DE69733451T2

DE69733451T2 - Unterdrückung von Strahlungsdämpfung in NMR

Info

Publication number: DE69733451T2
Application number: DE69733451T
Authority: DE
Inventors: Weston A. Palo Alto Anderson
Original assignee: Varian Inc
Current assignee: Varian Inc
Priority date: 1996-08-09
Filing date: 1997-08-01
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2017-08-02
Also published as: DE69733451D1; EP0823640A2; JPH1090384A; US5767677A; EP0823640B1; CA2212615A1; EP0823640A3

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung ist im dem Gebiet der NMR-Sonden-Technologie und sie betrifft hauptsächlich die Verringerung von Strahlungsdämpfungseffekten auf NMR-Messungen hin.
TECHNISCHER HINTERGRUND
In einem NMR-Experiment rufen kohärente periodische kollektive Bewegungen von Kernspins einen HF-Strom in der umgebenen Sondenspule hervor. Dieser Strom in der Sondenspule legt wiederum ein HF-Magnetfeld auf diese Kernspins an. Dieser Typ von Effekt ist in einem technischen Gebiet als „Strahlungsdämpfung" bekannt. Eine übliche Bestätigung der Strahlungsdämpfung tritt für den Fall von Flüssigkeiten in der Form einer Verbreiterung der Lösungsmittellinie auf. In der Zeitdomäne wird die Zeitkonstante des freien Induktionsabfallsignals durch den Strahlungsdämpfungseffekt merkbar verkürzt.
In dem Stand der Technik, wie beispielsweise in P. Broekaert, J. Jeener „Suppression of Radiation Damping in NMR ..." J. Magn. Res., Ser. A 113, 60–64 (1995) beschrieben ist, ist es bekannt Strahlungsdämpfungseffekte durch Ableiten eines negativen Rückkopplungssignals von dem Ausgang des gebräuchlichen HF-Verstärkers und Anwenden dieses Signals mit einer geeigneten Phasenverschiebung an die Sondenspule zu unterdrücken. In dieser Weise kann das Signal, das durch die periodischen Bewegungen der Kernspins in der Spule induziert wird, im Wesentlichen ausgelöscht werden. Ein Ergebnis von diesem herkömmlichen Ansatz ist die Verringerung von sämtlichen Signalen und dem zugehörigen Rauschen um einen Faktor (in Bezug auf die Schleifenverstärkung für die Rückkoppelungsschleife).
In den Zeichnungen zeigen:
1 ein typisches NMR-Instrument, in das die vorliegende Erfindung eingebaut ist;
2 eine schematisierte Darstellung einer NMR-Sonde der vorliegenden Erfindung; und
3 eine schematisierte Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
Gemäß der Erfindung ist ein NMR-Instrument vorgesehen, umfassend:
einen Polarisationsmagnet,
eine Quelle mit einer HF-Erregungsenergie, um in einer Probe eine Resonanz zu erregen, und einen HF-Empfänger zum Empfangen von Resonanzsignalen von der Probe und einen Prozess wird zum Ableiten von spektraler Information von den Signalen,
eine HF-Sonde zum Anlegen der HF-Erregungsenergie an eine Probe, um einen Resonanzzustand darin hervorzurufen, und zum Empfangen des HF-Resonanzsignals, das von der Probe emittiert wird,
wobei die Sonde umfasst:
eine Sondenspule, die entlang einer ersten Sondenachse ausgerichtet und um die Probe herum zum Empfangen des Signals von der Probe angeordnet ist,
eine Kopplungsschaltung, die angeordnet ist, um das Signal für eine nachfolgende Verarbeitung weiterzugeben und zum Teilen des Signals, um einen Abschnitt bzw. einen Teil davon als ein Korrektursignal zu definieren,
einen Phasenschieber, der auf das Korrektursignal hin arbeitet, um ein Rückkopplungssignal zu erzeugen,
gekennzeichnet durch eine zweite Sondenspule, die entlang einer Achse orthogonal zu der ersten Sondenachse ausgerichtet ist und die Probe umgibt, wobei die zweite Sondenspule mit dem Phasenschieber verbunden ist, um dadurch das Rückkopplungssignal auf der Probe aufzuprägen.
Ferner ist ein Verfahren vorgesehen, welche die Schritte umfasst, die in dem Anspruch 1 definiert sind.
Bezugnehmend nun auf 1 ist dort ein typisches NMR-Instrument gezeigt, das den Kontext für den Betrieb der vorliegenden Erfindung bildet. Abschnitte eines typischen NMR-Datenaufnahmeinstruments sind schematisch in 1 dargestellt. Ein Aufnahme/Steuerprozessor 10 kommuniziert mit einem HF-Sender 12, einem Modulator 14 und einem Empfänger 16, der einen Analog-zu-Digital-Wandler 18 und einen weiteren digitalen Prozessor 20 einschließt. Die modulierte HF-Leistung bestrahlt ein Objekt 23 in einem Magnetfeld 21, durch einen Sondenaufbau 22 und eine Antwort des Objekts wird durch den Sondenaufbau 22 abgefangen, der mit dem Empfänger 16 kommuniziert. Die Antwort nimmt typischerweise die Form einer transienten Timedomänen-Wellenform oder einen freien Induktionsabfall an. Diese transiente Wellenform wird bei regelmäßigen Intervallen abgetastet und Abtastwerte werden in dem ADC 18 digitalisiert. Die digitalisierte Zeitdomänen-Wellenform wird dann einer weiteren Verarbeitung in dem Prozessor 20 unterzogen. Die Art einer derartigen Verarbeitung kann eine Mittelung der Zeitdomänen-Wellenform über einer Anzahl von ähnlichen derartigen Wellenformen einschließen und eine Transformation der gemittelten Zeitdomänen-Wellenform in die Frequenzdomäne ergibt eine spektrale Verteilungsfunktion, die an einer Ausgabeeinrichtung 24 gerichtet wird. Alternativ kann dieser Prozedur somit mit einer Veränderung von irgendeinem anderen Parameter wiederholt werden und die Transformation (die Transformationen) aus dem Datensatz kann (können) irgendeiner Anzahl von Identitäten für eine Anzeige oder eine weitere Analyse annehmen.
Das Magnetfeld 21 ist parallel zu der z. Achse ausgerichtet, was die Probe polarisiert und die Larmor Frequenz davon definiert, und es wird durch eine geeignete Einrichtung eingerichtet, die nicht gezeigt ist. Eine Sattelspule (Sattelspulen) 19 wird (werden) verwendet, um eine gewünschte räumliche und zeitliche Abhängigkeit des Magnetfeldes aufzuerlegen.
2 zeigt eine Rückkoppelungsanordnung der vorliegenden Erfindung. Die Resonanzschaltung 30 umfasst eine Sondenspule 42, die gewöhnlicherweise so angeordnet ist, dass sie die Probe 32 umgibt und diese Spule weist eine gut definierte Achse X auf. Wenn eine Resonanz in der Probe 32 erregt wird, wird ein zirkulierender Strom, der dieses Signal darstellt, in der Resonanzschaltung 30 aufgebaut und dieses Signal wird durch eine Ausgangskopplungsschaltung 34 an einen Vorverstärker 36 gekoppelt. Eine induktive gekoppelte Schaltung ist dargestellt, aber eine andere Kopplung ist in dem technischen Gebiet altbekannt. Das verstärkte Signal mit dem begleitenden Rauschen wird in dem Netzwerk 38 aufgesplittet und der Hauptteil des Signals wird in Richtung auf den HF-Empfänger hingerichtet. Ein Teil, der durch das Splitternetzwerk 38 definiert wird, wird durch den Phasenverschieber 40 in der Phase verschoben und das phasenverschobene, sich ergebene Signal, nämlich das „Rückkopplungs-Signal, wird in Richtung auf die Induktivität L3 hin gerichtet, die eine Achse Y orthogonal zu der X Achse der Spule 42 aufweist. Die Spule 44 ist lose mit der Probe 32 gekoppelt, wobei Felder entlang der Y-Achse innerhalb der Probe 32 erzeugt werden.
Als Folge der Kreiselbewegung der Kernspins der Probe wird ein Strom in der Spule 42 induziert, was wiederum ein Feld B₁ = B_xu_xcosωt erzeugt (wobei u_x ein Einheitsvektor ist), und zwar entlang der x Achse 50 der Probe 32, die physikalisch in dem Innenraum der Spule 42 enthalten ist.
Das periodische Feld B₁, das auf die Probenspins wirkt, kann in zwei sich entgegensetzt drehende Felder zerlegt werden: B(+) 1/2 = BX(uXcosωt + uYsinωt)/2 B(–) 1/2 = BX(uXcosωt + uYsinωt)/2
Die Kernspins mit der Kreiselbewegung sprechen physikalisch auf eine der obigen Feldkomponenten an, z.B. auf diejenige Komponente, die sich in dem gleichen Sinn wie die Kernspin-Kreiselbewegung dreht, zum Beispiel B⁽⁺⁾ _1/2. Die andere Komponente B^(–) _1/2 hat nur einen Effekt mit höherer Ordnung auf die Spins und kann für die Zwecke dieser Erläuterung mit Sicherheit vernachlässigt werden.
Es sei nun der Teil des Signals betrachtet, das von dem Vorverstärker 36 ausgegeben wird und das durch Splitternetzwerk 38 an den Phasenschieber 40 gerichtet wird. Die Amplitude des Teils ist durch dieses Splitternetzwerk wählbar und die Phase wird eingestellt, um ein Signal von der Spule 46, –B_Xsinωt zu erzeugen. Dieses Feld kann ebenfalls in zwei sich entgegengesetzt drehende Komponenten zerlegt werden: B'(+) 1/2 = –BX(uXcosωt + uYsinωt)/2 B'(–) 1/2 = –BX(uXcosωt + uYsinωt)/2
Der erste der obigen Ausdrücke ist in dem gleichen Sinn wie die Kerne mit der Kreiselbewegung und kombiniert mit dem obigen B⁽⁺⁾ _1/2 erzeugt er eine Null, während die anderen Komponenten keinerlei Effekt auf die Kerne mit der Kreiselbewegung haben. Somit wird der reaktive Effekt der Spins auf sich selbst ausgelöscht. Man beobachtet, dass die Rückkoppelung in der vorliegenden Erfindung zurück an die Probe gekoppelt wird und nicht an die Spule.
Für den Fall der vorliegenden Erfindung, sowie für die Sondenspulen-Rückkoppelungsanordnung des Standes der Technik, wie P. Broekaert, J. Jeener: „Suppression of Radiation Damping in NMR ...", J. Magn. Res., Series A, 113, 60–64 (1995), wird eine Oszillation durch eine gewissenhafte Aufmerksamkeit auf Phasenverschiebungen um die Schleife herum vermieden. Deshalb wird ein Signal mit dem gleichen Sinn (in Bezug auf das Signal, das durch das Splitternetzwerk verarbeitet wird) vermieden (positivere Kopplung). Der Phasenschieber 40 stellt einen adäquaten Bereich einer Phasenverschiebung bereit, um das Unerwünschte zu vermeiden, und um die gewünschte Phaseverschiebung zu erreichen, um die optimale Kompensation zu erzeugen. In einigen Fällen kann der kumulative Effekt von Phasenverschiebungen, die über der gesamten Schleife auftreten, ausreichen, um den erforderlichen Effekt anstellte eines diskreten Phasenschiebers 40 bereit zu stellen.
Viele Modifikationen und Variationen sind innerhalb der Erfindung möglich, wie in den Ansprüchen definiert. Zum Beispiel könnte die Spule 42 mit dem Vorverstärker 36 elektrisch und nicht magnetisch gekoppelt werden, wie in den 2 und 3 gezeigt. Obwohl die Erfindung so beschrieben wurde, wie sie auf eine Fourier-Transformation (FT) angewendet wurde, kann die NMR auf Typen eines NMR-Spektrometers angewendet werden. In der FTNMR wird ein kurzer Impuls von dem Sender verwendet, um eine Resonanz zu erregen. Andere Formen einer Erregung umfassen eine Breitbanderregung unter Verwendung einer Zufalls- oder Pseudozufalls-Impulssequenz und eine Erregung mit einer kontinuierlichen Welle (Continuous Wave; CW). Es sei darauf hingewiesen, dass sämtliche derartigen Variationen und Modifikationen für einen Durchschnittsfachmann in dem technischen Gebiet offensichtlich sein werden.

Claims

Verfahren zum Verringern von Strahlungsdämpfungsphänomenen in einem NMR Instrument mit einer Erregungsspule zum Hervorrufen einer Resonanz in einer Probe, einer Sondenspule, auf die ein Signal von der sich in Resonanz befindlichen Probe induziert wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Zuführen einer HF-Energie an die Erregungsspule, um die Probe in einen Resonanzzustand zu bringen, (b) Induzieren eines HF-Signals, das von den Resonanzkernen der Probe herrührt, auf die Sondenspule und Richten dieses HF-Signals an einen Verstärker, wobei das Signal in der Sondenspule ein Feld B₁ erzeugt, (c) Verstärken des HF-Signals und Aufteilen des Signals, um einen Teil davon zu erhalten, um ein Korrektursignal zu erhalten, (d) Phasenverschieben des Korrektursignals um einen gewählten Winkel, um ein Rückkopplungssignal zu erhalten, (e) Koppeln des Rückkopplungssignals an die Probe, dadurch gekennzeichnet, das wenigstens eine Komponente eines Felds des Rückkopplungssignals, kombiniert mit wenigstens einer Komponente des Felds B₁ einen Null-Effekt erzeugt, wodurch keine Kopplung des Rückkopplungssignals zu der Sondenspule vorhanden ist, und wobei der Schritt zum Koppeln des Rückkopplungssignals an die Probe ein Anordnen einer Rückkopplungsspule orthogonal zu der Achse der Sondenspule und ein Verbinden des Rückkopplungssignals mit der Rückkopplungsspule umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Erregungsspule auch als eine Sondenspule dient.
NMR Sonde (22, 42) zum Kompensieren von Strahlungsdämpfungseffekten auf NMR Messungen einer gewählten Probe (32), umfassend: eine Sondenspule mit einer ersten Achse zum Empfangen eines HF-Signals von der Probe, eine Aufteilungsschaltung zum Ableiten eines Korrektursignals von dem HF-Signal, einen Phasenschieber zum Ändern des Phasenwinkels des Korrektursignals, um ein Rückkopplungssignal zu erhalten, und eine Rückkopplungsspule, die mit dem Phasenschieber verbunden ist, zum Koppeln des Rückkopplungssignals mit der Probe, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplungsspule ihre Achse orthogonal zu der Achse der Sondenspule aufweist.
NMR Sonde nach Anspruch 3, eingebaut in eine Vorrichtung zum Verringern von Strahlungsdämpfungsphänomenen in einem NMR Instrument mit einer Erregungsspule zum Hervorrufen einer Resonanz in einer Probe, einer Sondenspule, auf die ein Signal von der sich in Resonanz befindlichen Probe induziert wird, wobei die Vorrichtung umfasst: a) ein Einrichtung zum Zuführen einer HF-Energie an die Erregungsspule, um die Probe in einen Resonanzzustand zu bringen; b) eine Einrichtung, die ein HF-Signal, das von den Resonanzkernen der Probe herrührt, auf die Sondenspule induziert, und eine Einrichtung zum Richten dieses HF-Signals an einen Verstärker, wobei das Signal in der Sondenspule ein Feld B₁ erzeugt, c) eine Einrichtung zum Verstärken des HF-Signals und Aufteilen des Signals, um einen Teil davon zu erhalten, um ein Korrektursignal zu erhalten, d) eine Einrichtung für eine Phasenverschiebung des Korrektursignals um einen gewählten Winkel, um ein Rückkopplungssignal zu erhalten; e) eine Einrichtung zum Koppeln des Rückkopplungssignals an die Rückkopplungsspule, wodurch das Rückkopplungssignal an die Probe derart gekoppelt wird, dass wenigstens eine Komponente des Felds des Rückkopplungssignals, kombiniert mit wenigstens einer Komponente des Felds B₁, einen Null-Effekt erzeugt, wodurch keine Kopplung des Rückkopplungssignals an die Sondenspule vorhanden ist.
NMR Sonde nach Anspruch 3, wobei der Phasenschieber die akkumulierten Phasenverschiebungen umfasst, die für sämtliche Komponenten der NMR Sonde vorhanden sind.
NMR Sonde nach Anspruch 3, eingebaut in einem NMR Instrument, wobei das NMR Instrument ferner umfasst: einen Polarisationsmagneten, eine Quelle einer HF Erregungsenergie, um eine Resonanz in einer Probe zu erregen, und einen HF Empfänger zum Empfangen von Resonanzsignalen von der Probe und einen Prozessor zum Ableiten von spektraler Information von den Signalen, eine HF Sonde zum Anliegen der HF Erregungsenergie an eine Probe, um einen Resonanzzustand darin hervorzurufen, und zum Empfangen des Resonanz-BY-Signals, das von der Probe emittiert wird, wobei die Sonde umfasst: eine Sondenspule, die entlang einer ersten Sondenachse ausgerichtet und um die Probe herum zum Empfangen des Signals von der Probe angeordnet ist, eine Kopplungsschaltung, die angeordnet ist, um das Signal für eine nachfolgende Verarbeitung und zum Aufteilen des Signals, um einen Teil davon als ein Korrektursignal zu definieren, angeordnet ist, und einen Phasenschieber, der mit dem Korrektursignal arbeitet, um ein Rückkopplungssignal zu erzeugen, wobei der Phasenschieber mit der Rückkopplungsspule verbunden ist, wodurch das Rückkopplungssignal auf die Probe aufgeprägt wird.
NMR Instrument nach Anspruch 6, wobei der Schieber aus den akkumulierten Phasenverschiebungen von sämtlichen Komponenten der Sonde realisiert wird.