CN101093249A - 核磁共振频谱分析的探测增强中的极化转移的方法和装置 - Google Patents

Abstract

通过极化转移在核磁共振频谱分析中进行检测改进和频谱编辑的方法和装置，其中将特定核自旋系统(A)的两个或更多能级的高自旋粒子数差转移到具有较低自旋粒子数差的另一个核自旋系统(X)的能级，其中顺序地照射全部要照射的HF脉冲，也即，彼此相隔规定的时间间隔，使得在该序列的时间中不会以重叠的方式分别并发地照射所述(频率－)不同的HF脉冲，从而所述HF脉冲的顺序接续在包括(A)、(X)的所述两个原子核自旋系统之间实现极化转移，其中各个核的每个域中的所述HF脉冲的序列是完全对称的。

Description

核磁共振频谱分析的探测增强中的极化转移的方法和装置

技术领域

本发明涉及以用于评估人体内的代谢化合物的体内磁共振(MRS)频谱分析(spectroscopy)的名义应用在放射诊断学中的核磁共振(NMR)频谱分析。更具体地，本发明涉及对磁共振实验的改进以及还涉及用于执行这些实验的装置，以便在核之间转移极化，目标是增强磁共振对化合物的检测灵敏度、或使得能够基于分子碎片与特定同位素(isotope)的耦合来实现对分子碎片的频谱编辑。

背景技术

诸如磁共振成像(MRI)的磁共振频谱分析(MRS)是基于核磁共振效应的，核磁共振效应于1946被发现并在最开始被用于核的磁特性检验。后来发现核的共振信号也受其化学环境的影响，而且这种所谓的化学移动(shift)可以用于辨别化学物质。这种检验被建立为所谓的体外的“高分辨率NMR”。这种高分辨率NMR在用于分析复杂大分子的结构的物理、化学、生物化学、以及制药研究和开发中得到应用。

在上世纪七十年代末新发现核共振信号可以用于活生物体的非侵入成像，其代表了迄今为止医学中最重要的放射检验方法之一。

然而，并没有忽视磁共振成像还包含可以分别用于分析生物化学反应、体内的新陈代谢的化学信息。这种具有关于活生物体或关于活器官的空间分辩率的NMR频谱分析称为“体内频谱分析”或者也称为“临床核磁共振频谱分析(MRS)”，分别与试管中的“高分辨率NMR”(通常在实验室中完成)、纯粹的磁共振成像(MRI)形成对比。

下面，将解释核磁共振的物理基础：

在MRS以及MRI中，要检验的对象(患者或器官)被暴露在恒定强磁场下。从而，所述对象中的原子在之前随机取向的核自旋自己排列对齐，构成离散的能级。高射频波可以引起在这些能级之间的跃迁。如果例如高频脉冲赋能于所述能级的稳定的态粒子数(state population)，则在所述高频场切断后可以获得感应信号。由于施加由所谓梯度线圈启动的非均匀磁场，可以选择性地激发要研究的所述对象，并可以将所述信号进行空间编码。

在MRS中数据采样通常在所谓时间域中实现，在所谓k空间(同义词：频率空间)中进行MRI数据的采样。频率域中的MR频谱、所谓成像空间中的MRI图像分别通过傅立叶变换与所述采样数据相关联。对象中的体积激发(volume excitation)在该对象中通过片(slice)选择性的高频脉冲(即，同时施加梯度脉冲)来实现。例如对于长方体的激发，在MRS中施加三个正交方向上的三个片选择高频脉冲。通常，这些是三个正弦形、高斯形、或双曲线形的RF脉冲，其与矩形或梯形梯度脉冲同时照射到要检验的对象中。所述RF脉冲的照射必须由RF天线实现。

通过所述脉冲的组合，将特定核共振频率范围内的频率波谱照射到要检验的物体的明确定义的长方体形区域中。该选择范围(所关心的体积，VOI)内的核分别各自以电磁响应信号(电动势EMF)在它们的部分上做出反应，所述信号由所述RF天线的特定接收条件分别以总和信号(自由感应衰减信号FID信号)、(半)自旋回波信号的形式被检测。此模拟信号(FID或回波)由ADC(模数转换器)的开关采样，分别数字化、傅立叶变换并保存在计算装置上，从而可将所谓的“频谱”显示在可视化装置(监视器)上。测得的信号(FID或回波信号)的两个分量刻画所述核磁化矢量

的所述振动行为在固定参考框架的x-y平面(实验室坐标系)内的投影。

所述信号的时间衰减由T₂-加权横向弛豫确定。所述横向弛豫导致与时间有关的横向磁化(time-dependent transversal magnetisation)

的消失，然而T₂-时间，更具体地，T₂ ^*-时间确定所述FID或回波信号的衰减，其中T₂ ^*-时间根据公式

$\frac{1}{T_2^{*}}=\frac{1}{T_2}+\mathrm{\γ\Δ}{B}_0---\left(1\right)$

将局域B₀-场非均匀性ΔB₀考虑为特征时间常数。上面公式中，γ代表回磁比，其描述各个核与外部磁场的能量耦合常数，并且为各个核素(nucleicspecies)的固定常数。

合成且与时间有关的(因而三维的)FID或回波信号自身可以被看作是一个或更多对循环高频激发脉冲的电磁应答，其在之前已经被照射到要检验的各个物质或组织中。

在所述物质或组织仅由一种特定核素(例如纯水中的质子)组成、而且以精确地与质子的拉漠尔频率(在1.5特斯拉下为63.8MHz)对应的频率照射所述RF激发脉冲的情况下，测得的所述水质子的FID、回波信号分别将不包含任何谐波/周期部分(正弦或余弦形分量)，因为在所述(在63.8MHz)旋转参考系统中不发生所述横向磁化的进动/旋转。(在所述旋转方向上的相对运动等于零)。仅有所述横向磁化矢量的弛豫依赖指数衰减是可测量的，其组成未调制的(non-modulated)指数函数(图2A中的虚线)。

如果照射的RF激发脉冲显示的频率不是精确地与水质子对应(例如63.8MHz+400Hz)，而是由于其脉冲幅度引起所述质子的激发，则在与所述RF脉冲的频率相等的数据采集参考频率下测得的FID、回波信号分别包含400Hz的谐波部分，其根据图2A被调制到所述指数弛豫衰减

通常，要检验的所述物质、所述对象(体内频谱分析体检中的)首先不是仅包含一种要分析的核素(1H、31P、13C)，而是包含多种要分析的核素(1H、31P、13C)。其次，相同核素的核因为被结合到不同的分子(不同的化学环境)中而表现出彼此相对不同的共振(拉漠尔频率)，并可以被区分为所谓的代谢物。

在所述(体内)质子频谱分析中，多数代谢物信号的频率范围是大约10ppm，所述(体内)磷频谱分析中的频谱宽度是大约30ppm，而在(体内)13C频谱分析中频谱中的共振展开到大约200ppm的区域。根据公式

$\mathrm{\δ}=\frac{v_{\mathrm{subs}\tan \mathrm{ce}}-v_0}{v_0}\·{10}^6---\left(4\right)$

以ppm(部分每百万，parts per million)计，也即，以所述共振频率的百万分之一计，所述共振频率相对于系统频率(RF中心频率v₀)的变化的指标δ有利地不依赖于磁场的强度。

通常，所述FID、回波信号分别借此形成与时间有关的响应信号——所谓的“时间域中的信号成像/表示”，在其指数过程中各个代谢物中的激发的核的全部共振(ω_x，x∈N)被调制重叠地频率编码。

根据图2A的仅包含一种代谢物的频率响应的FID根据图2B仅产生一条共振线。

图3A中示出例如包含三种不同的代谢物的频率响应的FID。可以看出，图3A中的所述FID、回波信号分别比图2A的所述FID、回波信号编码得更加复杂，图2A仅显示出一个频率。这种编码可以通过傅立叶变换来解开并按照各个共振频率排序，从而根据图3B得到具有在ω₀、ω₁以及ω₂的所谓共振线的三分量频谱。

所述FID、回波信号的傅立叶变换(图2B、3B)通常分别被称为频谱。它也被称为“频率域中的信号成像/表示”。

尽管，如已经提到的，回磁比γ(公式(1))为各个核素的固定常数(例如对质子是γ/2π＝42.577MHz/T)，在相同的(恒定)外层磁场下NMR实验中可以看到稍微不同的共振频率，其中所检验的核被结合到不同的分子中。因此所述分子中的导致化学键联的电子起作用。它们屏蔽外层(外部)磁场，使得所述核依赖于键联的状态而“看到”不同的磁场(B_K)，这导致已经提到的各个共振频率的微小的位移，这被称为“化学移动δ_K”：

B_K＝B₀-δ_KB₀    (5)

在分子化合物中常常存在多条共振线，其可以被归于单个分子组团。定量地，根据公式(4)所述化学移动通常相对于参考线(v₀)以ppm给出。

除所述化学移动之外，常常可以看到所述核共振线以多重态线(二重态、三重态、四重态、等等)形式的精细分裂。因此所述核之间的磁相互作用(自旋-自旋-耦合)起作用，其不是在空间上，而是间接地在所述化学键联的电子上排列。为了分析具有精细结构的频谱，通常，具有在不同的自旋态 与

之间的相互作用能量J_kl(标量能量耦合常数)的能量函数(哈密顿算符

)

其本征值和本征函数描述与假定的分子模型对应的测得的频谱。这样，在化学和生物化学中有利地实现了(大)分子的结构澄清(structural clarification)。在体检中可以不采用侵入方式基于其频谱而检测到在体内的典型的代谢物。

在成像中，使用水的质子信号的磁共振的低灵敏度不是主要问题，因为¹H核具有很大的磁矩而且身体内存在充足的水。但是，在MR频谱分析中，通常组织浓度低得多的化合物被观测到，而且常常很多具有感兴趣的生理信息的MR核(例如³¹P、¹³C、¹⁵N)不如¹H核敏感。已知的一类用于NMR频谱分析中的探测改进的方法是极化转移，其中通过自旋-自旋-耦合将特定核自旋系统的两个或更多能级的高粒子数差转移到粒子数较小的另外的核自旋系统的能级。

下面对基于极化转移的检测改进的原理进行详细说明：

简化地，所述示例包含由一个敏感的核与一个不敏感(轻微敏感)的核(例如¹H和¹³C)组成的双自旋系统。

在磁场B₀中，这样的核(自旋量子数1/2)能够使其每一个采用两个离散的能量态。能级之间的跃迁伴随电子量子的吸收或发射

在外部磁场B₀中能级的分配/粒子数根据波尔兹曼统计

而发生。由此导致过量的与磁场B₀平行地排列的核-磁矩。

各个核的回磁比γ对两个态E_q与E_p之间的粒子数差是决定性的，其在从E_p到E_q的转移期间改变其自旋-调整/取向。对于属于敏感的核素A(高γ)的转移的态，与属于不敏感的核素X(低γ)的转移的态相比，结果得到更大的粒子数差。

图4A、4B以及4C中示意性地示出了这样的由强敏感核(A)和轻微敏感核(X)组成的AX-系统的方案中的粒子数。

图4A示出平衡态，其中两个最低能级(1)和(2)的粒子数最大(用粗体杠表示)。

如果用NMR频谱分析中的A线(A1或A2)的(选择性)粒子数反转实现各个自旋粒子数的交换，则显示X-转移的加强吸收(X1)和加强发射(X2)的图4B的能级图、通过其X1显示加强发射而X2显示加强吸收的图4C的能级图分别变得有效。在全部两种情况下(图4B、4C)，分别在态(1)与(3)之间、态(2)与(4)之间的选择性粒子数反转扰动了粒子数平衡。

对所述敏感核为预先决定性的、与信号强度对应的粒子数差，现在对所述不敏感核是有效的。这一现象被称为极化转移，其用于增强NMR不敏感核素(X)的信号。

一般的兴趣是借此实现不敏感核的¹H-耦合频谱的灵敏度改进，例如¹³C(还有¹⁵N或³¹P)，也即，具有A＝¹H和X＝¹³C的XA_n-自旋系统的强度的增强。

图5A、5B以及5C中示出具有不同的耦合的CH-自旋系统(n＝1)的能级的视图。

图5A示出未耦合到外部磁场B₀的四个能级1、2、3以及4，这可能由于不同的C-H自旋调制引起，即，对于标量能量耦合常数J＝0。在该情况下¹H-转移3→1和4→2、¹³C-转移2→1和4→3分别能量相等，导致在频谱中只有一条¹H-线和一条¹³C-线(分别没有分裂、没有超精细结构)。

图5B和5C中示出一不同的示例，其中发生C-H-自旋态的能量耦合，从而在图5B的情况下平行自旋态(↑↑，↓↓)的能级增加J/4而反平行自旋态(↑↓，↓↑)的能级减少J/4。图5C中示出完全相反的示例。在每种情况下耦合γ_1H≈4γ_13C导致各个原子核素的每两个能量不同的转移，这导致所述频谱中的双超精细结构分裂，即，导致以二重态形式的两条直接相邻的谱线。从而每个核素独自经历J的总能量变化。

为了计算所述极化转移的粒子数关系(分别地，相对粒子数、转移概率)，以便实现信号增强，更紧密地，即更定量地(见图6A、6B、6C)与图4A和4C的能级图相关是有利的。

图6A中最低能级表示能量

(与粒子数概率成比例)，而其它能级以升序分别表示分别与耦合自旋态(αα＝↑↑＝与B₀平行)、(αβ＝↑↓)、(βα＝↓↑)、(ββ＝↓↓＝与B₀反平行)对应的粒子数概率的能量

以及

在通过在规定的脉冲序列的背景下照射适当的电磁高频脉冲而做好系统的适当的(自旋)准备之后，可以以将αβ-耦合改变为能量更高的ββ-耦合的方式向系统选择性地添加能量。因此系统有利地在所述准备之后包括与磁场B₀平行(αα＝↑↑)以及反平行(ββ＝↓↓)的自旋-自旋对。

如果，为简洁起见，向所述能级添加能量常数量 则得到能量态γ_H+γ_C、γ_H、γ_C以及0。如果进一步考虑¹H和¹³C的核灵敏度(γ_H＝4以及γ_C＝1)的相对关系，则对根据图6B的所述能级得到相对值5、4、1以及0。如已经提到的，这些值同样分别与相对粒子数概率、相对粒子数对应，因为刻画灵敏度的磁矩

定义粒子数概率的同时也定义能级差(根据波尔兹曼)。

图6B中可以清楚地看到，未激发系统中的¹³C-转移的粒子数差相对较低(Δ＝1-0＝+1；Δ＝5-4＝+1)。因而¹³C-二重态与¹H-二重态相比表现出较低的NMR-信号强度。但是，如果所述系统被能量转移(与B₀反平行的自旋对的排列)强制推动到更高的能量态，则¹³C-转移的粒子数差导致在频谱中引起Δ＝5-0＝+5的吸收增强的同时也引起Δ＝1-4＝-3的发射增强(图6C)。

图7A中示出NMR-频谱中的X-二重态(例如X＝¹³C)的该信号增强。坐标的单位是随机选取的。重要的是所述两条X-二重态线的显著增强。

对3原子AX-自旋系统(例如CH₂-组团)的增强导致所述能级的更复杂得多的能级图，并且如可以示出的，导致频谱中具有相关的强度(1)-(2)-(1)的X-三重态(图7B)。信号增强导致该系统中的值(-7)-(2)-(9)。

通过与根据图8A和8B的帕斯卡三角形进行比较，可以计算在对A_nX-自旋系统(A＝¹H，X＝¹³C)的一般增强中得到的强度增强。

示出了A_nX-组团(A＝¹H)的X-多重态处于波尔兹曼分布时(图8A)以及在粒子数反转之后(图8B)的线数以及相对强度。各个三角形是通过合并基本能级图的(整体)能级转移而得到的。

可以通过使用不同的RF脉冲序列来实现所述自旋系统的准备，从而实现所述极化转移。最普遍的是INEPT-方法(借助极化转移增强的不敏感核，Insensitive  Nuclei  Enhanced by  Polarization  Transfer，Morris，Freeman，J.Am.Chem.Soc.101，760-762(1979))。

更多的方法例如有再聚焦-INEPT、DEPT(借助极化转移的无失真增强)、SINEPT等等。

一般地，这些方法全部基于将RF脉冲并发地施加(照射)到参与的核素(也即，例如¹H、¹³C)的不同的频率上，稍后将对此进行更详细的解释。这导致这样的缺点，即，不能并发地在参与的核素的不同的频率中发送的NMR装置也不能执行包括极化转移的NMR实验。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种方法以及能够执行所述方法的装置，其使得能够进行具有极化转移的NMR实验而无需并发地施加不同频率的RF脉冲。

如独立权利要求中所要求的本发明解决了所述目的。从属权利要求中要求了更多的有利的特征。

根据本发明，提出了一种用于通过极化转移来改进NMR频谱分析中的检测或对分子碎片进行频谱编辑的方法，其中将特定核自旋系统(A)的两个或更多能级的高粒子数差转移到具有较低自旋粒子数差的另一个核自旋系统(X)的能级，其中，顺序地照射全部要照射的HF脉冲，也即，彼此相隔规定的时间间隔，使得在该序列的时间中不会以重叠的方式分别并发地照射所述(频率-)不同的相位相干HF脉冲，从而所述HF脉冲的顺序接续在包括(A)、(X)的所述两个原子核自旋系统之间实现极化转移，其中各个核的每个域中的所述HF脉冲的序列是完全对称的。

所述方法更改DEPT序列的HF-脉冲次序。

特别地，所述HF脉冲序列包括步骤：

-照射第一A-选择90_x°(A)-HF-脉冲，以激发具有高自旋粒子数差的核(A)，

-在从第一HF脉冲中央开始的时间τ₁+τ₂之后，照射第二A-选择180_y°(A)-HF-脉冲，

-在从第一HF脉冲中央开始的时间τ₁+2τ₂之后，照射第三X-选择90_x°(X)-HF-脉冲，

-在从第三HF脉冲中央开始的时间τ₁之后，照射第四A-选择α_y(A)-HF-脉冲，

-在从第四HF脉冲中央开始的时间τ₃之后，照射第五X-选择180_x°(X)-HF-脉冲，

-在从第五HF脉冲中央开始的时间τ₃+τ₁之后，通过检测所述FID信号来取得所述X-核共振信号。

对时间间隔τ₁适用τ₁＝1/2J，而J代表XA耦合常数，其中，根据本发明的特定的实施例，使用长程耦合用于极化转移。

对RF脉冲的顺序接续有利的是，时间间隔τ₂至少包括第二A-选择180_y°(A)-HF-脉冲的一半和第三X-选择90_x°(X)-HF-脉冲的一半之和。

进一步有利地，时间间隔τ₃至少包括第四A-选择θ_y(A)-HF-脉冲的一半和第五X-选择180_x°(X)-HF-脉冲的一半之和。

进一步有利地，将τ₂和τ₃选为独立变量以影响自旋系统的频谱形状，其具有强同核耦合(也即，像ABX系统)。

进一步有利地，考虑A_nX组团的X-多重态的耦合，其中n＝1，2，3。

进一步有利地，具有高自旋粒子数差的原子核素(A)代表¹H、¹³C、¹⁵N或¹⁹F-核和/或具有低自旋粒子数差的原子核素(X)代表¹³C、³¹P、¹⁵N、¹⁹F或¹H-核。

进一步要求一种适合于执行根据前面的权利要求1至11的方法的装置。

另外要求一种仅具有相位相干的单一宽带发送信道、以使得能够进行极化转移和/或一种仅具有相位-连续的单一宽带发送信道、其中可以选择τ₂和τ₃而得到全部rf脉冲的正确相位、以使得能够进行极化转移的、根据权利要求12的装置。

最后，要求一种根据权利要求12至14的装置，其适合于执行根据权利要求1至11的方法，所述方法可以与使用磁场梯度和/或射频线圈的空间局域化方法相结合。

为了RF脉冲的顺序接续，时间间隔τ₂包括第二A-选择180_y°(A)-HF-脉冲的一半和第三X-选择90_x°(X)-HF-脉冲的一半之和，而且时间间隔τ₃包括第四A-选择α_y(A)-HF-脉冲的一半和第五X-选择180_x°(X)-HF-脉冲的一半之和。

在特别情况下，考虑A_nX组团的X-多重态的耦合，其中n＝1，2，3。

更具体地，本发明有利地关注于一种方法，其中，高敏感原子核素(A)代表¹H-核和/或低敏感原子核素(X)代表¹³C-核。

还要求和描述一种适合于执行根据权利要求1至22的方法的磁共振成像装置。

附图说明

现在参照附图通过所述实施例对本发明的更多的有利特征进行解释。

图1示出用于磁共振成像的装置的示意图；

图2A示出由单一共振以FID-信号的形式刻画的交叉-/横向-磁化的时间进程；

图2B示出利用傅立叶变换生成的根据图2A的频率谱；

图3A示出包含三个共振的FID-信号；

图3B示出根据图3A的频率谱以及其三条共振线；

图4A示出由敏感核(A)和不敏感核(X)组成的AX-系统在平衡态下的简化能级图；

图4B示出在态(1)与(3)之间的选择性粒子数反转之后处于扰动平衡下的所述AX-能级图；

图4C示出在态(2)与(4)之间的选择性粒子数反转之后处于扰动平衡下的所述AX-能级图；

图5A示出无耦合的CH-自旋系统的能级视图；

图5B示出具有正耦合(J＞0)的CH-自旋系统的能级视图；

图5C示出具有负耦合(J＜0)的CH-自旋系统的能级视图；

图6A示出根据图4A的能级图的定量视图；

图6B示出简明地考虑相对粒子数概率的分别根据图4A、图6A的能级图；

图6C定量地示出极化转移对图4C的能级图中的信号增强的影响；

图7A示出NMR-频谱中的X-二重态的信号增强；

图7B示出NMR-频谱中的X-三重态的信号增强；

图8A示出根据波尔兹曼分布的多重态的相对强度的帕斯卡三角形；

图8B示出在粒子数反转之后多重态的相对强度的帕斯卡三角形；

图9A示出根据现有技术状况的AX-系统(¹H，¹³C)的DEPT-方法的RF-脉冲序列；

图9B以矢量图(质子和碳的矢量图)示出根据图9A的RF-脉冲序列对A-以及X-磁化的影响；

图10A示出根据现有技术状况的AX-系统的DEPT-方法的RF-脉冲序列；

图10B示出根据本发明的AX-系统的DEPT-方法中的RF-脉冲序列的改进；

图11示出作为DEPT-脉冲-翻转-角度θ的函数的13C二重态、三重态、四重态的信号增强；

图12示出局域化DEPTUPS(借助使用序列脉冲进行极化转移的无失真增强)对频谱中13C共振的信号增强；以及

图13示出在13C-1葡萄糖浸液时显现的在3T下的局域化DEPTUPS频谱，其具有人脑中不同的代谢物的13C信号。使用频率选择的1H rf脉冲与用于局域化的B0梯度相结合。

具体实施方式

临床MR-频谱分析的方法与传统MR-成像的方法主要的不同仅仅在于，除了空间分辩率之外，还要分别解决化学移动、超精细结构。这可以利用传统磁共振成像装置来实现，这就是为什么这些优选地被用于临床MR-频谱分析中，而根据本发明的方法(NMR-实验的改进，其中使用极化转移用于不敏感核的探测增强)将主要在这样的装置上实现。

然而，应当注意到，根据本发明的方法既可以应用于高分辩率NMR-频谱仪，也可以应用于单独开发和使用的强场-体内-MR-系统(瞬时可高达到：对人体应用7特斯拉，对其它应用17特斯拉)。

图1示出根据本发明的用于生成对象的磁共振频谱的磁共振成像(磁共振断层造影)装置的示意性图解。所述核磁共振成像装置的基本结构与传统成像装置的基本结构相符(其差异在下面描述)。基本场磁铁1产生用于对象的检验区域(例如，要检验的人体的部分)中的核自旋的极化或排列的时间恒定的强磁场。在容纳要检验的人体部分的球形测量体积M中规定了磁共振测量所需的基本磁场的高度均匀性。为了支持均匀性要求以及，特别地，消除时间不变的影响，在适当的位置附加由铁磁材料制成的垫板。利用由衬垫电源15驱动的衬垫线圈2来消除时间变化的影响。

将由三个子线圈(sub-winding)组成的圆柱形梯度线圈系统3加到基本场磁铁1中。每个子线圈由放大器14提供电源，以分别生成在笛卡儿坐标系的各个方向上的线性梯度场。梯度场系统3的第一子线圈生成x-方向上的梯度Gx，第二子线圈生成y-方向上的梯度Gy，而第三子线圈生成z-方向上的梯度Gz。每个放大器14具有由用于在恰当的时间产生梯度脉冲的序列控制器18驱动的数模转换器。

位于梯度场系统3内的射频天线4将由射频功率放大器10输出的射频脉冲转换为磁交变场，其用于激发检验对象的核、或对象中所检验的区域的核。射频天线4由一个或更多RF发送线圈以及一个或更多RF接收线圈优选地以组成线圈的线性排列的形式组成。射频天线4的RF接收线圈还将从进动的核自旋发出的交变场，也即核磁共振回波信号(通常利用由一个或更多射频脉冲以及一个或更多梯度脉冲组成的脉冲序列生成)，转换为通过放大器7提供给射频系统22的射频接收信道8的电压。射频系统22还具有在其中生成用于激发核磁共振的射频脉冲的发送信道9。各个射频脉冲根据系统计算机20规定的序列控制器18中的脉冲序列被数字化地定义为复数序列。将该数字序列的实部和虚部分别通过输入端12提供给射频系统22中的数模转换器，并从那里提供到发送信道9。在发送信道9中，将所述脉冲序列调制到具有与所述测量体积中的核自旋的共振频率对应的基本频率的相位相干(coherent)射频载波信号上。

通过发送-接收双工器6实现从发送到接收模式的切换。射频天线4的RF发送线圈将用于激发核自旋的射频脉冲发射到测量体积M中，并通过RF接收线圈对结果回波信号进行采样。对应地取得的磁共振信号在射频系统22的接收信道8中被相位-敏感地解调，并通过各个模数转换器转换为测得信号的实部和虚部，其分别通过输出端11提供到图像计算机17。图像计算机17利用这样取得的测量的数据来重建图像。通过系统计算机20实现对测得数据、图像数据、以及控制程序的管理。基于控制程序的规定，序列控制器18控制各个期望的脉冲序列的生成以及相应的k-空间的采样。特别地，序列控制器18既控制核磁共振信号的接收，也控制所述梯度的时间恰当的切换、射频序列以规定的相位和幅度的发射。由合成器19提供射频系统22和序列控制器18的时间基准。通过既包括一个或更多图像屏幕又包括键盘的终端(控制台)21实现对用于生成磁共振图像的相应控制程序的选择。

利用所描述的MRI-装置，可用生成大多数不同的MR-频谱分析序列，并可以实现用于临床应用的MR-频谱分析局域化方法。根据本发明所描述的MRI-装置将可以生成脉冲序列，其中不同频率的RF脉冲彼此在时间上不重叠。

这特别涉及使用极化转移来实现信号增强的NMR-实验。

这样的方法倾向于积极地准备由不同灵敏度的核素(例如CH、CH₂、NH、NH₂、...)构成的耦合自旋系统，使得核素自旋的能级粒子数差增大，从而增加发射和/或吸收，这导致NMR-频谱中的核素的显著的信号增强。

NMR-频谱分析中分别依赖于交叉-极化现象、极化-转移以实现灵敏度增强的一种重要的脉冲序列已知为“借助极化转移的无失真增强”(DEPT)。下面考虑DEPT脉冲序列分别对AX-系统和CH-系统的影响。图9A、9B、以及10A中示出根据现有技术状况的¹H和¹³C核上采用的脉冲序列以及对相应的磁化矢量的影响。稍后借助图10B解释根据本发明的A(¹H)和X(¹³C)核上采用的改进的脉冲序列以及对相应的磁化矢量的影响。

注意到，在矢量图中以旋转框架(frame)说明了各个磁化。在平衡延迟T1(未示出)之后(这允许达到质子的波尔兹曼平衡)，向A(例如¹H)核施加90_x°脉冲(注意，图9A的脉冲序列中的a)至h)与图9B的矢量图中的a)至h)相关，图9B给出对¹H和¹³C核的磁化矢量造成相对应的影响)，这使得质子的磁化沿y-轴取向(图9B中的a))。与其它序列(例如INEPT、SINEPT)形成对比，现在将时间延迟τ＝1/2J插入，在时间延迟期间¹H核的横向磁化通过与¹³C核耦合而被调制。在τ＝1/2J时间段的结尾，发现¹H核的两个二重态矢量具有180°的相位差，而且它们沿x’-轴取向(图9B中的b))。现在向质子施加180_y°脉冲以对任何非均匀性进行再聚焦。同时向¹³C核施加90_x°脉冲，从而创建这些核沿y-轴的横向磁化(图9B中的c))。

由于¹H或¹³C核沿z-轴没有磁化，它们两个被去耦合，而且在接下来的延迟时间段τ＝1/2J期间，两个核的矢量均在旋转框架中保持静止(见图9B中的d)和e))。接着施加质子脉冲θ(其长度根据附加的质子的数量以及要记录的频谱来调整)以用来对¹H磁化进行极化。这时出现粒子数转移，因为由质子脉冲θ导致的质子的极化由于¹³C-¹H耦合还影响到¹³C核。因此发生¹³C磁化矢量的增强。图9A、9B中，该脉冲的长度被保持在90°，这导致¹H磁化变成沿z-轴(图9B中的f))。同时，该质子脉冲还导致¹³C核的极化(图9B中的g))。由于现在¹H核中存在z-磁化，通过13C核可以发生自旋-自旋-耦合，导致在最后1/(2J)时间段期间¹³C磁化矢量的再聚焦。于是可以在t＝3τ将¹³C磁化检测为二重态、或者单态(如果同时施加¹H去耦合)。

图11中示出在CH₃、CH₂和CH碳的可变θ脉冲的作用下的信号增强。θ＝90°的实验导致频谱中仅包含CH碳原子的峰。另一方面，135°的θ脉冲提供的频谱中CH₃和CH碳原子具有正幅度而CH₂碳原子具有负幅度。如果将θ脉冲的值保持在45°，则CH₃、CH₂和CH碳均以正幅度出现。这样θ的值的变化可以用于频谱编辑。

与其它方法(INEPT、SINEPT)形成对比，DEPT频谱提供具有与普通频谱中一样的外观的多重态。另外，利用其它方法(INEPT、SINEPT)获取频谱需要J值的知识，以设置脉冲之间的延迟，而所述设置的变化将导致例如去耦合的INEPT频谱中的不同的增强。另一方面，DEPT频谱依赖于θ脉冲的长度的变化而不依赖于脉冲之间的精确的延迟时间1/(2J)，使得J值中的±20％的误差仍将提供良好的DEPT频谱。

临床MR扫描仪一般不装备第二发送RF信道，使得如无失真增强极化转移(DEPT)的传统极化转移技术变得不可能。根据现有技术状况，通过向MR系统添加使得能够在两个不同的核(如¹H和¹³C)的自旋上同时发送的单独的RF信道来解决该问题。由于这样的附加RF信道很昂贵而且需要大量的努力以集成到临床MR系统，因而需要替代的方案。

根据本发明，建议以这样的方式改进传统DEPT序列使得照射的HF-脉冲在时间上不重叠，同时在A-域以及X-域中维持最大可能的对称性。这意味着，与特征为只有一个τ₁＝1/2J的时间延迟τ₁的传统DEPT序列形成对比，考虑到首先各个核素的特定磁化的进动行为、以及其次全部两个核素的域中的总对称性的维持，必须引入新的时间延迟。特征为在单一发送信道上使用RF脉冲、因而被称为DEPTUPS(顺序使用脉冲的DEPT)的该新的改进的DEPT-序列使得能够使用极化转移(PT)而无需昂贵的附加RF发送信道。图12中示出直接-13C-NMR-频谱分析与DEPTUPS的比较。

从而DEPT与其它基于PT的技术(INEPT、SINEPT等等)相比的巨大优势在于，可以同时检测具有不同化学移动和J-耦合的不同核素，其为临床感兴趣的代谢物的情况。

图10B示出根据本发明的用于¹H和¹³C核系统的这样的改进的DEPT序列：

90_x°(A)-τ₁+τ₂-180_y°(A)-τ₂-90_x°(X)

-τ₁-θ_y(A)-τ₃-180_x°(X)

-τ₃+τ₁-取得MNR信号，

而第一个且最重要的时间间隔分别由AX-、¹H-¹³C-耦合确定：

τ₁＝1/2J

但是，在时间延迟τ₂之前不开始A-自旋-系统的180_y°-反转-脉冲，该时间延迟τ₂由第二A-选择180_y°(A)-HF-脉冲的一半和第三X-选择90_x°(X)-HF-脉冲的一半之和来确定，而且(与τ₁一起)确定最初两个脉冲90_x°(A)与180_y°(A)之间的时间间隔。为了在A-域中实现总的对称性而没有重叠，必须在X-域中的第一个脉冲90_x°(X)之后τ₁时间照射θ_y(A)-脉冲。该序列方案中的第五个也是最后一个脉冲是X-选择180_x°(X)-HF-脉冲，在从第四个HF脉冲θ_y(A)的中央开始τ₃时间之后被照射。由于第四脉冲θ_y(A)通常具有与第三脉冲90_x°(X)不同的脉冲宽度，而且同样第五脉冲180_x°(X)通常具有与第二脉冲180_y°(A)不同的脉冲宽度，时间延迟τ₃通常与时间延迟τ₂不同。为了在X-域中实现总的对称性而不与将在X-域中在第三脉冲90_x°(X)之后τ₁+τ₃时间照射的180_x°(X)-脉冲重叠，必须在从第五HF脉冲180_x°(X)的中央开始τ₃+τ₁时间之后执行X-核共振信号的获取(以FID或回波的形式)。

归功于根据本发明的所述序列的这一高度对称性，由于如图13中通过在50％13C-1标记的葡萄糖浸液时得到的在3T下的人脑的13C-MR-频谱可以看出的化学移动的宽广范围，不但对一种类型的分子中的一个核、而且对结合在不同种类的分子中的许多核都实现了极化转移效应。

在所述DEPT/DEPTUPS频谱的宽广范围上出现共振的原因是：第一90°脉冲激发相应核素的全部核。依赖于化学移动，不同种类的分子中的核的自旋以不同的速度相移(dephase)。当给出180°-脉冲，发生总体再定相(rephasing)，使得在相移和再定相时间之后，具有不同化学移动的全部自旋在从相移开始的相同时间段精确地同相。如果接着将用另一个RF-脉冲激发所述核，则可以确定全部分子的核的自旋具有相同的相位并经历完全的极化转移效应。

加上新的DEPTUPS-序列显示出多种优点。在(N)MR-频谱分析中的不同的潜在应用有：

-监视化合物的¹³C信号，其否则由于强信号重叠而很难用传统¹H-NMR-频谱分析解决；

-监视用¹³C标记的碳的信号，以揭示(反常的)代谢转变。例如这在脑疾病中很有意义。现在正在探索新的策略以使其能够在临床中应用。最近有建议关于用于人脑的改进的¹³C MRS的新的头线圈。有了所提出的单一RF信道的创意，DEPT序列在临床应用中变得更现实和节约成本；

-一个新兴的领域是具有化合物中的¹³C(或其它(N)MR敏感核)的超极化以增强灵敏度的MRI。目前这主要用碳执行，其不被附加到质子以利用这些自旋的长T1值。但是，分子转变可以使这些碳变得附加到质子，而接着极化转移可以进一步增强它们的信号。另外，由于从质子到(羟基)碳(根据2-15Hz产生的J-耦合)的长程耦合的存在，也可以实现这些碳的极化转移；

本发明可以普遍地应用于任何核到另一核的极化转移。这样，可以有利地利用由任何方法创建的任何核的高粒子数自旋差来增强任何其它核的灵敏度。唯一的限制是，灵敏度的增加不被T2损失抵消，例如1/J＜(5xT2)。例如，最近利用所谓INEPT途径在体内演示了¹H到³¹P核的极化转移[Mancini等人，MRM 54：1065-1071；2005]。该论文中提到的几个关于INEPT途径的缺点(SAR、带宽)可以由所提出的使用DEPT序列的创意来回避。这很有意义，因为极化转移使得能够改善对在瘤和细胞生长(cellgrowth)的中央的磷酸化膜化合物(例如胆碱磷酸)的显影(与只能对大块胆碱化合物进行显影的¹H-NMR-频谱分析形成对比)。

Claims (15)

1.一种用于通过极化转移来改进NMR频谱分析中的检测或对分子碎片进行频谱编辑的方法，其中，将特定核自旋系统(A)的两个或更多能级的高粒子数差转移到具有较低自旋粒子数差的另一个核自旋系统(X)的能级，

其中，顺序地照射全部要照射的HF脉冲，也即，彼此相隔规定的时间间隔，使得在该序列的时间中不会以重叠的方式分别并发地照射所述(频率-)不同的相位相干的HF脉冲，从而所述HF脉冲的顺序接续在包括(A)、(X)的所述两个原子核自旋系统之间实现极化转移，其中各个核的每个域中的所述HF脉冲的序列是完全对称的。

2.如权利要求1中所要求的方法，其中，所述方法更改DEPT序列的HF-脉冲次序。

3.如权利要求2所述的方法，

其中，所述HF脉冲序列包括步骤：

-照射第一A-选择90_x°(A)-HF-永冲，以激发具有高自旋粒子数差的核(A)，

-在从第一HF脉冲中央开始的时间τ₁+τ₂之后，照射第二A-选择180_y°(A)-HF-脉冲，

-在从第一HF脉冲中央开始的时间τ₁+2τ₂之后，照射第三X-选择90_x°(X)-HF-脉冲，

-在从第三HF脉冲中央开始的时间τ₁之后，照射第四A-选择θ_y(A)-HF-脉冲，

-在从第四HF脉冲中央开始的时间τ₃之后，照射第五X-选择180_x°(X)-HF-脉冲，

-在从第五HF脉冲中央开始的时间τ₃+τ₁之后，通过检测所述FID信号来取得所述X-核共振信号。

4.如权利要求3所述的方法，

其中，τ₁＝1/2J，其中，J代表XA耦合常数。

5.根据权利要求1至4其中之一所述的方法，

其中，使用长程耦合用于极化转移。

6.根据权利要求3至5其中之一所述的方法，

其中，τ₂至少包括第二A-选择180_y°(A)-HF-脉冲的一半和第三X-选择90x°(X)-HF-脉冲的一半之和。

7.根据权利要求3至6其中之一所述的方法，

其中，τ₃至少包括第四A-选择θ_y(A)-HF-脉冲的一半和第五X-选择180_x°(X)-HF-脉冲的一半之和。

8.根据权利要求3至7其中之一所述的方法，

其中，将τ₂和τ₃选为独立变量，以便影响具有强同核耦合，也即，像ABX系统一样的自旋系统的频谱形状。

9.根据权利要求1至8其中之一所述的方法，

其中，考虑A_nX组团的X-多重态的耦合，其中，n＝1，2，3。

10.根据权利要求1至9其中之一所述的方法，

其中，具有高自旋粒子数差的原子核素(A)代表¹H，¹³C，¹⁵N或¹⁹F-核。

11.根据权利要求1至10其中之一所述的方法，

其中，具有低自旋粒子数差的原子核素(X)代表¹³C，³¹P，¹⁵N，¹⁹F或¹H-核。

12.一种适合于执行根据权利要求1至11所述的方法的装置。

13.根据权利要求12所述的装置，仅具有相位相干的单一宽带发送信道，以使得能够进行极化转移。

14.根据权利要求12所述的装置，仅具有相位-连续的单一宽带发送信道，其中，可以选择τ₂和τ₃而得到全部rf脉冲的正确相位，以使得能够进行极化转移。

15.根据权利要求12至14所述的装置，其适合于执行根据权利要求1至11所述的方法，所述方法可以与使用磁场梯度和/或射频线圈的空间局域化方法相结合。

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