DE19939626C2

DE19939626C2 - Verfahren zur Erzeugung von Meßsignalen in Magnetfeldern mit einem NMR-Mouse-Gerät

Info

Publication number: DE19939626C2
Application number: DE19939626A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Bluemich; Peter Bluemler
Original assignee: Intech Thueringen GmbH
Current assignee: BLüMICH, BERNHARD, PROF. DR., 52159 ROETGEN, DE
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 1999-08-20
Publication date: 2002-09-26
Anticipated expiration: 2019-08-21
Also published as: WO2001014900A2; PL353404A1; ATE296450T1; DE19939626A1; WO2001014900A3; DE50010410D1; JP2003507746A; EP1204878B1; EP1204878A2; US6700372B2; US20020079891A1; HUP0202281A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Meßsignalen in Magnetfeldern, die von einem NMR-MOUSE-Gerät in dessen Umfeld im Umgebungsmedium erzeugt werden und deren Veränderung zu messen sind. Dabei werden mittels Magneten, beispielsweise Elektro- oder Permanentmagneten, ein zeitlich konstantes Polarisationsfeld B₀ und mittels Hochfrequenzschwingkreis gepulst ein magnetisches Meßfeld B₁ erzeugt und die dabei im Umgebungsmedium verursachten Echosignale S ermittelt. Die Echosignale sind zeitlich nach einer Änderung des Magnetfeldes durch ein oder mehrere vom NMR-MOUSE-Gerät abgegebene Signalimpulse jeweils nach einer Echozeit t_E vom NMR-MOUSE-Gerät meßbar. Das Meßsignal wird im Umfeld des NMR- MOUSE-Geräts in dem Magnetfeldbereich erzeugt, in dem die Komponenten der beiden Magnetfelder B₀ und B₁ orthogonal zueinander stehen.

Das NMR-MOUSE-Gerät (Nuclear Magnetic Resonance - MObile Universal Surface Explorer) ist ein mobiles Meßgerät für kernmagnetische Resonanz, bei dem das erzeugte Magnetfeld und der das Meßsignal abgebende Meßbereich in der äußeren Umgebung des Geräts liegen. Das NMR-MOUSE-Gerät, im folgenden abgekürzt 'NMR-MOUSE' genannt, ist somit zur Ermittlung von Materialdaten aus dem Umgebungsmedium bevorzugt geeignet. Es dient zur Untersuchung räumlicher Strukturen: Sowohl kristalline oder glasige Werkstoffe, als auch weiche Materialien, wie z. B. Elastomere bezüglich ihrer molekularen Dynamik, und Flüssigkeiten sowie biologisches Material sind analysierbar, siehe z. B. G. Eidmann et al. "The NMR MOUSE, a mobile universal surface explorer", Journal of Magnetic Resonance, 1996, S. 104/109, sowie P. Blümler et al, "Spatially resolved magnetic resonance", Wiley- VCH-Verlag, 1998, S. 195/209, oder A. Guthausen et al, "NMR-Bildgebung und Materialforschung", Chemie in unserer Zeit, 1998, S. 73/82. Das zeitlich konstante, statische magnetische Polarisationsfeld B₀ wird bei der NMR-MOUSE meist mittels eines oder mehrerer Permanentmagneten erzeugt, das gepulste magnetische Meßfeld B₁ ist der magnetische Anteil eines Hochfrequenzfeldes, das mit einer Spule als Bestandteil eines elektrischen Schwingkreises gebildet wird, wobei die Spule gewöhnlich auch als Empfängerspule für die zu messenden Echosignale dient. Bei der NMR-MOUSE wird zur Polarisation der Kernmagnetisierung im permanentmagnetischen Polarisationsfeld B₀ und zur Erzeugung und Detektion der Meßsignale auf räumlich homogene Magnetfelder verzichtet. NMR-MOUSE-Geräte können somit im Verhältnis zu üblichen NMR-Geräten klein und kostengünstig gebaut werden. Dabei definieren Form und Größe des Umgebungsvolumens, das im Umfeld kernmagnetisch impliziert wird und durch Messen der Echosignale zu detektieren ist, einerseits die orthogonalen Komponenten beider Magnetfelder B₀ und B₁ und andererseits die spezifische Bandbreite der magnetischen Anregung des zu untersuchenden Materials. Der Verlauf der magnetischen Feldlinien kann durch Dimensionierung und Anordnung der Permanentmagnete und der Spule des elektrischen Hochfrequenzschwingkreises verändert werden.

Der räumliche Meßbereich im zu untersuchenden Umgebungsmedium ist dreidimensional durch Verschieben der NMR-MOUSE, durch Verformen der Magnetfelder über Zusatzspulen und durch Änderung des Hochfrequenzfeldes variierbar. Nachteilig ist bei den bisher konzipierten Geräten dieser Art, daß die Detektion der Echosignale, die im Umgebungsmedium von den Sendesignalen ausgelöst werden, einen hohen Zeitaufwand erfordert. Es fehlt eine ausreichende Ortsauflösung innerhalb des Meßbereichs und die zu messenden Signale selbst zeigen wenig Kontrast zur Unterscheidung unterschiedlicher Werkstoffbeschaffenheit.

Zur Verkürzung der Meßzeit ist es aus DE 195 11 835 C2 bekannt, unter Ausnutzung des gegebenen konstanten Magnetfelds mit frequenzselektiven Hochfrequenzpulsen den Meßbereich abzutasten. Dabei ergibt sich zwar eine schnellere Meßwertausbeute, der erreichbare Kontrast zur Abbildung des untersuchten Mediums genügt jedoch insbesondere für Materialuntersuchungen den zu stellenden hohen Anforderungen nicht. In DE 195 11 835 C2 werden Gradienten-Echos durch gepulste Zusatzmagnetfelder G_x in Gegenwart eines zeitinvarianten Permanentmagnetfeld- Gradienten G_z erzeugt.

Aufgabe der Erfindung ist es, in zeitkonstanten inhomogenen Magnetfeldern Meßsignale zu erzeugen, die in einem Meßdurchgang die Detektion mehrerer Raumpunkte im Meßfeld mit problemspezifischem Kontrast ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die in Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Danach werden gepulste Zusatzmagnetfelder B_Z (z. B. Gradientenfelder) erzeugt, deren Pulsfrequenz derart eingestellt ist, daß ihr Effekt auf das Echosignal des Hochfrequenzschwingkreises zur Ortskodierung erhalten bleibt, und daß diese in dieser Weise erzeugten Echoimpulse zur Kontrasterzeugung mit weiteren Hochfrequenzpulsen ohne gepulste Zusatzmagnetfelder zu weiteren Echosignalen mehrfach refokussiert werden. Dabei wird die Polarität der Zusatzmagnetfelder innerhalb der Präparationsperiode t_Ec/2 nach jedem Hochfrequenzimpuls gewechselt. Mit den Zusatzmagnetfeldern werden Änderungen des Gesamtmagnetfeldes in unterschiedlichen Raumrichtungen bewirkt. Folgen die Hochfrequenzimpulse im Zeitabstand t_Ec aufeinander, werden die Zusatzmagnetfelder für die Ortskodierung somit nur innerhalb der ersten halben Echozeit t_Ec/2 erzeugt. Die dabei gebildeten Echosignale S werden anschließend zur Kontrasterzeugung mehrfach in zeitlichem Abstand t_Ec abgerufen. Es können so zum einen in einem Meßdurchgang mehrere Raumpunkte zur Detektion des Umgebungsvolumens gemessen werden, was als "Multiplexvorteil" bezeichnet wird. Zum anderen werden die Echosignale S zur Kontrasterzeugung mit den Impulsen des Hochfrequenzschwingkreises mehrfach refokussiert. Neben dem Multiplexvorteil im Ortsraum ist damit durch Wichtung mit typischen NMR-Parametern (z. B. durch transversale Relaxationszeit) auch ein Multiplexvorteil bei der Kontrastmessung gegeben. Zur Detektion des zu messenden Umfeldes lassen sich daher innerhalb einer Meßzeiteinheit nicht nur eine hohe Anzahl von Meßpunkten abtasten, die Meßpunkte werden zugleich auch mit verstärktem Kontrast ermittelt, so daß für die Analytik mit der NMR-Mouse durch Erzeugung der gepulsten Zusatzmagnetfelder eine erhebliche qualitative Verbesserung gegenüber den bisher bekannten Meßverfahren erreicht ist. Basis hierfür ist, daß die gepulsten Zusatzmagnetfelder zeitlich derart geschaltet sind, daß innerhalb der Echozeit t_Ec eine Vorzeichenumkehr des Zusatzmagnetfeldes erfolgt.

Zur Erzeugung der Hochfrequenzsignale im pulsierenden magnetischen Meßfeld B₁ wird zur Kernmagnetisierung zweckmäßig die Hochfrequenzanregung nach der Methode von Carr, Purcell, Meiboom und Gill, die CPMG-Methode benutzt (siehe Guthausen et al, "Analysis of Materials by Surface NMR via the MOUSE", J. Magn. Reson. 130, 1998, S. 1/7). Ebenso sind weitere bekannte NMR-Echoverfahren anwendbar und zur Kontrastvariation sinnvoll, mit denen sich Echosignale erzeugen lassen, deren Amplitude weitgehend unabhängig von der Inhomogenität eines anliegenden Permanentmagnetfeldes ist. Der Einfluß auf das Meßsignal, der sich infolge des inhomogenen statischen Magnetfeldes ergibt, wie es beim Polarisationsfeld B₀ der NMR-MOUSE gegeben ist, wird auf diese Weise eliminiert. Der Effekt des Zusatzmagnetfeldes B_Z auf das Echosignal S ist somit störungsfreier zu ermitteln.

Eine Variante zur Lösung der vorgenannten Aufgabe der Erfindung besteht ausgehend vom eingangs angegebenen Verfahren nach Patentanspruch 3 darin, daß schwingungsmodulierte Zusatz-Gradientenfelder B_Z(t) (z. B. schwingungsmodulierte Gradientenfelder) erzeugt werden und Hochfrequenzimpulse und Modulation des Zusatz-Gradientenfeldes aufeinander in der Weise abgestimmt werden, daß der zeitliche Abstand t_E/2 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hochfrequenzimpulsen mit Drehwinkeln α und anschließend β (z. B. β = 2α) der halben Schwingungszeit der Modulationsfunktion des Zusatz-Gradientenfeldes entspricht. Dabei werden die beiden Hochfrequenzimpulse als Sendesignale jeweils im Nulldurchgang der Modulationsfunktion abgegeben. Im nächsten darauf folgenden Nulldurchgang der Modulationsfunktion wird der Hochfrequenzimpuls ausgesetzt und statt dessen das in diesem Zeitpunkt gegebene Echosignal acq (acq = acquisition) detektiert. Die damit gegebene Hochfrequenzimpuls-Detektion-Sequenz α - t_E/2 - β - t_E/2 - acq wird mehrere Male wiederholt, wobei die Modulation des Zusatz-Gradientenfeldes jeweils nach Ablauf einer Sequenz geändert wird. Das Meßfeld wird auf diese Weise Raumpunkt für Raumpunkt abgetastet, wobei gegebenenfalls zur Vervollständigung der Analyse des Umgebungsmediums fehlende Raumpunkte iterativ ergänzt werden.

Um nach jeder Sequenz wieder am Ausgangspunkt der Messung starten zu können, wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Modulationsfunktion für das Zusatzmagnetfeld nach jeder Detektion und Ablauf einer Sequenz durch einen Gradienten mit doppelter und zum Vorzeichen der vorhergehenden Gradientenhalbwelle jeweils entgegengesetzt gerichteter Amplitude moduliert Der k- Raum bzw. das Meßfeld wird so sprunghaft auf Cartesischen Raumkoordinaten abgefragt, von -k₁ als erstem Wert wird nach +2k₁ gesprungen und danach nach -3k₁ und nach +4k₁ usw. Für den k₁-Wert ist jeweils das Zeitintegral der Gradienten- Modulationsfunktion im ersten Zeitintervall t_E maßgebend. Falls dabei für die gegebene Struktur des zu untersuchenden Materials eine iterative Ergänzung offen gebliebener k-Punkte im Meßfeld nicht ausreichend ist, kann die Messung mit einer Sequenz umgekehrten Vorzeichens wiederholt werden, wobei dann die Raumpunkte +k₁, -2k₁, +3k₁, -4k₁ usw. abgetastet werden. Erfolgt die Gradientenmodulation des Zusatzmagnetfeldes bei konstanter Frequenz, ist die Amplitudenmodulation durch eine resonante Ansteuerung des Schwingkreises leicht zu realisieren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematischen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt im einzelnen:

Fig. 1 Multiplexverfahren

Fig. 2 oszillierendes Gradientenfeld

Fig. 3 Aufbau einer NMR-MOUSE zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren mit

Fig. 3a: Aufsicht auf eine NMR-MOUSE aus Richtung a nach Fig. 3b,

Fig. 3b: Längsschnitt durch die NMR-MOUSE gemäß Schnittlinie b nach Fig. 3a

Fig. 1 gibt schematisch das Multiplexverfahren wieder und zeigt die Taktfolge zeitlich aufeinander folgender Signalimpulse. In der ersten Zeile a von Fig. 1 sind in schematischer Darstellung gepulste Sendesignale TX des Hochfrequenzschwingkreises zur Erzeugung des magnetischen Meßfeldes B₁ eingetragen. Unter "Pulsen" der Sendesignale oder "Pulsen" des Hochfrequenzmagnetfeldes wird verstanden, daß das Meßfeld B₁ in einem vorgegebenen Zeittakt, im Ausführungsbeispiel im Zeitabstand t_Ec, durch Anregen der Hochfrequenzspule über einen kurzen Zeitraum stoßweise erzeugt wird. Auf ein erstes Pulsen des Hochfrequenzschwingkreises mit Sendesignalen TO, T1 im ersten Zeitintervall t_Ec/2, das im folgenden als Präparationsperiode bezeichnet wird, folgen anschließend gepulste Sendesignale T2 bis TN des Hochfrequenzschwingkreises jeweils in zeitlichem Abstand t_Ec aufeinander. In der zweiten Zeile b von Fig. 1 ist schematisch das Gradientensignal G zur Erzeugung des Zusatzmagnetfeldes B_Z und in der dritten Zeile c das Empfängersignal RX angegeben, das aufgrund der im Gesamtmagnetfeld gebildeten Echosignale S meßbar ist, die sich durch Überlagerung von konstantem magnetischen, im Ausführungsbeispiel permanentmagnetischem Polarisationsfeld B₀, gepulstem Meßfeld B₁, und ebenfalls gepulstem Zusatzmagnetfeld B_z (B_z = Gr mit r = Ortsvektor) ergeben. Die unteren drei Zeilen d bis f von Fig. 1 zeigen Sende-, Gradienten- und Empfängersignale während der Präparationsperiode abweichend von den ersten drei Zeilen der Fig. 1 zeitlich gespreizt. Es sind diejenigen Signale angegeben, die innerhalb des ersten Zeitintervalls t_Ec/2 gesendet und empfangen werden. In Zeilen a bis c der Fig. 1 sind diese Signale in der Präparationsperiode schematisch als Blöcke eingetragen, so in Zeile a die Sendesignale TX des Hochfrequenzschwingkreises als Block HP (siehe zeitlich gespreizt in Zeile d mit T11, T12, T13, T14) sowie als Block GP das Gradientenfeld G des Zusatzmagnetfeldes B_Z mit Vorzeichenänderung des Gradienten (siehe zeitlich gespreizt in Zeile e von Fig. 1). Die Sendesignale TX des Hochfrequenzschwingkreises werden in der Präparationsperiode in zeitlichem Abstand im Zeittakt t_Ek erzeugt. Das Empfängersignal RX, das sich durch Überlagerung der Magnetfelder B₀, B₁ und B_Z innerhalb der Präparationsperiode t_Ec/2 ergibt, ist in Zeile f auseinander gezogen wiedergegeben, wobei als erstes Signal SO das FID (Free Induction Decay)-Signal angegeben ist, das durch das erste Sendesignal TO des Hochfrequenzschwingkreises erzeugt wird. Auf das FID-Signal folgen dann die Echosignale S, nämlich S1 bis S3.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, wird das Zusatzmagnetfeld B_Z, das im Ausführungsbeispiel durch Vorzeichenumkehr des Gradientenfeldes gebildet wird, nur im ersten Zeitintervall t_Ec/2, also während der Präparationsperiode erzeugt. In den nachfolgenden Zeitabschnitten werden die weiteren Echosignale S0' bis S3' aufgrund der Hochfrequenzanregungen T1, T2, T3 ohne erneut eingeschaltetes Zusatzmagnetfeld mit ihren sich entsprechend der Relaxationszeit abschwächenden Amplitudenwerten gemessen, siehe Fig. 1, Zeile c. Die Echosignale S' können bei der Bildgebung so zur Kontrasterzeugung genutzt werden.

Im Ausführungsbeispiel wird zur Hochfrequenzanregung der Kernmagnetisierung im Meßfeld B₁ die CPMG-Methode benutzt. Der Einfluß der zeitlich konstanten Inhomogenitäten des von den Permanentmagneten der NMR-MOUSE erzeugten Polarisationsfeldes B₀ auf die zu empfangenden Echosignale S wird somit eliminiert. Das Zusatzmagnetfeld B_Z wird zeitlich so geschaltet, daß sein Effekt auf das Echosignal erhalten bleibt. Im einfachsten Fall ist hierzu für das Zusatzmagnetfeld innerhalb des Zeitintervalls t_Ec/2 eine Vorzeichenumkehr vorgesehen, wie sie in Zeile e der Fig. 1 wiedergegeben ist. Es wird somit bei einfachem Gradientenfeld mit jedem Echo in der CPMG-Folge eine weitere Ortsinformation im zum Ortsraum Fourier- konjugierten Wellenvektorraum oder k-Raum erhalten. Werden wie im Ausführungsbeispiel in Gegenwart von hochfrequenten Sendeimpulsen TX innerhalb der Präparationsperiode zusätzlich Gradienten G aufgeschaltet und zusätzlich zum FID-Signal S0 drei CPMG-Echos S1 bis S3 erzeugt, dann werden im zweiten und allen weiteren Zeitintervallen t_Ec mit den Echos S0' bis S3', wie sie in Zeile c schematisch angegeben sind, im k-Raum jeweils vier Raumpunkte gemessen. Diese innerhalb der Echozeit t_Ec erzeugten vier CPMG-Echos werden wie oben angegeben bei ausgeschaltetem Gradientenfeld wiederholt abgerufen. Ihre Ortskodierung über den k- Raum wird zur Definition des Kontrastes genutzt. Wieviel aufeinander folgende Zeitintervalle zur Bestimmung von Raumpunkten genutzt werden können, kommt auf die Überdeckung der Echosignale durch jeweils gegebenes instrumentelles Rauschen an.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 werden vier Werte des k-Raumes mit konstantem Amplitudenwert für die Gradientenpulse G (siehe Fig. 1, Zeile e, fett markierter Gradientenwert G₁) abgefragt, nämlich k = 0, k₁, 2k₁, 3k₁. Weitere Werte des k-Raumes erhält man durch Wiederholung dieses Meßverfahrens mit anderen Werten der Gradientenpulse G, die beispielsweise entsprechend der in Fig. 1 in Zeile e für steigende Gradientenwerte G eingetragenen Pfeilrichtung bestimmt werden.

Zur Erzeugung der Echozüge können verschiedene Verfahren eingesetzt werden, z. B. 180°-Impulse nach Hahn, wie sie in der CPMG-Sequenz Verwendung finden. Aber auch Impulse für dipolare Echos sind nutzbar, siehe hierzu Guthausen et al, wie oben zitiert. Je nach Art der Signalgebung ergibt sich jeweils eine unterschiedliche Signalwichtung und damit unterschiedlicher Kontrast.

Durch die Erzeugung von mehrfachen Echos, die anteilig den Charakter von Hahn- Echos haben, wird die Messung unabhängig von zeitlich konstanten Inhomogenitäten der Permanentmagnetfelder. Es können somit teure Magnete zur Ausbildung homogener Magnetfelder entfallen. In einem Meßdurchgang werden mehrere Raumpunkte im k-Raum gemessen. Im gleichen Durchgang werden diese Punkte mit Kontrast mehrfach gewichtet. In dieser Weise ähnelt das Verfahren der SPARE- Methode (Single-Point imAging with Relaxation Enhancement, siehe D. J. O. McIntyre et al. "A Robust Method for Magnetic Resonance Imaging in Inhomogeneous Fields", J. Magn. Reson. 130, 1998, S. 58/62).

In Fig. 2 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine Ortsauflösung mit oszillierendem Zusatzmagnetfeld G(t) wiedergegeben.

In Zeile a der Fig. 2 sind die Hochfrequenzimpulse TX dargestellt, die bei gewählter Echozeit t_E in einer Impulssequenz α - t_E/2 - β - t_E/2 - acq aufeinanderfolgen, wobei auf im Zeitabstand t_E/2 nacheinander erzeugte Anregungsimpulse mit Drehwinkel α und Refokussionswinkel β jeweils eine Detektion acq des Echowertes erfolgt. Der Datenaufnahmezeitpunkt acq ist in Fig. 2 durch einen Pfeil dargestellt. Für Hahn- Echos beträgt der Refokussionswinkel β = 2α, bei α = 90° also β = 180°.

Zeile b von Fig. 2 zeigt die Oszillation des Gradienten G(t) des im Ausführungsbeispiel zur Ortsauflösung aufgeschalteten und hier mit konstanter Frequenz oszillierenden und durch Änderung der Amplitude modulierten Zusatzmagnetfeldes B_Z(t). Die Frequenz der Gradientenfunktion bzw. des oszillierenden Zusatzmagnetfeldes B_Z(t) und der Zeitabstand t_E der Impulssequenz zwischen erstem Anregungsimpuls α und Detektion acq sind derart aufeinander abgestimmt, daß die Anregungsimpulse α, β und die Detektion acq jeweils in Nulldurchgängen einer Halbwelle des oszillierenden Zusatzmagnetfeldes zentriert sind. Der Zeitabstand t_E der Impulsfrequenz zwischen erstem Anregungsimpuls und Detektion beträgt somit t_E = 1/ν mit ν = Frequenz des oszillierenden Zusatzgradientenfeldes G(t). Das oszillierende Zusatzgradientenfeld wird in seiner Amplitude zeitlich so verändert, daß bei aufeinander folgenden Echos unterschiedliche Raumpunkte im k-Raum abgetastet werden. Im Ausführungsbeispiel wird die Amplitude des Zusatzgradientenfeldes so variiert, daß mit Ablauf einer Sequenz nach einer Zeitspanne 3 × t_E/2 das Gradientenintegral null wird und wieder der Ausgangspunkt des zu messenden k-Raums bei k = 0 erreicht wird. Die Amplitude wird hierzu nach jeder Detektion mit entgegengesetztem Wert verdoppelt (siehe Fig. 2, Zeile b, die Wertefolge: +1, -1, +2; -2, +2, -4; +3, -3, +6 usw.). Der Verlauf der in dieser Weise modulierten Gradientenfunktion über einen längeren Zeitraum ist in Fig. 2 in Zeile d dargestellt: Es ist - zeitlich komprimiert gegenüber den Zeilen a bis c von Fig. 2 - eine Gradientenmodulation über mehr als 40 Impulssequenzen gezeigt.

In jeder Sequenz wird nach Anregung durch den ersten Hochfrequenzimpuls α und Refokussierung durch den zweiten Hochfrequenzimpuls β die Amplitude des Echos zum Zeitpunkt t_E im Nulldurchgang des oszillierenden Zusatzmagnetfeldes gemessen. Mit den dabei jeweils detektierten Werten wird der k-Raum abgetastet. Die aufeinander folgenden Meßpunkte des k-Raumes sind in Fig. 2, Zeile c als Linienfunktion jeweils im Detektionszeitpunkt acq markiert. Infolge der vorbeschriebenen Gradientenmodulation nach Ablauf jeden Zeitabschnitts 3 × t_E/2 startet jeder Meßzyklus nach jeder Impulssequenz im Ausführungsbeispiel im k-Raum wieder am Ausgangspunkt der Messung (siehe Zeile c, k = 0 bei Beginn jeder Impulssequenz). Der k-Raum wird auf diese Weise sprunghaft auf Carthesischen Koordinaten abgefragt. Aufeinanderfolgend werden im Ausführungsbeispiel in Fig. 2 in Zeile c mit Betrag k = k₁ die Werte -k₁, +2k₁, -3k₁, +4k₁ usw. ermittelt. Die dabei nicht erfaßten Werte des k-Raumes können iterativ oder zur vollständigen Abfrage des k-Raums durch Wiederholung der Messung z. B. mit Impulssequenzen mit umgekehrtem Vorzeichen erfaßt werden, wobei im k-Raum dann die Werte +k₁, -2k₁, +3k₁, -4k₁ usw. ermittelt werden. Die Gradientenmodulation erfolgt im Ausführungsbeispiel bei konstanter Frequenz, so daß zur Realisierung eine resonante Ansteuerung ausreichend ist.

Diese Vorgehensweise ist im Ansatz konzeptionell ähnlich dem Vorgehen bei der Bildgebung nach dem FAST-Verfahren (siehe M. Glyngell, J. Magn. Reson. Imag. 6, 1988, S. 415), sie arbeitet aber mit durchgehend oszillierenden Gradienten einer Grundfrequenz.

In Fig. 3 ist schematisch eine NMR-MOUSE wiedergegeben, die zur Durchführung des vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.

Die NMR-MOUSE weist zur Polarisation der kernmagnetischen Momente im zu untersuchenden Material und zur Erzeugung von Meßsignalen räumlich inhomogene Magnetfelder auf. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, befinden sich bei einer NMR-MOUSE 1 zwischen zwei entgegengesetzt magnetisierten Permanentmagneten 2, 3 mit Permanentmagnetpolen N und S zwei Gradientenspulen 4, 5 sowie zwischen den Gradientenspulen eine Hochfrequenzspule 6. Dem statischen Polarisationsfeld B₀, das zwischen den Permanentmagnetpolen erzeugt wird, ist mittels der Hochfrequenzspule 6 in zeitlichem Abstand pulsierend ein magnetisches Meßfeld B₁ als magnetischer Anteil eines Hochfregenzfeldes überlagerbar, das mit der Hochfrequenzspule als Bestandteil eines elektrischen Schwingkreises gebildet und empfangen wird. Zum "Pulsen" des magnetischen Meßfeldes B₁ wird das Magnetfeld in einem vorgegebenen Zeittakt durch Anregen der Hochfrequenzspule über einen kurzen Zeitraum stoßweise erzeugt. Mit den Gradientenspulen 4, 5 wird - ebenfalls gepulst - dem Magnetfeld als Zusatzmagnetfeld B_Z ein magnetisches Gradientenfeld überlagert. In Fig. 3a sind die Feldlinien des von den Gradienten erzeugten Zusatzmagnetfeldes B_Z schematisch eingetragen. Form und Größe des Umgebungsvolumens, das in der äußeren Umgebung der NMR-MOUSE kernmagnetisch impliziert und durch Messen der Echosignale zu detektieren ist und so den meßempfindlichen Volumenbereich darstellt, ist für jedes Gerät einerseits durch die spezifische Bandbreite der magnetischen Hochfrequenzanregung und andererseits durch die orthogonalen Komponenten beider Magnetfelder B₀ und B₁ definiert. Der Verlauf der magnetischen Feldlinien und damit die Größe des signalgebenden Volumenbereichs kann durch entsprechendes Dimensionieren und Anordnen der Permanentmagnete und der Spule des elektrischen Hochfrequenzschwingkreises sowie durch Zuschalten von Zusatzspulen verändert werden.

Zum permanentmagnetischen Polarisationsfeld B₀ wird mittels der Gradientensspulen 4, 5 somit ein Zusatzmagnetfeld B_Z mit einem Feldgradienten tangential zur äußeren Oberfläche der NMR-MOUSE 1 und senkrecht zum Polarisationsfeld B₀ erzeugt. Dieses Zusatzmagnetfeld wird zur Erzeugung der Ortsauflösung (Phasenkodierung der Ortsinformation) in zeitlichem Abstand gepulst. Die Hochfrequenzspule 6 ist in der Weise angeordnet, daß die Feldlinien des Polarisationsfeldes B₀ und die Feldlinien des durch die Hochfrequenzspule erzeugten magnetischen Meßfeldes B₁ im messempfindlichen Volumenbereich senkrecht aufeinander stehen. Die orthogonalen Komponenten der beiden Magnetfelder B₀ und B₁ indizieren das Meßsignal. Für Anregung und Detektion des Messignals wird die gleiche Hochfrequenzspule verwendet.

Für die Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung die Magnetfelder und erzeugten Signalimpulse nur eindimensional in einer der Raumrichtungen wiedergegeben. Die Magnetfelder überlagern sich jedoch selbstverständlich in allen drei gegebenen Raumrichtungen. Mit weiteren Spulen können Zusatzmagnetfelder mit Gradienten in den anderen Raumrichtungen für 2dimensionale und 3dimensionale Ortsauflösung erzeugt werden. Die Echosignale sind dementsprechend dreidimensional abrufbar und die beschriebenen Meßmethoden auf 2 und 3 Ortskoordinaten erweiterbar.

Bezugszeichenliste (Fig. 3)

1

NMR-MOUSE-Gerät

2

,

3

Permanentmagnete

4

,

5

Gradientenspule

6

Hochfrequenzspule
B₀

Polarisationsfeld
B₁

magnetisches Meßfeld
B_Z

Zusatzmagnetfeld

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung von Meßsignalen in Magnetfeldern, die von einem NMR-MOUSE-Gerät in dessen Umfeld im Umgebungsmedium erzeugt werden und deren Veränderung gemessen wird, wobei ein statisches magnetisches Polarisationsfeld B₀ und mittels Hochfrequenzschwingkreis gepulst ein magnetisches Meßfeld B₁ erzeugt und die dabei im Umgebungsmedium verursachten Echosignale S ermittelt werden, die nach einer Echozeit t_E meßbar sind, wobei die orthogonalen Komponenten beider Magnetfelder B₀ und B₁ zur Bildung der Meßsignale führen, dadurch gekennzeichnet,
daß bei einem Zeitabstand t_Ec zwischen den Hochfrequenzimpulsen gepulste Zusatzmagnetfelder B_Z innerhalb der Präparationsperiode t_Ec/2 erzeugt werden, wobei die Polarität der Zusatzmagnetfelder innerhalb der Präparationsperiode nach jedem Hochfrequenzimpuls (T11, T12, T13, T14) gewechselt wird, und
daß innerhalb der Präparationsperiode erzeugte Echosignale S ohne gepulste Zusatzmagnetfelder zur Kontrasterzeugung mehrfach refokussiert werden.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Echosignale S CPMG-Echos erzeugt werden.

3. Verfahren zur Erzeugung von Meßsignalen in Magnetfeldern, die von einem NMR-MOUSE-Gerät in dessen Umfeld im Umgebungsmedium erzeugt werden und deren Veränderung gemessen wird, wobei ein statisches magnetisches Polarisationsfeld B₀ und mittels Hochfrequenzschwingkreis gepulst ein magnetisches Meßfeld B₁ erzeugt und die dabei im Umgebungsmedium verursachten Echosignale S ermittelt werden, die nach einer Echozeit t_E meßbar sind, wobei die orthogonalen Komponenten beider Magnetfelder B₀ und B₁ zur Bildung der Meßsignale führen, dadurch gekennzeichnet, daß schwingungsmodulierte Zusatz-Gradientenfelder B_Z(t) erzeugt werden und Hochfrequenzimpuls und Modulation des Zusatz-Gradientenfeldes aufeinander in der Weise abgestimmt werden, daß der zeitliche Abstand t_E/2 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hochfrequenzimpulsen mit Drehwinkeln α und β der halben Schwingungszeit der Modulationsfunktion des Zusatz-Gradientenfeldes entspricht und daß die Hochfrequenzimpulse als Sendesignale jeweils im Nulldurchgang der Modulationsfunktion abgegeben werden, daß nach den beiden hochfrequenten Sendesignalen im darauf folgenden Nulldurchgang der Modulationsfunktion das Echosignal detektiert wird, und daß darauf die damit gegebene Hochfrequenzimpuls-Detektion- Sequenz α - t_E/2 - β - t_E/2 - acq wiederholt wird, wobei die Modulation des Zusatz-Gradientenfeldes jeweils nach Ablauf einer Sequenz geändert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmagnetfeld nach jeder Detektion durch einen Gradienten mit doppelter und zum Vorzeichen der vorhergehenden Gradientenhalbwelle jeweils entgegengesetzt gerichteter Amplitude moduliert wird.