DE3825525C2 - NMR-Abbildungsgerät - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein NMR-Abbildungsgerät mit einem LC-Resonanz-Sendekreis und einem LC-Resonanz-Empfangskreis.

Bei herkömmlichen NMR-Abbildungsgeräten wird ein Untersuchungsobjekt in ein homogenes und statisches Magnetfeld eingebracht. Eine Reihe von zeitabhängigen Magnetfeldern, sogenannte HF-Impulse mit einer Frequenz, die mit der gyromagnetischen Larmor-Frequenz der jeweiligen anzuregenden Atomkern-Nukleonen übereinstimmt, wird dann auf das Untersuchungsobjekt mittels einer HF-Sendespule eingestrahlt. Nach der Einstrahlung der HF-Impulse durchlaufen die Nukleonen einen Relaxationsprozeß. Dieser Prozeß wird über eine Empfängerspule als NMR-Signal erfaßt. Während dieser Abfolge von Anregung und Relaxation werden verschiedene magnetische Feldgradienten mittels Gradientenspulen auf das Untersuchungsobjekt eingestrahlt. Diese magnetischen Feldgradienten ermöglichen es dem Untersuchenden, die Lage der Nukleonen durch Analyse der NMR-Signale zu bestimmen. Dieser Vorgang wird mit verschiedenen magnetischen Feldgradienten (Zusatzfeldern) durchgeführt.

Die so gesammelten NMR-Signale werden analysiert um Informationen über die Dichteverteilung und die Relaxationszeiten der Nukleonen zu erhalten. Diese Informationen werden aufeinanderfolgend verwendet, um ein tomographisches Bild zu rekonstruieren. Hierbei finden Rechenprozesse verschiedenster Art Anwendung.

Im folgenden soll nun der typische Aufbau eines NMR-Gerätes beschrieben werden. Ein solches NMR-Abbildungsgerät weist folgendes auf (vergl. z. B. die 33 36 254 A1): Einen Magneten zur Erzeugung der statischen Magnetfeld, Gradientenspulen für die Erzeugung magnetischen Feldgradienten, eine HF-Verstärkereinheit zur Erzeugung von HF-Impulsen, einen Signalprozessor zur Verarbeitung der NMR-Signale und einen Anzeigeeinheit zur Anzeige der tomographischen Abbildungen. Die üblicherweise aus einem Paar sattelförmiger Spulen bestehende HF-Sendespule ist dabei mit einem Abstimmgerät verbunden, daß einen veränderlichen Kondensator enthält, um so einen LC-Resonanzkreis zu bilden und eine effektive Abstrahlung der HF-Impulse zu ermöglichen.

Der veränderliche Kondensator ist dabei erforderlich, um verschiedene Resonanzfrequenzen zu erzeugen, die sich bei verschiedenen Untersuchungsobjekten aufgrund von Streukapazitäten zwischen HF-Sendespule und dem Untersuchungsobjekt ergeben.

Zudem wird von der HF-Sendespule verlangt, daß sie starke HF-Impulse abgibt, um eine ausreichende Zahl von NMR-Anregungen zu induzieren. Somit müssen an den variablen Kondensator des Abstimmgerätes hohe Spannungen angelegt werden. Deshalb muß der variable Kondensator hochspannungsfest sein, das heißt, er muß hohe Spannungen aushalten können. Auch diesem Grund handelt es sich bei dem variablen Kondensator des Abstimmgerätes um einen sogenannten Hochlasttyp. Für die Einstellung der Kapazität dieses veränderlichen Kondensators ist eine kraftvolle Einstellvorrichtung erforderlich.

Die Spulen des LC-Resonanzkreises liegen dabei im Inneren der Magneten zur Erzeugung des statischen Magnetfeldes.

Daher müssen Einstellvorrichtungen für eine Verstellung des Hochlasttyps-Kondensators auch im Inneren des Magnetfeldes angeordnet werden, und in diesem starken Magnetfeld betreibbar sein. Demzufolge kann ein normaler Elektromotor nicht verwendet werden, da diese Motorenart in einem Magnetfeld nicht korrekt und zuverlässig arbeitet.

Die Einstellvorrichtung, die diesen Anforderungen gerecht wird, wurde in der Vergangenheit entweder manuell bedient oder durch einen Motor mit einem Eisenkern-Permanentmagneten, dessen Eisenkern entfernt wurde und bei dem somit das umgebende magnetische Feld die Rolle der Permanentmagneten einnahm. Eine derartige Anordnung ist in der DE 33 36 254 A1 beschrieben, bei der die Einstellvorrichtung aus einem eisenlosen Gleichstrommotor besteht. Der Rotor des Gleichstrommotors ist in dem Magnetfeld so angeordnet, daß die Rotordrehung aufgrund des Magnetfeldes als Statorfeld zustande kommt. Die Rotorachse des Rotors besitzt dabei keine besondere Ausrichtung zur Richtung des statischen Magnetfeldes bis auf die Tatsache, daß das Magnetfeld als Statorfeld auf den Rotor einwirkt. Wie oben beschrieben, wird mit diesem Gleichstrommotor eine Verstellung des Kondensators bewirkt. Die Verwendung eines derartigen eisenlosen Gleichstrommotors stört jedoch die Homogenität des Permanentmagnetfeldes und erzeugt elektrische Störungen.

Im Gegensatz dazu ist eine manuelle Einstellung des Kondensators mühsam, zeitaufwendig und fehlerbehaftet.

Um diese Probleme zu beseitigen, ist vom Erfinder der vorliegenden Erfindung eine Einstellvorrichtung mit einem Fluidmotor vorgeschlagen worden, wie in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 62-59 845 beschrieben ist. Diese Einstellvorrichtung mit Fluidmotor ermöglicht die Probleme der anderen oben beschriebenen Einstellvorrichtungen zu beseitigen und eröffnete die Möglichkeit einer automatischen Steuerung. Jedoch besitzt eine Einstellvorrichtung mit Fluidmotor nur eine begrenzte Genauigkeit und ein verzögertes Ansprechverhalten, daß von der Kompressibilität des Fluids verursacht wird. Dies hat zur Folge, daß eine Zeitverzögerung zwischen dem tatsächlichen Betrieb des Motors und dem Steuersignal der Sendeabstimmung aufgrund der Zeit für die Kompression des Fluids auftritt und somit die Genauigkeit einer Abstimmung begrenzt. Zusätzlich erzeugt ein Fluidmotor erheblichen Lärm, wenn es sich bei dem Fluid um ein hochkompressibles Medium, beispielsweise Luft, handelt. Wenn demgegenüber das Fluid ein Öl ist, können andererseits Undichtigkeiten auftreten, so daß ein Fluidmotor für die Verwendung als Einstellvorrichtung für den Kondensator ungeeignet ist.

In der DE 34 21 830 A1 ist eine weitere Möglichkeit einer Einstellvorrichtung für die Änderung der Resonanzfrequenz eines NMR-Abbildungsgerätes offenbart. Diese Einstellvorrichtung enthält eine dem statischen Magnetfeld des NMR-Gerätes ausgesetzte Spule, die an einen Stromimpulsgeber angeschlossen ist und durch die Stromimpulse aus ihrer Ruhelage ausgelenkt wird. Die hin- und hergehende Bewegung der Spule wird durch ein Schrittwerk in eine schrittweise Dreh- oder Schubbewegung umgesetzt, wodurch eine Abstimmung des Resonanzkreises über einen verstellbaren Drehkondensator erreicht wird. Auch dieses Vorgehen zur Abstimmung des Resonanzkreises, daß zusätzlich einen beträchtlichen Schaltungsaufwand erfordert, besitzt die oben beschriebenen Nachteile, da insbesondere der in die Spule eingeleitete Stromimpuls eine Beeinflussung der Homogenität des statischen Magnetfeldes zur Folge haben kann und elektrische Störungen erzeugt.

Die EP 0 201 412 A1 beschreibt eine Einstellvorrichtung, die mehrere Drehkondensatoren eines Resonanzkreises manuell zur Abstimmung verändert. Eine zusätzliche Frequenzabstimmung des Resonanzkreises wird erreicht, indem die Drehkondensatoren über Übertragungs-(Koaxial)-Kabel verbunden werden, deren Impedanzwerte einstellbar sind. Beide Möglichkeiten zur Einstellung der Resonanzfrequenz ermöglichen eine Einstellung der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises auf die Frequenz des zugeführten Signals.

In der US 4,019,073 ist ein piezoelektrischer Motor oder Ultraschallmotor beschrieben, bei dem der Stator und/oder der Rotor piezoelektrische Bauteile aufweist. Der piezoelektrische Motor besitzt keine Wicklungen und erzeugt beträchtliche Antriebsmomente, da der Stator und der Rotor gegeneinander gepreßt werden. Bei einer Verwendung eines derartigen piezoelektrischen Motors als Einstelleinrichtung für den Kondensator des Resonanzkreises in einem NMR-Abbildungsgerät können jedoch ähnliche Probleme wie bei den oben beschriebenen Motoren auftreten, das heißt, beim Betreiben des Motors in einem Magnetfeld können Wirbelströme auftreten, die Magnetfelder erzeugen, die die Homogenität des statischen Magnetfeldes stören können.

Zur Behebung der oben beschriebenen Nachteile der herkömmlichen Einstellvorrichtungen für den LC-Resonanz-Sendekreis eines NMR-Abbildungsgeräts, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein NMR-Abbildungsgerät der eingangsgenannten Art zu schaffen, bei dem eine sehr schnelle und sehr genaue Einstellung der Abstimmeinrichtungen des LC-Resonanz-Sendekreises ohne Beeinflussung der Meßgröße durch die Abstimmeinrichtungen erzielt wird.

Die vorliegende Aufgabe wird durch einem NMR-Abbildungsgerät mit einem LC-Resonanz-Sendekreis und einem LC-Resonanz-Empfangskreis gelöst, das die Merkmale des Patentanspruchs 1 umfaßt.

Da der Ultraschallmotor so angeordnet ist, daß die Rotationsachse parallel zur Richtung des statischen Magnetfeldes ausgerichtet ist, wird kein Einfluß auf die Homogenität des statischen Magnetfeldes ausgeübt, wohingegen dennoch eine große Antriebskraft zu Einstellung der Abstimmelemente, das heißt, der Kondensatoren des Resonanzkreises ermöglicht wird.

Bei der vorliegenden Erfindung ist es also möglich, mit der Abstimmeinrichtung eine Abstimmung schnell ansprechend und genau auch unter Einwirkung eines starken Magnetfeldes durchzuführen. Die Abstimmeinrichtung vermeidet dabei unerwünschte, wie oben beschriebene Nebeneffekte, nämlich die Störung des statischen Magnetfeldes, elektrische Störungen, Lärm oder Ölverlust. Diese Vorteile ergeben sich als unmittelbare Folge des Einsatzes der Ultraschallmotoren und deren Ausrichtung in dem statischen Magnetfeld. Als weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß die Abstimmeinrichtung automatisch geregelt werden kann, um so sehr schnell ansprechend und genau die Abstimmung durchzuführen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist ein zweites Abstimmgerät vorgesehen, das einen zweiten Ultraschallmotor für die Einstellung der Kapazität eines veränderlichen Kondensators des zweiten Abstimmgeräts für eine Empfängerspule aufweist. Der Rotor dieses Ultraschallmotors ist ebenso angeordnet, daß die Rotationsachse parallel zur Richtung des statischen Magnetfeldes ausgerichtet ist. Die verwendeten Ultraschallmotoren besitzen ein ausgezeichnetes Ansprechverhalten, sind lärmfrei und kompakt.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung unter Einbeziehung der dazugehörenden Zeichnungen hervor.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen NMR-Abbildungsgerätes.

Fig. 2 zeigt einen Längsquerschnitt eines statischen Magnetfeldbereichs mit Ultraschallmotor und Abstimmgeräten des NMR-Abbildungsgerätes aus Fig. 1.

Fig. 3, 4 und 5 zeigen perspektivische Ansichten eines Rotors eines Ultraschallmotors zur Verdeutlichung der auftretenden Wirbelströme und des auftretenden Drehmoments aufgrund der Wirbelströme.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen NMR-Abbildungsgerätes, das eine Sendespule 1 für die Abstrahlung von HF-Impulsen, ein Abstimmgerät 2 mit einem veränderlichen Kondensator 3 für den Aufbau eines Resonanzkreises mit der Sendespule 1, einen Ultraschallmotor 4 für die Einstellung des veränderlichen Kondensators 3, eine Empfängerspule 5 für die Erfassung der NMR-Signale, ein Abstimmgerät 6 mit einem veränderlichen Kondensator 7 für den Aufbau eines Resonanzkreises mit der Empfängerspule 5 und einen Ultraschallmotor 8 für die Einstellung des veränderlichen Kondensators 7 aufweist.

Ein Ultraschallmotor arbeitet aufgrund der Reaktion eines Rotors im Uhrzeigersinn entgegen dem Vorwärtsschreiten im Gegenuhrzeigersinn von Oberflächenwellen auf einem verformbaren Bereich eines Stators oder umgekehrt. Die Oberflächenwellen auf dem Stator werden durch Ultraschallschwingungen einer piezoelektrischen Keramik erzeugt, die auf dem verformbaren Bereich befestigt ist. Diese Motorenart ist daher in einem Magnetfeld voll funktionsfähig, besitzt ein ausgezeichnetes Ansprechverhalten, und ist nahezu lärmfrei und kompakt.

Das NMR-Abbildungsgerät umfaßt weiterhin einen Antrieb 9 für die Ultraschallmotoren 4 und 8, einen HF-Verstärker 10 für die Erzeugung der HF-Impulse, eine Regeleinheit 11 für die Regelung des Antriebs 9 und der RF-Verstärker 10, einen Signalprozessor 12 für die Verarbeitung der erfaßten NMR-Signale und eine Anzeige 13 für die Widergabe der tomographischen Abbildungen. Das Untersuchungsobjekt 14 wird von der Senderspule 1 und der Empfängerspule 2 umgeben. Die gestrichelten Linien kennzeichnen die Grenzen eines statischen magnetischen Feldbereichs.

Fig. 2 zeigt den statischen magnetischen Bereich aus Fig. 1 in dem NMR-Gerät, dargestellt in Fig. 1, das darüber hinaus einen Magneten 15 mit einer Bohrung zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes und Gradientenspulen 16 für die Erzeugung magnetischer Feldgradienten umfaßt. Das Abstimmgerät 2 und der Ultraschallmotor 4 sind mit Hilfe einer Tragachse 17 verbunden. Das Abstimmgerät 6 und der Ultraschallmotor 8 sind mit Hilfe einer Tragachse 18 verbunden. Die Pfeile B deuten die Richtung des statischen magnetischen Feldes an. Die Sendespule 1, die Empfängerspule 5 und die Gradientenspulen 16 sind alle innerhalb des statischen Magnetfeldes angeordnet. Zusätzlich ist es erforderlich, die Tragachsen 17 und 18 in Richtung B des statischen Magnetfeldes auszurichten. Der Grund dafür wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 3, 4 und 5 beschrieben.

Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen einen Rotor 19 des Ultraschallmotors 4. Das Bezugszeichen C kennzeichnet die Rotationsachse des Rotors 19, die mit der Mittelachse der Tragachse 17 aus Fig. 2 zusammenfällt, während das Bezugszeichen R die Richtung der Rotation des Rotors 19 angibt. Wie bereits oben deuten die Pfeile B die Richtung des statischen Magnetfeldes an.

Fig. 3 zeigt den Fall, bei dem die Rotationsachse C senkrecht zur Richtung B des statischen Magnetfeldes angeordnet ist. Die Rotation des Rotors 19 im statischen Magnetfeld hat hier eine Veränderung der magnetischen Flußdichte durch Querschnitte des Rotors 19 zur Folge. Da der Rotor 19 ein Leiter ist, hat dies Wirbelströme I zur Folge, wie z.B. in einem Querschnitt parallel zur Richtung B des statischen Magnetfeldes dargestellt, in dem die Wirbelströme maximale Größe haben. Die Wirbelströme treten darüber hinaus in allen Querschnitten mit Ausnahme des Querschnitts senkrecht zur Richtung B des statischen Magnetfeldes auf, und zwar mit einer sinusförmigen Abhängigkeit der Amplituden zwischen dem Maximum (parallel zu B) und dem Minimum (senkrecht zu B). Diese Wirbelströme I rufen Kräfte F am Rotor 19 hervor, wie in Fig. 3 dargestellt. Diese Kräfte F bewirken ein Drehmoment T in entgegengesetzte Richtung zur Drehrichtung R, wie in Fig. 4 dargestellt. Das Drehmoment T wirkt auf den Rotor 19 wie ein Reibmoment und beeinflußt dadurch die Rotationsbewegung des Rotors 19.

Fig. 5 zeigt die Anordnung bei dem Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen NMR-Abbildungsgeräts, bei der die Rotationsachse C parallel zur Richtung B des statischen Magnetfeldes ausgerichtet ist. Hier entstehen keine Wirbelströme, da keine Veränderung der magnetischen Flußdichte durch einen beliebigen Querschnitt während der Rotation des Rotors 19 auftritt. Es ist gleichzeitig offensichtlich, daß jede Anordnung zwischen diesen zwei beschriebenen Extremfällen ebenfalls Wirbelströme hervorruft.

Natürlich trifft dieselbe Anmerkung auch auf den Ultraschallmotor 8 zu. Demzufolge muß für eine entsprechende Anordnung des Ultraschallmotors 4 bzw. 8 Sorge getragen werden, um einen optimalen Betrieb sicherzustellen.

Im folgenden wird der Betrieb dieses speziellen Ausführungsbeispiels beschrieben. Zurückgehend auf Fig. 1 wird bei diesem Ausführungsbeispiel der HF-Übertragungsvorgang durch die Regeleinheit 11 ausgelöst, die die HF-Steuersignale dem HF-Verstärker 10 und Abstimmsteuersignale dem Antrieb 9 zuführt. Dadurch ausgelöst erzeugt der HF-Verstärker 10 HF-Impulse und führt sie der Sendespule 1 über das Abstimmgerät 2 zu, während der Antrieb 9 den Ultraschallmotor 4 antreibt. Der LC-Kreis aus dem variablen Kondensator 3 des Abstimmgeräts 2 und der Sendespule 1 wird so abgestimmt, daß er in Resonanz zur Frequenz der HF-Impulse gerät, und zwar durch den Betrieb des Ultraschallmotors 4 am veränderlichen Kondensator 3, so daß die Abstrahlung der HF-Impulse durch die Sendespule 1 mit optimalem Wirkungsgrad durchgeführt wird. Das schnell ansprechende und genaue Durchführen dieser Abstimmung ist möglich aufgrund der Eigenschaften des Ultraschallmotors 4, wie oben beschrieben, selbst wenn die gesamte Abstimmvorrichtung sich in einem statischen Magnetfeld aufhält.

Die NMR-Signale, die durch die Einstrahlung der HF-Impulse auf das Untersuchungsobjekt 14 hervorgerufen werden, werden durch die Empfängerspule 5 erfaßt. Auch die Erfassung wird mit optimalem Wirkungsgrad mit Hilfe des Abstimmgeräts 6 durchgeführt, das die Empfängerspule 5 auf die NMR-Signale durch den Betrieb des Ultraschallmotors 8 am veränderlichen Kondensator 6 abstimmt. Die erfaßten NMR-Signale werden dann dem Signalprozessor 12 zugeführt.

Der Signalprozessor 12 analysiert die NMR-Signale und rekonstruiert ein tomographisches Bild. Die tomographischen Bilddaten werden in Form von Bildsignalen der Anzeige 13 zugeführt. Zur gleichen Zeit verarbeitet der Signalprozessor auch die NMR-Signale, um sie der Regeleinheit 11 zugänglich zu machen und bewerkstelligt so die Rückführung zur Regeleinheit 11. Die Rückführung wird durchgeführt für die fortwährende Regelung, um einen zufriedenstellenden Betrieb aufrechtzuerhalten.

Als weitere Modifikation des Ausführungsbeispiels ist es auch möglich das Abstimmgerät 6 und den Ultraschallmotor 8 des obigen Ausführungsbeispiels durch eine getrennte Abstimmeinheit, die angepaßt an die speziellen Beschaffenheiten der Empfängerspule 5 ausgelegt ist, zu ersetzen.

Claims (2)

1. NMR-Abbildungsgerät mit einem LC-Resonanz-Sendekreis und einem LC-Resonanz-Empfangskreis, mit

• - einem Magneten (15) zur Erzeugung des statischen Magnetfeldes,
• - Gradientenspulen (16) für die Erzeugung von magnetischen Feldgradienten,
• - Abstimmeinrichtungen, die wenigstens ein Abstimmgerät (2) mit einer Sendespule (1) umfassen,
• - einem Ultraschallmotor (4) für die Einstellung der Kapazität eines veränderlichen Kondensators (3) des Abstimmgerätes (2) für die Sendespule (1), wobei der Ultraschallmotor (4) einen Rotor (19) aufweist und so angeordnet ist, daß die Rotationsachse (C) des Rotors (19) parallel zur Richtung (B) des statischen Magnetfeldes ausgerichtet ist, das den Ultraschallmotor (4) umgibt,
• - eine HF-Verstärkereinrichtung (10) zur Erzeugung von HF-Impulsen,
• - eine Antriebseinheit (9) zum Antrieb des Ultraschallmotors (4),
• - eine Regeleinheit (11) zur Regelung der HF-Verstärkereinheit (10) und der Antriebseinheit (9);
• - einem Signalprozessor (12) zur Verarbeitung der NMR-Signale,
• - einer Anzeigeeinheit (13) zur Anzeige der tomographischen Abbildungen.

2. NMR-Abbildungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Abstimmgerät (6) vorgesehen ist, das einen zweiten Ultraschallmotor (8) für die Einstellung der Kapazität eines veränderlichen Kondensators (7) des zweiten Abstimmgerätes (6) für eine Empfängerspule (5) aufweist, dessen Rotor (19) so angeordnet ist, daß die Rotationsachse (C) des Rotors (19) parallel zur Richtung (B) des statischen Magnetfeldes ausgerichtet ist, das den zweiten Ultraschallmotor (8) umgibt.