FI73320C - Nmr-spolarrangemang. - Google Patents

Description

73320 NMR-KELAJÄRJESTELY - NMR-spolarrangemang

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 mukainen rf-kelajärjestely NMR-tutkimuksia varten.

Ydinmagneettinen resonanssi (NMR = Nuclear Magnetic 5 Resonance) on eräillä atomiytimillä esiintyvä ilmiö, jota on käytetty paljon mm. kiinteän aineen fysiikan, kemian ja biologian tutkimuksessa. Uusin NMR:n sovellutusala on NMR-kuvaus, jolloin tutkittavan kohteen (esim. ihmiskehon) NMR-parametrien jakautumasta muodostetaan kartta, jolla on 10 käyttöä esim. lääketieteessä.

NMR-tutkimuksessa lähetetään staattisessa magneettikentässä olevaan kohteeseen rf- (= radiotaajuus) pulssi, jonka taajuus on lähellä tutkittavan ytimen nk. resonanssi-15 taajuutta ja jonka suunta on pääasiassa kohtisuorassa staat tiseen magneettikenttään nähden. Tämä pulssi virittää halutut ytimet saaden ne prekessoimaan staattisen magneettikentän ympäri. Tämä prekessio indusoi vastaanotinkelaan NMR-singaa-lin, josta halutut parametrit voidaan laskea.

20 NMR-tutkimuslaitteessa on aina lähetin- ja vastaanotinkelat, jotka voivat olla erillisiä tai yksi ja sama kela. NMR-kuvauksessa tutkittava kohde sijoitetaan yleensä vastaan-otinkelan sisään alueelle, jolla rf-kenttä on mahdollisim-25 man homogeeninen, jotta kohteen kaikki osat painottuisivat samalla tavoin ja saatava kuva olisi luotettava.

Usein ollaan kuitenkin kiinnostuneita pienestä osasta suurempaa kohdetta. Tyypillisiä esimerkkejä ovat silmän tai 30 korvan alue ihmiskehossa, kehon ulkokerrokset kemiallisia siirtymiä mitattaessa jne. Tällöin on edullista käyttää vastaanotinkelaa, joka on herkkä kyseiseltä alueelta peräisin olevalle signaalille. Koska indusoituva signaali on kääntäen verrannollinen etäisyyteen vastaanotinkelan 35 johtimista, tämä saadaan aikaan käyttämällä pientä vastaan otinkelaa, joka voidaan viedä lähelle tutkittavaa kohdetta.

2 73320 Tätä tunnettua ratkaisua, nk. pintakelaa, voidaan käyttää joko sekä lähettimenä että. vastaanottimena, tai pelkästään vastaanottimena, jolloin viritys suoritetaan isommalla, homogeenisen rf-kentän muodostavalla lähetinkelalla.

5 Useimmiten pintakelaa käytetään NMR-kuvaussysteemissä, jolla halutaan suorittaa myös koko kehon (tai pään) kuvausta. Tällöin on pintakelan käyttöön siirryttäessä tehtävä ainakin seuraavat toimenpiteet: (1) pintakela on yhdistettävä systeemin vastaanottoelektroniikkaan, (2) jos lähetinkelana 10 käytetään varsinaisen systeemin lähetin/vastaanotinkelaa, on sen kytkeytyminen pintakelaan estettävä signaalin detek-toinnin ajaksi, (3) jos pintakela toimii myös lähettimenä, on se kytkettävä varsinaisen systeemin lähetinelektroniik-kaan (myös tällöin on kytkeytyminen varsinaisen systeemin 15 lähetin/vastaanotinkelaan estettävä).

Pintakelan liittäminen vastaanottoelektroniikkaan tehdään yleensä siten, että pintakelalla on oma esivahvistimensa ja signaali liitetään varsinaiseen systeemiin vahvistin/ 20 sekoitin-ketjun myöhemmässä vaiheessa. Tässä liitännässä laitteiston kohinaominaisuuksien optimointi vaatii melkoista tarkkuutta; ulkoisten häiriöiden torjunta on NMR-kuvauk-sessa erittäin merkityksellistä.

25 Lähetin- ja vastaanotinkelajärjestelyissä käytetään lähes aina viritettyjä piirejä. Edellä kuvatussa tapauksessa pintakelan ja varsinaisen systeemin lähetin/vastaanotin-kelan välille syntyy kytkentä, joka häiritsee mittausta. Kytkennän estämiseksi voidaan pintakela asettaa ortogo-3Q naaliseksi varsinaiseen kelaan nähden (herkkä liikkeille), tai varsinaisessa kelassa saattaa olla kytkentä, jolla virityspiiri katkaistaan signaalin vastaanoton ajaksi.

Edellä luetellut seikat mutkistavat pintakelan käyttöä 35 NMR-kuvauksessa. Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada uusi rf-kelajärjestely, jossa näitä vaikeuksia ei ole ja 73320 jonka liittäminen valmiiseenkin NMR-kuvauslaitteeseen on erittäin yksinkertaista. Tätä järjestelyä voidaan käyttää esimerkiksi silmän, korvan tai jonkin muun isomman kokonaisuuden osa-alueen NMR-kuvaukseen, kemiallisten siirty-5 mien mittaamiseen yms. Keksintö ei rajoitu pelkästään pinta- kelalle tyypillisiin tapauksiin, vaan tutkittava kohde voi olla kokonaan tai osittain kelan sisällä (esim. käsivarsi).

Mainittuihin tavoitteisiin päästään patenttivaatimuksessa 10 1 esitetyllä kelajärjestelyllä, jossa varsinaisen vastaan- otinkelan lisäksi käytetään toista kelastoa, joka on täysin erillinen muusta systeemistä ja joka asetetaan tutkittavan kohteen läheisyyteen.

15 Seuraavassa keksintöä kuvataan tarkemmin, viitaten oheiseen piirustukseen, jossa - kuvio 1 esittää tyypillistä keksinnön mukaista NMR-kuvaus-jär jestelyä, 20 - kuvio 2a esittää keksinnön mukaisessa järjestelyssä lähetin/vastaanotinkelan synnyttämää kenttää vastaanoton yhteydessä ja 2b lähetyksen yhteydessä, 25 - kuviot 3a ja 3b esittävät eri tapoja vähentää lähetyksen aikaisen rf-kentän häiriintymistä, - kuvio 4a esittää erästä keksinnön mukaisen rf-kelajärjestelyn sähköistä kytkentää ja kuva 4b tämän sijaiskytkentää.

30 - kuvio 5 esittää erästä keksinnön mukaista mahdollista kela-järjestelyä.

Keksinnön mukaisessa kelajärjestelyssä voidaan lähetyksessä 35 ja vastaanotossa käyttää aivan samoja osia kuin varsinai sessa systeemissä. Kuviossa 1, jossa esitetään tyypillinen keksinnön mukainen järjestely, näitä ovat magneetti 1, lähetin/vastaanotinkela 2, sovituspiiri 3, rf-tehovahvistin 4, j eeivahvistin 5. Ainoa poikkeavuus normaaliin systeemiin on ! j i i } 73320 apukela 6, joka on asetettu tutkittavan kohteen (tässä tapauksessa silmän) välittömään läheisyyteen.

Keksintö perustuu aikaisemmin mainittuun kahden kelan 5 väliseen keskinäiseen kytkentään. Tätä voidaan tarkas tella lähtien siitä, minkälaisen rf-kentän vastaanotin-kela synnyttää, kun sen sisälle asetetaan samalle taajuudelle viritetty apukela. Tilannetta on hahmoteltu kuviossa 2a. Magneettivuo pyrkii kulkemaan apukelan 10 läpi, sitä enemmän mitä suurempi hyvyysluku Q apukelalla on, jolloin magneettivuon tiheys (B) apukelan lähellä on suuri. Resiprookkiperiaatteen nojalla on vastaanotinkelaan indusoituva NMR-signaali 15 e = - 1^· (^ . M) (1), missä M- on prekessoivien ytimien muodostama ydinmagnetoi-tuminen, Βχ vastaanotinkelan yksikkövirralla kohdealueelle synnyttämä magneettivuon tiheys ja e vastaanotinkelan päiden 20 yli syntyvä sähkömotorinen voima. Näin ollen kuvion 2a tapauksessa apukelan läheisyydestä peräisin oleva NMR-signaali on suurempi kuin se olisi ilman apukelaa. Jos vastaanotinkelan ja apukelan viritykset eivät vaikuta toisiinsa, Βχ ja samalla signaali e vahvistuvat Q-kertaiseksi (Q = apukelan hyvyys-25 luku); käytännössä näin ei ole, vaan vahvistus on pienempi ja riippuu järjestelyn geometriasta.

Jotta apukela ei lähetyksen aikana vaikuttaisi rf-kenttään, voidaan apukelan rinnalle kytkeä ristikkäiset diodit ϋχ ja 30 D2 kuvion 3a mukaisesti. Useissa NMR-mittaussekvensseissä rf-pulssin korkeus on kriittinen, ja tällöin on parempi käyttää kuvion 3b mukaista kytkentää. Rf-pulssin lähetyksen aikana apukelaan Ιιχ indusoituu jännite, joka on paljon suurempi kuin diodien ϋχ ja D2 kynnysjännite. Tällöin 35 kondensaattori Cx ja kela L^, jonka induktanssi on yhtä suuri kuin kelalla Ι,χ, muodostavat rinnakkaisresonanssi-piirin, joka kelan Ι,χ päistä näkyy suurena impedanssina. Tällöin kelassa Lx kulkeva virta on pieni eikä vaikuta oleellisesti lähetyskenttään (kuvio 2b). NMR-signaali on

II

73320 aina diodien kynnysjännitettä paljon pienempi, joten tällöin rinnakkaisresonanssipiirin muodostavat kela Li ja kondensaattori Ci. Apukelan vaikutusta lähetyskenttään voidaan toisaalta käyttää myös hyväksi. Tämä perustuu siihen, että 5 sopivasti epähomogeenisella lähetyskentällä voidaan virittää esimerkiksi vain tietyllä, rajatulla alueella olevat atomiytimet.

Tarkastellaan kuvion 4a mukaista kelajärjestelyä, jolla kuva-10 taan kahden resonanssipiirin välistä keskinäistä kytkentää.

Kelan Li, jonka hyvyysluku on Q]_, ja kelan L2, jonka hyvyys-luku on Q2, keskinäisinduktanssi on M = k VliL21 (2), 15 missä k on kytkentäkerroin kelojen välillä. Kondensaattorit ja C2 muodostavat rinnakkaisresonanssipiirit kelojen Li ja L2 kanssa. Kelaan Li indusoituva sähkömotorinen voima on e ja taajuus £0.

20 Jännite, joka kondensaattorin C2 yli muodostuu, saa maksiminsa, kun k^ = l/Qi*Q2 ja molemmat resonanssipiirit on viritetty samalle taajuudelle fo, ja on v2 ^ 2 * *^Q1Q* e' (3 )

Kun kytkentä siis on pieni, vastaanotinkelaan indusoituva NMR-signaali on saunaa suuruusluokkaa kuin normaalia pinta-20 kelakytkentää käytettäessä saatava signaali V = Qi e.

Samantapainen tarkastelu voidaan tehdä myös tapauksessa, i jossa vain toinen kuvion 4a piireistä muodostaa resonanssi- i piirin. Myös tällöin kelaan Li indusoitunut signaali 35 kytkeytyy kelaan L2, jos järjestely on muutoin sopiva. j

Edellä olevat piiritarkastelut eivät ole täydellisiä NMR- mittauksen kannalta, vaan lähinnä suuntaa-antavia. Niissä | ! 6 73320 ei esimerkiksi voida ottaa huomioon kelojen synnyttämän radiotaajuisen magneettikentän geometrian vaikutusta. Tämä puolestaan riippuu erittäin monimutkaisella tavalla mittausjärjestelmästä. Lisäksi oleellinen suure NMR-mittauksessa 5 ei ole signaalin suuruus, vaan signaali-kohinasuhde.

Keksintö ei rajoitu pelkästään yhden apukelan käyttöön, vaan näitä voi olla useampia, jotka ovat erillisiä tai saman virityspiirin eri osia. Esimerkiksi mittauksissa, jossa 10 kohteen koko vaihtelee, voidaan apukelojen avulla kytkentää kiinteään vastaanotinkelaan parantaa.

Kuviossa 5 on esitetty eräs tällainen sovellutusmahdollisuus. NMR-mittauslaitteiston lähetin/vastaanotinkelan 2 15 lisäksi järjestelyyn kuuluvat toiset kelavälineet. Näihin kelavälineisiin kuuluu kaksi kelaa 6a ja 6b, jotka asetetaan tutkittavan kohteen molemmin puolin siten, että kuvion 2a tapaan syntyvä rf-kenttä vastaanoton aikana on riittävän homogeeninen tutkittavalla alueella. Kohteena voi olla esi-20 merkiksi käsi, jalka, pää tms. Mainitut kaksi kelaa voidaan lisäksi konstruoida sellaisiksi, että niiden keskinäistä etäisyyttä on mahdollista muuttaa signaalin kytkeytymisen optimoimiseksi.

(I

Claims (13)

1. NMR-tutkimuslaitteistoon NMR-informaation keräämiseksi tutkittavasta kohteesta tarkoitettu kelajärjestely, johon 5 kuuluu ensimmäiset kelavälineet (2) kohdealueen ytimien virittämiseksi ja kohdealueen ytimien emittoiman signaalin vastaanottamiseksi, tunnettu siitä, että järjestelyyn kuuluu lisäksi toiset kelavälineet (6) kohteen rajatun osan emittoiman signaalin mainittuihin en-10 simmäisiin kelavälineisiin kytkeytymisen parantamiseksi suhteessa kohteen muun osan emittoiman signaalin kytkeytymiseen nähden.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kelajärjestely, t u n -15 n e t t u siitä, että mainitut toiset kelavälineet (6) sisältävät resonanssipiirin (L·^, C^) , joka on ainakin osan aikaa viritetty siten, että sen resonanssitaajuus on mieluimmin sama kuin emittoituvan signaalin taajuus.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen kelajärjestely, tun nettu siitä, että mainittujen toisten kelavälineiden (6) vaikutuksen vähentämiseksi mainittujen ensimmäisten kelavälineiden (2) synnyttämään rf-kenttään atomiytimiä viritettäessä toisiin kelavälineisiin (L^, C^) on kytketty 25 erityiset välineet niiden resonanssitaajuuden muuttamiseksi virityksen yhteydessä.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen kelajärjestely, tunnettu siitä, että mainitut erityiset välineet muodos- 30 tuvat apukelan (L^) rinnalle kytketystä sopivasta impedanssista sekä sen kanssa sarjassa olevasta kytkennästä, jolle on ominaista se, että se alkaa oleellisesti johtaa vasta kun apukelaan (L^) indusoituva jännite ylittää tietyn kynnysarvon. 35

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen kelajärjestely, tunnettu siitä, että mainittu kytkentä muodostuu ristikkäisistä diodeista (D^, D2)· 8 73320

6. Patenttivaatimuksen 4 mukainen kelajärjestely, tunnettu siitä, että mainittu sopiva impedanssi (L3) on puhtaasti induktiivinen ja samansuuruinen toisiin ke-lavälineisiin kuuluvan kelan (L^) induktanssin kanssa. 5

7. Patenttivaatimuksen 2 mukainen kelajärjestely, tunnettu siitä, että mainittuihin toisiin kelavälinei-siin kuuluu erityinen kytkentä, jonka avulla mainittu resonanssipiiri voidaan katkaista lähetyksen ajaksi. 10

7 73320

8. Patenttivaatimuksen 2 mukainen kelajärjestely, tunnettu siitä, että mainittuihin toisiin kelavälinei-siin kuuluva kela (6) on sähköisesti ortogonaalinen ato-miytimiä virittämään tarkoitetun kelan (2) suhteen. 15

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen kelajär-jestely, tunnettu siitä, että toisiin kelaväli-neisiin (6) kuuluu useita keloja (6a, 6b), jotka ovat erillisiä tai saman piirin osia. 20

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen kelajärjestely, tunnettu siitä, että mainittuihin toisiin kela-välineisiin kuuluu kaksi kelaa (6a, 6b), jotka on asetettu tutkittavan kohteen, esimerkiksi jalan, käden tai pään 25 eri puolille siten, että NMR-signaalin kytkeytyminen mainittuihin ensimmäisiin kelavälineisiin tutkittavan alueen eri osista olisi riittävän samansuuruinen (kuvio 5).

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen kelajärjestely, 30 tunnettu siitä, että mainittuihin toisiin kela-välineisiin kuuluvien kahden kelan (6a, 6b) keskinäistä etäisyyttä voidaan joustavasti muuttaa tutkittavan kohteen suuruuden mukaan.

12. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen kela- järjestely, tunnettu siitä, että mainitut ensimmäiset kelavälineet (2) koostuvat erillisistä lähetys- ja : vastaanottokeloista. Il 9 73320

13. Jonkin patenttivaatimuksen 1-11 mukainen kelajärjestely, tunnettu siitä, että mainitut ensimmäiset kelavälineet (2) sisältävät kelan, joka toimii sekä lähetys- että vastaanottokelana. 73320 10