DE3427666C2

DE3427666C2 -

Info

Publication number: DE3427666C2
Application number: DE3427666A
Authority: DE
Inventors: Axel Dipl.-Phys. Dr. 3400 Goettingen De Haase
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Haase Axel Priv-Doz Dipl-Physdrrernat 34
Priority date: 1984-07-26
Filing date: 1984-07-26
Publication date: 1989-07-13
Also published as: US4739271A; DE3427666A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Meßkopf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Meßkopf ist aus der Veröffentlichung von M. R. Bendall in Chem. Phys. Lett. 99, 310 (1983) bekannt.

Abbildende Kernspinresonanzgeräte (NMR-Geräte), wie Kern spinresonanz-Tomographen, enthalten ein Magnetsystem zum Erzeugen eines statischen Magnetfeldes (B₀-Feld) und von Gradienten-Magnetfeldern sowie eine Spulenanordnung zum Erzeugen eines im allgemeinen senkrecht zum statischen Magnetfeld verlaufenden, gewöhnlich räumlich homogenen Hochfrequenzfeldes (B₁-Feld), das die durch das B₀-Feld ausgerichteten Spinvektoren um einen bestimmten Flipwinkel zu kippen bzw. die Spins umzuklappen gestattet, und zum Erfassen eines hierdurch erzeugten, von der Probe abge strahlten Hochfrequenzsignales.

Die zum Senden und Empfangen dienende Spulenanordnung kann eine einzige Spule enthalten. Um bei räumlichen Aufnahmen mit Kernspinresonanzgeräten eine hohe Ortsauflösung zu erreichen, ist es jedoch bekanntlich vorteilhaft, mehrere Spulen, nämlich eine Sendespule und mindestens eine Empfangs spule, zu verwenden. Die Sendespule, die sogenannte "homogene Spule" wird im allgemeinen durch einen HF-Puls erregt und erzeugt in der Probe das homogene Magnetfeld B₁ zum Anregen der Kernspinresonanz. Mit der Empfangsspule wird ein auf den HF-Puls folgendes, in der Probe induziertes Spinecho- Signal empfangen, das in einem Vorverstärker verstärkt und an eine nachfolgende Signalverarbeitungsschaltung weiter geleitet wird. Die Empfangsspule weist im allgemeinen kleinere Abmessungen als die Sendespule auf und kann als sogenannte "Oberflächenspule" ausgebildet sein, die möglichst nahe an der Oberfläche eines zu untersuchenden Objekts ("Probe") über dem zu untersuchenden Bereich angeordnet wird. Die Anwendung dieses Verfahrens wird jedoch dadurch eingeschränkt, daß durch die Anwesenheit der Oberflächen spule im Feldbereich der Sendespule das HF-Feld der homogenen Sendespule besonders im zu messenden Bereich verzerrt wird. Umgekehrt werden die Spinecho-Signale durch die Sendespule, wenn auch in schwächerem Maße gestört.

Aus der Veröffentlichung M. E. Packard, Rev. Sci. Instr. 19, 435 (1948) ist es bekannt, die Sende- und Empfangsspule durch eine senkrechte Anordnung voneinander zu entkoppeln. Diese Maßnahme läßt sich jedoch nicht immer anwenden; so ist es z. B. bei medizinisch-diagnostischen Anwendungen erforderlich, die Oberflächenspule unter beliebigen Winkeln zur Sendespule anordnen zu können.

Aus der Veröffentlichung von C.-N. Chen et al. in J. Magn. Res. 54, 324-327 (1983) ist ferner bekannt, die Sende- und Empfangsspule durch zwischen ihnen angeordnete Metallstreifen ("paddles") induktiv voneinander zu entkoppeln. Die Metall streifen müssen im Inneren des Probenkopfes angebracht sein und sind daher nur schwer zugänglich. Da aber jede Ände rung der Spulenanordnung eine Neueinstellung der Metallstreifen erforderlich macht, ist dieses Verfahren für die praktische Anwendung ungeeignet.

In der Veröffentlichung von R. J. Blume in Rev. Sci. Instr. 33, 1472 (1962) werden Schaltungen beschrieben, die die infolge der Kopplung der Spulen in diesen induzierten und die erwähnten Feldverzerrungen verursachenden Spannungen kompensieren. Auch hier ist mit einer Änderung der Spulenanordnung ein Abgleich der Kompensationsschaltungen erforderlich. Außerdem sind derartige Schaltungen aufwendig und störanfällig.

Aus der Veröffentlichung von Fukushima und Roeder, "Experimental Pulse NMR", Addison-Wesley Publishing Company Inc., Reading, MA, 1981, S. 373-416, insbesondere S. 396, ist es bei einem Einspulen-NMR-Meßkopf bekannt, den Empfänger während des HF-Pulses durch eine zwischen die HF-Spule und den Empfänger eingang geschaltete λ/4-Leitung und ein dem Empfängereingang parallelgeschaltetes Paar antiparalleler Dioden zu entkoppeln und während des Empfangs den Sender von der HF-Spule durch ein Paar antiparallel geschalteter Dioden zu entkoppeln, das in Reihe in die vom Sender zur HF-Spule führende Leitung geschaltet ist.

Aus der Veröffentlichung von Haeberlen in Z. angew. Phys. 23, Nr. 5, 341-343 (1967) ist ein Kernresonanz-Impulsspektrometer bekannt, dessen Probenkreis eine einzige Spule enthält. Sender und Empfänger sind jeweils über eine λ/4-Leitung mit der Spule des Probenkreises verbunden. Zwischen den Senderausgang und Masse ist eine Reihenschaltung aus einem λ/4-Kabel und einem Schalter geschaltet. Dem Empfängereingang liegt ein zweiter Schalter parallel. Der erste Schalter ist während des Empfangs offen, wodurch verhindert wird, daß der Sender mit seinem Ausgangswiderstand das Signal belastet. Die empfänger seitige λ/4-Leitung verhindert in Verbindung mit dem zweiten Schalter eine Überlastung des Empfängers durch das HF-Signal vom Sender.

Aus der Veröffentlichung von D. I. Hoult in Progress in NMR Spec troscopy 12, S. 41-77 (1978) ist für Anordnungen mit nur einer einzigen Spule, die sowohl als Empfangs- als auch als Sendespule dient, bekannt, den Empfang eines an diese Spule angeschlossenen Empfangsteils durch ein mit ent gegengesetzter Polung parallelgeschaltetes Diodenpaar vor dem HF-Sendeimpuls zu schützen. Das Diodenpaar ist über eine λ/4-Leitung mit einem T-Abzweig einer Verbindungs leitung zwischen einem HF-Sender und der Spule verbunden, dabei bedeutet λ die der Betriebsfrequenz der Spule ent sprechende Wellenlänge. Das Diodenpaar schließt während der Dauer der HF-Sendeimpulse den Eingang des Empfangsteils und das eine Ende der λ/4-Leitung kurz, so daß bei der Resonanzfrequenz und im eingeschwungenen Zustand der Abzweig zum Empfangsteil keinen Strom zieht. Ein Hinweis, wie eine Kopplung zwischen zwei Spulen und eine Rückwirkung einer Spule auf ein äußeres Feld unterbunden werden kann, kann diesen Veröffentlichungen jedoch nicht entnommen werden.

Aus der GB-PS 11 50 248 ist ein Meßkopf für ein Kernspin resonanzgerät mit einer Sende- und einer Empfangsspule bekannt, wobei die Hochfrequenzleitung zwischen der Abstimm- und Anpassungsschaltung der Empfangsspule und dem Empfangsteil als λ/4-Leitung ausgebildet ist.

Aus der eingangs bereits erwähnten Veröffentlichung von M. R. Bendall von der die Erfindung ausgeht, ist es schließlich bekannt, die Rückwirkung einer zur Zeit passiven (d. h. nichtsendenden oder empfangenden) Spule dadurch zu unterbinden, daß ihr Resonanzkreis verstimmt und damit ihre Kopplung an das HF-Feld der anderen Spulen verringert wird. Zu diesem Zweck ist ein Paar antiparallel geschalteter Dioden entweder in Reihe oder parallel zu einem Resonanzkreis, der die abzukoppelnde Spule enthält, geschaltet, um entweder bei hoher oder bei niedriger Signalspannung den Spulenresonanzkreis zu verstimmen. Da die Spulenresonanzkreise von NMR-Geräten jedoch im allgemeinen sehr breitbandig sind, ist der Wirkungsgrad dieser Maßnahme gering.

Der vorliegenden Erfindung liegt, ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Meßkopf so auszugestalten, daß eine gegenseitige Beeinflussung von Sende- und Empfangs spule mit einfachen Mitteln vermieden wird.

Diese Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Meßkopf durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Meßkopfes sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Durch die Erfindung wird eine unerwünschte Rückwirkung einer nichtaktiven Spule, also einer nichtsendenden oder empfangenden Spule, auf die andere(n) Spule(n) ausgeschlossen. Die Spulen sind dabei während des eigentlichen Experiments effektiv voneinander entkoppelt und es können keine Ver zerrungen des von der Sendespule erzeugten Feldes durch die Empfangsspule und des die Signale in der Empfangs spule induzierenden Feldes durch die Sendespule auftreten.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Sendespule und die Empfangsspule beide auf die der gleichen Wellenlänge λ entsprechende Betriebsfrequenz abgestimmt werden können. Eine Verstimmung zur Entkopplung ist ebensowenig erforderlich wie eine spezielle Orientierung der Spulen in Bezug aufeinander.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische räumliche Darstellung einer Spulen anordnung für einen Zwispulen-NMR-Meßkopf;

Fig. 2 eine Schaltung, zum Teil als Blockschaltbild, für eine Sendespule und

Fig. 3 eine Schaltung, zum Teil als Blockschaltbild, für eine Empfangsspule.

In Fig. 1 ist eine Sendespule 10 dargestellt, die zu einem nicht näher gezeigten Meß kopf eines NMR-Gerätes gehört, als Sattelspule ausgebildet ist und einen zylinderförmigen Bereich umschließt, in dem sich eine Probe (nicht gezeigt) befindet. Eine solenoidförmige, flache, ebene Empfangs spule 20 ist radial innerhalb der Sendespule 10 in diesem zylindrischen Bereich mit beliebiger Orien tierung, z. B. im wesentlichen koaxial zur Sende spule 10 angeordnet. Das Zentrum des Empfangsbereiches erstreckt sich daher in Richtung einer Geraden 2, die senkrecht auf der Ebene der Empfangsspule 20 steht und bei der dargestellten Orientierung etwa senkrecht zur Achse des von der Sendespule 10 um schlossenen zylindrischen Bereichs verläuft. In der Praxis kann natürlich die Empfangsspule 20 auch auf jeden anderen Bereich der Probe gerichtet sein und eine andere Orientierung bezüglich der Sendespule 10 haben.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Schaltungsanordnung, mit der eine Rückwirkung durch die Sendespule 10 verhindert wird. Die Sendespule 10 ist über eine erste Abstimm- und Anpassungs schaltung 12 und über eine erste Hochfrequenzleitung, z. B. ein Koaxialkabel 14, mit einem Hochfrequenz-Sendeteil 16 eines NMR-Gerätes verbunden, bei dem es sich um irgendeinen bekannten Sender, wie er in Kernspinresonanzgeräten, z. B. Kernspinresonanzspektrometern oder Kernspinresonanztomographen üblich ist, handeln kann. Der Hochfrequenz-Sendeteil 16 hat An schlußklemmen 16 a und 16 b, von denen die eine Klemme 16 a mit dem Außenleiter des Koaxialkabels 14 direkt verbunden ist. Die andere Klemme 16 b ist mit einem Anschluß 18 a eines ersten Schaltgliedes 18 in Form eines Paares antiparallel geschalte ter Dioden verbunden, dessen anderer Anschluß 18 b an den Innenleiter des Koaxialkabels 14 angeschlossen ist.

Das Koaxialkabel 14 hat zwischen dem Anschluß 18 b des Diodenpaares 18 und dem Anschluß 12 b der An passungsschaltung 12 eine elektrische Länge von λ/2 oder einem ganzzahligen Vielfachen hiervon, dabei bedeutet λ die hier und im folgenden der Betriebs frequenz der Spule entsprechende Wellenlänge im Koaxialkabel.

Das mit der ersten Hochfrequenzleitung 14 effektiv in Reihe geschaltete Diodenpaar 18 sperrt die Übertragung von Signalen, deren Betrag der Amplitude a kleiner als 0,5 Volt ist. Daher werden die HF-Signale aus dem Sendeteil 16 ungehindert über das Diodenpaar 18 und das Koaxialkabel 14 an die Sendespule 10 übertragen. Schwache Signale dagegen, die, während der Sender kein HF-Signal hoher Amplitude abgibt, beispielsweise von einem von der Probe stammenden äußeren HF-Feld in der Sendespule 10 induziert werden und über das Koaxial kabel 14 zum Diodenpaar 18 gelangen, treffen auf einen sehr hohen Widerstand, d. h. einen Widerstand, der groß im Vergleich zum Wellenwiderstand der Hochfrequenzlei tung ist. Da das Koaxialkabel 14 eine λ/2-Leitung ist, transformiert sie den sehr hohen Widerstand des sperrenden Diodenpaares am Anschluß 18 b in einen gleich hohen Widerstand an der Anschlußklemme 12 b am anderen Ende des Koaxialkabels 14. Die Sendespule 10 mit der Abstimm- und Anpassungsschaltung 12 kann daher keinen durch das äußere Feld induzierten Strom an das Koaxialkabel liefern, durch den eine Rückwirkung auf das äußere Feld erfolgen könnte. Diese Sendespule 10 ist daher effektiv von der Empfangsspule 20 entkoppelt.

Wie Fig. 3 zeigt, ist die Empfangsspule 20 über eine zweite Abstimm- und Anpassungsschaltung 12′, die Aus gangsklemmen 12′ a und 12′ b aufweist, mit dem einen Ende einer zweiten Hochfrequenzleitung 14′, z. B. eines Koaxial kabels gekoppelt. Das andere Ende des Koaxialkabels 14′ ist mit Klemme 18′ a, 18′ b eines zweiten Schaltgliedes 18′ in Form eines Paares antiparallel geschalteter Dioden mit einem Empfangsteil 22 des NMR-Gerätes verbunden.

In diesem Falle ist die elektrische Länge des Koaxialkabels 14′ zwischen den Klemmen 12′ b und 18′ b gleich λ/4 oder einem ungeradzahligen Vielfachen hiervon, also (2n + 1) · λ/4, wobei n eine ganze Zahl einschließlich Null bedeutet, und das Diodenpaar 18′ ist dem der Empfangspule 20 abgewandten Ende der Koaxial leitung 14′ parallel geschaltet. Zwischen dem Dioden paar 18′ und dem Eingang des Empfangsteils 22 kann ebenfalls eine Hochfrequenzleitung vorgesehen sein, an deren Länge keine speziellen Anforderungen ge stellt werden, sofern sie keine Anpassungsfunktion ausüben soll.

Für Signale, deren Betrag der Amplitude kleiner als 0,5 Volt ist, stellt das dem empfangsteilseitigen Ende des Koaxialkabels 14′ parallelgeschaltete Diodenpaar 18′ eine sehr hohe Impedanz dar, so daß diese Signale praktisch ungedämpft an den Empfangsteil 22 über tragen werden. Überschreitet die Signalamplitude jedoch beim Senden diesen Wert, dann schließt das Diodenpaar 18′ das der Empfangsspule 20 abgewandte Ende des Koaxial kabels 14′ kurz. Da das Koaxialkabel 14′ effektiv eine λ/4-Leitung ist, transformiert es den nun sehr nie drigen Widerstand zwischen den Anschlüssen 18′ a und 18′ b für Signale einer Frequenz entsprechend der Wellenlänge λ in einen sehr hohen Widerstand an den Klemmen 12′ a und 12′ b der Abstimm- und Anpassungs schaltung 12′. Von der Empfangsspule 20 kann daher prak tisch kein Strom in das Koaxialkabel 14′ fließen, durch den ein Störfeld erzeugt werden könnte. Damit ist auch die Empfangsspule 20 rückwirkungsfrei und von der Sendespule 10 gekoppelt, solange das Diodenpaar 18′ das Koaxialkabel 14′ am empfangsteilseitigen Ende kurzschließt.

Die bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen aus einem Koaxialkabel bestehende, längenmäßig auf die Betriebsfrequenz abgestimmte Hochfrequenzleitung stellt einen Widerstandstransformator dar, dessen eines An schlußpaar mit einem bei den dargestellten Ausführungs beispielen aus einem Paar antiparalleler Dioden be stehenden passiven Schaltglied und dessen anderes An schlußpaar über eine Abstimm- und Anpassungsschal tung mit der rückwirkungsfrei zu machenden Spule eines Mehrspulen-NMR-Meßkopfes verbunden ist. Wenn die Spule inaktiv ist, hat das Schaltglied einen solchen Zustand, daß am spulenseitigen Ende des Wi derstandstransformators ein sehr hoher (theoretisch unendlich hoher) Widerstand herrscht, der das Fließen von Strömen in der Spule verhindert, die zu einer un erwünschten Rückwirkung führen könnten.

Anstelle der beschriebenen antiparallel geschalteten Dioden können auch andere Schaltglieder verwendet werden, die auch aktiv, also durch eine eigene Steuer größe steuerbar sein können, wie z. B. Thyristoren und andere Halbleiterschalteinrichtungen, gegebenenfalls sogar mechanische Schalter.

Claims

1. Meßkopf für ein Kernspinresonanzgerät, welcher eine Sende spule (10) enthält, die mit einer ersten Abstimm- und Anpassungsschaltung (12) versehen ist, an die eine zu einem Hochfrequenz-Sendeteil (16) führende erste Hoch frequenzleitung (14) angeschlossen ist, und welcher ferner eine von der Sendespule (10) getrennte Empfangs spule (20) enthält, die mit einer zweiten Abstimm- und Anpassungsschaltung (12′) versehen ist, an die eine zu einem Empfangsteil (22) führende zweite Hochfrequenz leitung (14′) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Schaltglied (18), das bei aktivem Hoch frequenz-Sendeteil (16) durchschaltet und bei inaktivem Sendeteil geöffnet ist, in einem Abstand von 2n · λ/4 von der ersten Abstimm- und Anpassungsschaltung (12) in Reihen schaltung in der ersten Hochfrequenzleitung (14) angeordnet ist, und daß ein zweites Schaltglied (18′), das bei aktivem Sendeteil (16) durchschaltet und bei inaktivem Hochfrequenz- Sendeteil (16) geöffnet ist, im Abstand von (2n - 1) · λ/4 von der zweiten Abstimm- und Anpassungsschaltung (12′) der zweiten Hochfrequenzleitung (14′) parallel geschaltet ist, wobei n eine natürliche Zahl ist, und λ die der Betriebs frequenz der jeweiligen Spule (10, 20) entsprechende Wellen länge in der jeweiligen Hochfrequenzleitung (14, 14′) bedeutet.

2. Meßkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und/oder zweite Schaltglied (18, 18′) durch ein Paar antiparallel geschalteter Dioden gebildet ist.

3. Meßkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und/oder zweite Schaltglied (18, 18′) durch einen aktiv steuerbaren Schalter, insbesondere einen Halbleiterschalter, gebildet ist.