscher 139 befestigt. Die Spule 137 kann im Resonator 37, 38 von 10 verwendet werden.
13 ist ein Beispiel einer spiralförmig gewundenen Sattelspule 54, wobei jede Spule 237 und 238 ein Spulenpaar bildet, das Sattelspule genannt wird. Der Abstand der zwei Windungen ist so eingestellt, dass die Homogenität des durch die Spule im Bereich der Probe erzeugten HF-Feldes optimiert ist. Die zwei Spulen 237, 238 können entweder in Reihe oder parallel geschaltet werden. Eine Parallelschaltung ist bei Frequenzen von mehreren hundert Megahertz oder darüber bevorzugt, was die Gesamtinduktivität minimiert. Wie bei der Spule mit einzelner Windung weist jede Windung einen Verdreh-Winkel von 360° auf. Die zwei Windungen können entweder in einer Richtung im Uhrzeigersinn, wie in 13 gezeigt, oder in einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn gewunden sein. Die Sattelspule 54 kann als Resonatoren 37 und 38 von 10 verwendet werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Resonator 37 von 10 in einer Richtung im Uhrzeigersinn gewunden und der Resonator 38 ist in einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn gewunden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Spule 37 eine spiralförmig gewundene Spule mit entweder einer oder zwei Windungen und der Resonator 38 ist ein ähnlicher Resonator, jedoch um 90° gedreht. Bei jedem dieser zwei Ausführungsbeispiele weisen die Resonatoren 37, 38 minimale wechselseitige Kopplungen miteinander und auch mit dem Resonator 36 auf.
Bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen ist die Gesamtverdrehung der Resonatorspulen plus und minus 360°. Andere Spulenkombinationen von Verdrehungswinkeln können verwendet werden und erreichen immer noch eine minimale wechselseitige Induktivität zwischen den Spulen. Durch Vorsehen, dass sich die Verdrehungswinkel dieser Spulen um Vielfache von 360° unterscheiden, wird eine minimale Induktivität zwischen den Resonatoren oder Spulen erreicht.
Die Resonatoren 37, 38 von 10 weisen Spiralspulen mit einer oder zwei Windungen auf. Bei Frequenzen von 100 MHz und darunter können Spiralspulen mit mehr Windungen verwendet werden. Resonatoren mit mehr Windungen haben den Vorteil einer größeren Induktivität und können daher auf niedrigere Frequenzen mit einem Minimum an hinzugefügter Kapazität abgestimmt werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Birdcage-Spulen von 1–3 als Erfassungsresonator 36 von 10 verwendet werden. Für die beste Empfindlichkeit werden die Spulen in einem Quadraturmodus betrieben.
Die vorangehende Beschreibung erläutert die Prinzipien der Erfindung. Zahlreiche Erweiterungen und Modifikationen derselben wären für den Fachmann ersichtlich. Alle derartigen Erweiterungen und Modifikationen sollen als innerhalb des Gedankens und Schutzbereichs dieser Erfindung betrachtet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6100694 [0002]
- US 6420871 [0002]
- US 4694255 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- ”Quadrature Detection Coils. A further √2 Improvement in Sensitivity”, C. N. Chen, D. I. Hoult, V. J. Sank, J. Mgn. Reson. 54, 324–327 (1983) [0002]
- ”A Hybrid Birdcage Resonator for Sodium Observation at 4.7 T”, P. Pimmel und A. Briguet, Mgn. Reson. Med. 24, 158 (1992) [0002]
- ”A New Miniaturizable Birdcage Resonator design with Improved Electric Field Characteristics”, S. Su und JJ. K. Sanders. J. Magn. Reson. Ser. B, 110, 210–212 (1996) [0002]
- ”Optimized Small Bore, High Pass Resonator Designs” S. Crozier, K. Luescher, L. K. Forbes, D. M. Doddrell, J. Magn. Reson. Ser. B. 109, 1–11 (1995) [0002]
- ”Design and Performance of a Double Tuned Birdcage Coil”, A. Rath, J. Magn. Reson. 86, 488–495 (1990) [0002]
- ”5 mm Birdcage Coils for Micro-imaging Applications”, Wong, J. Finnigan und S. Sukumar, Poster 171, 41. ENC, April 2000 [0002]

Claims

Eine NMR-Sonde mit: einer Birdcage-Spule, die aus einem Suszeptibilitäts-kompensierten Material besteht und aufweist einen ersten leitenden Ring; einen nicht-leitenden, ersten Zylinder, der außerhalb des ersten leitenden Rings angeordnet ist; und einen zweiten leitenden Ring, der außerhalb des ersten nicht-leitenden Zylinders aufgesetzt ist, wobei der erste und der zweite leitende Ring und die Birdcage-Spule zwischen sich eine Kapazität oder Induktivität bilden und wechselseitig beweglich sind, um eine Resonanzfrequenz der Birdcage-Spule selektiv zu steuern.
Die NMR-Sonde nach Anspruch 1, wobei die Birdcage-Spule eine Vielzahl von leitenden, parallelen und sich axial erstreckenden Beinen, die mit dem ersten oder dem zweiten leitenden Ring verbunden sind, aufweist.
Die NMR-Sonde nach Anspruch 1, wobei die Birdcage-Spule eine Vielzahl von leitenden, sich verjüngenden Beinen, die sich vom ersten oder zweiten leitenden Ring erstrecken, aufweist.
Die NMR-Sonde nach Anspruch 1, wobei die Birdcage-Spule mit einer Tiefsttemperaturumgebung versehen ist.
Die NMR-Sonde nach Anspruch 1, welche ferner einen dritten leitenden Ring mit einem zweiten nicht-leitenden Zylinder aufweist, der an dessen Außenseiten-Endteil aufgesetzt ist, wobei der erste nicht-leitende Zylinder innerhalb der Birdcage-Spule eingesetzt und der zweite nicht-leitende Zylinder außerhalb der Birdcage-Spule aufgesetzt sind, wobei der zweite und der dritte leitende Ring und der erste leitende Ring dazwischen wechselseitig beweglich sind, um die Resonanzfrequenz der Birdcage-Spule selektiv zu steuern.
Die NMR-Sonde nach Anspruch 5, welche ferner mindestens eine verdrehte Entkopplungssattelspule aufweist, die an der Außenseite des zweiten Zylinders angeordnet ist und die eine geringe wechselseitige Kopplung mit der Birdcage-Spule aufweist, wobei die Sattelspule mit einer Tiefsttemperaturumgebung versehen ist.
Die NMR-Sonde nach Anspruch 6, wobei die mindestens eine Entkopplungssattelspule mit Signalen versorgt wird von einer ersten Abstimmschaltung, die einen ersten, mit einem ersten Induktionselement parallel geschalteten Kondensator aufweist, und von einer zweiten Abstimmschaltung, die einen zweiten, mit einem zweiten Induktionselement in Reihe geschalteten Kondensator aufweist, um dadurch eine doppelt abgestimmte Schaltung zu bilden.
Die NMR-Sonde nach Anspruch 1, welche ferner eine Erfassungsspule aufweist, die einen Ringendteil aufweist und wobei sich von dem Ringendteil zwei Paare von Spulen erstrecken, die sich axial von diesem erstrecken.
Die NMR-Sonde nach Anspruch 8, wobei die Erfassungsspule einer Tiefsttemperaturumgebung ausgesetzt ist.
Ein HF-Resonatorsystem zur Bestrahlung und Erfassung von Kernmagnet-Resonanz-Signalen, wobei das System aufweist: einen inneren Resonator, der aus einem Suszeptibilitäts-kompensierten Material besteht, zur Stimulation und Erfassung der Kernmagnet-Resonanz-Signale von einer Kernspezies; und mindestens einen äußeren Resonator, der aus einem Suszeptibilitäts-kompensierten Material besteht, zur Resonanzbestrahlung von mindestens einer weiteren Kernspezies, wobei der äußere Resonator die Form einer spiralförmig gewundenen Spule mit einer oder mehreren Windungen aufweist, die mit dem inneren Resonator eine wechselseitige Kopplung von im Wesentlichen null aufweist.
Das HF-Resonatorsystem nach Anspruch 10, wobei der innere Resonator eine Birdcage-Spule aufweist.
Das HF-Resonatorsystem nach Anspruch 10, wobei der innere Resonator eine Helmholz-Spule aufweist.
Das HF-Resonatorsystem nach Anspruch 10, wobei der innere Resonator eine einzelne Sattelspule aufweist.
Das HF-Resonatorsystem nach Anspruch 10, wobei der innere Resonator eine erste Sattelspule und eine zweite Sattelspule, die unter einem 90°-Winkel zur ersten Sattelspule angeordnet ist, aufweist, um eine Quadraturerfassung zu ermöglichen.
Das HF-Resonatorsystem nach Anspruch 10, wobei der innere Resonator eine Birdcage-Spule mit mindestens einem Paar von leitenden Ringen aufweist, die einen Kondensator bilden und die axial oder in Umfangsrichtung beweglich sind, um die Resonanzfrequenz der Birdcage-Spule selektiv zu steuern.
Das HF-Resonatorsystem nach Anspruch 10, welches ferner aufweist: ein Mittel zur Tiefsttemperaturkühlung zumindest des inneren Resonators.