DE2447496C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der gyromagnetischen Resonanz eines Elementes in einer Probe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der gyromagnetischen Resonanz eines Elementes in einer Probe, bei dem die Probe einem polarisierenden Magnetfeld, welches einen orts- und zeitunabhängigen Anteil sowie einen ortsabhängigen Anteil aufweist, und einem hochfrequenten magnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird, welches geeignete Frequenzkomponenten zur Anregung der gyromagnetischen Resonanz des einer bestimmten Stärke des polarisierenden Magnetfeldes ausgesetzten Elementes umfaßt, und bei dem die von dem untersuchten Element stammenden gyromagnetischen Resonanzsignale zur Erzeugung einer vom Ort in der Probe abhängigen Darstellung der Resonanz verarbeitet werden und außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einer Einrichtung zur Beaufschlagung der Probe mit einem polarisierenden Magnetfeld, welches einen orts- und zeiut.iabhängigen Anteil sowie einen ortsabhängigen Anteil aufweist, mit einer Hochfrequenzquelle zur Beaufschlagung der Probe mit einem magnetischen Wechselfcld, welches geeignete Frequenzkomponenten zur Anregung der gyroma^netischen Resonanz des einer bestimmten Stärke des polarisierenden Magnetfeldes ausgesetzten

to Elementes umfaßt und mit Einrichtungen zur Verarbeitung der von dem untersuchten Element stammenden gyromagnetischen Resonanzsignale und zur Erzeugung einer vom Ort in der Probe lbhängigen Darstellung der Resonanz.

Bei solchen Elementen einer Probe kann eine Elektronenspin- oder eine Kernspinresonanz er/.eugi werden.

Bei einem Verfahren dieser Art (Nature. Vol. 242, March 16, 1973, Seiten 190, 191) wird der ortsabhängige Anteil des polarisierenden Magnetfeldes durch eine statische Komponente erzeugt, die sich durch die Probe hindurch erstreckt. Die durch dieses Verfahren erhaltenen Resonanzsignalc führen zu einer eindimensionalen Darstellung der Dichte des gemessenen Elementes in der Probe, wobei über Ebenen senkrecht zur Richtung des Gradienten der statischen Komponente iniergriert wird. Um zweidimcnJonalc oder dreidimensionale Darstellungen des Resonan/.verhaltcns zu erhallen, ist es erforderlich, dieses Verfahren für eine Reihe unterschiedlicher Richtungen des Gradienten der statischen Komponente zu wiederholen und dann die Ergebnisse in einem Rckonstruktionsverfahren zu verarbeiten. Neben einem komplexen Verarbeitungsaufwand weist dieses Verfahren noch als Nachteil au^r, daß eine Information über einen begrenzten Bereich einer Probe nicht unmittelbar ohne Abhängigkeit von den Eigenschaften des Restes der Probe erhalten werden kann. Außerdem erfordert die Gewinnung einer Informat'on aus einer Rekonstruktion, daß für jede Richtung des Gradienten des Magnetfeldes der Betrag des Gradienten im hohen Maße gleich sein muß durch die Probe hindurch, wenn eine nutzbare Auflösung in den endgültigen Darstellungen gegeben sein soll.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines ' '-rfahrens der eingangs genannten Galtung, mit welchem es möglich ist, auf einfachere Weise mit höherer Genauigkeit eine Aussage iib'.T die Dichte von bestimmten Elementen in einem wählbaren Bereich der

Probe zu erhalten, sowie die Schaffung einer zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneten Vorrichtung der eingangs genannten Gattung.

Erfindungsgemäß ist zur Lösung dieser Aufgabe bei dem gattungsgemäßen Verfahren vorgesehen, daß der ortsabhängige Anteil zeitabhängig gemacht und in einem wählbaren Bereich der Probe zum Verschwinden gebracht wird und daß nur mit dieser Zeilabhängigkeit nicht behaftete Resonanzsignale der Verarbeitung zugeführt werden.

Dieser Lösung liegt die allgemeine Idee zugrunde, in dem wählbaren Bereich eine Zeitabhängigkeit zu schaffen, die für diesen Bereich eindeutig ist und ihn somit von allen anderen Bereichen unterscheidet. Bei der vorstehenden Lösung wird eine solche Eindeutigkeit dadurch herbeigeführt, daß die Zeitabhängigkeit zum Verschwinden gebracht wird.

Der bei dem erfindungsgemäßcn Verfahren zeitabhängig gemachte ortsabhängige Anteil des polarisierenden Magnetfeldes ist dabei unabhängig von der aus dem vorstehend erläuterten Stand der Technik bekannten statischen ortsabhängigen Komponente des polarisierenden Magnetfeldes, d. h. die bekannte statische ortsabhängige Komponente kann entfallen oder zusätzlich angewendet werden zu dem erfindungsgemäß vorgesehenen, zeitabhängig gemachten ortsabhängigen Anteil des polarisierenden Magnetfeldes.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 4 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens 'in Anspruch 5 und vorteilhafte Weiterbildungen hiervon in den Ansprüchen 6 und 7 definiert.

Durch eine geeignete Beeinflussung der Komponenten des zeitabhängig gemachten, ortsabhängigen Anteils des polarisierenden Magnetfeldes ist es möglich. den wählbaren Bereich der Form eines Punktes, einer Linie oder einer Ebene weilgehend anzunähern.

Kin wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß nur die Anteile des Ausgangssignals von der Sonde einer Auswertung zugeführt werden, die von dem wählbaren Bereich, in welchem die Zciiabhiingigkcil zu Null gemacht worden ist, hervorgerufen worden sind, während alle übrigen Anteile des Ausgangssignals vor (Jessen Verarbeitung ausgcfilicrt werden. Es ist somit auf einfache Weise möglich, eine unmittelbar': Aussage über einen ausgewählten Bereich in der Probe und auch eini zvei- oder dreidimensionale Darstellung der Dichte eines Elementes in einer Probe ohne aufwendige Rekonstruklionsverfahren zu erhalten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben; in dieser zeigt

I'i g. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Messen der gyronvignetischeri Resonanz eines Elementes in einer Probe,

F i g. 2a, 2b und 2c perspektivisch Spulen zur Erzeugung einer Zeitabhängigkeit eines orlsabhängigen Anteils eines polarisierenden Magnetfeldes,

P i g. 3 in Draufsicht die Spulen der Vorrichtung nach I·" ig. i,

I'ig. 4 ein Blockschaltbild .:!r.er Schaltung zur bo Steuerung der in den Fig. 1 — J gezeigten Spulen und

Fi g. '·> eine Darstellung der Ergebnisse, die mit einer Vorrichtung gemäß den Fig. 1—4 erhalten worden sind.

Nach F i g. 1 umfaßt eine Anordnung /um Messen der μ gyromagnetischen Resonanz eines Elementes in einer Probe eine Sonde ), in welcher zu messende Proben iintreoidnet werden köiinen. Die Sonde 1 ist während der Messung in einem polarisierenden Magnetfeld angeordnet, das durch einen üblichen (nicht gezeigten) Magneten erzeugt wird. Dabei wird üblicherweise die Richtung des Feldes als die Z-Richtung in einem kartes'.schen Koordinatensystem angenommen.

Die Probe wird einer Hochfrequenzenergie aus einem HF-Oszillator 2 ausgesetzt, dessen Ausgangssignal durch ein Tor 3 in Impulse umgewandelt wird, die von einem Verstärker 4 verstärkt und von einer HF-Senderspule 5 in die Sonde 1 übertragen werden. Das Tor 3 wird von einem Triggerimpulsgenerator 6 gesteuert, der eine Reihe von Impulsen von etwa 1 kHz einem HF-Torschaltungs-Impulsformer 7 zuführt, dessen Ausgangssignal zu dem Tor 3 gelangt.

Bei der dargestellten Ausführungsform wird das Ausgangssignal des HF-Oszillators 2 in drei parallele Zweige geteilt, von denen einer eine Schaltung 8 enthält, welche die Phase des Oszillatorausgangssignals um 180° verschiebt. Dieser und ein anderer Zweig werden zu getrennten Eingängen eines Verstärkers 9 geführt, welcher die an seinen Eingängen auftretenden Signale alternierend verstärkt und mit dem Tor 3 verbunden ist. Der Verstärker 9 wird durch Impulse aus einer Frequenzteiler-Schaltung 10 geschaltet, die die Frequenz der Impulse halbiert, die sie von einem Videotorimpulsformer 11' empfängt, der seinerseits von Impulsen von dem Triggerimpulsgenerator 6 versorgt wird. Der Verstärker 9 führt somit Signale dem Tor 3 zu. die sich in der Phase um 180" ändern. Durch die Änderung der Phase der HF-Impulse um 180° wird das Vorzeichen des Signals von der Probe geändert.

Die Sonde 1 enthält weiterhin Hochfrequenzaufnahmespulen 11, welche die Energie empfangen, die aufgrund der gyromagnetischen Resonanz in der Probe abgestrahlt wird. Das zugehörige, von der Sonde abgegebene Signal wird in einem HF-Verstärker 12 verstärkt und in einem phasenempfindlichen Detektor 13 gemessen, der von einer variablen Phasenschieberschaltung 14 gesteuert wird, die mit dem dritten Zweig des HF-Oszillators 2 verbunden ist. Das gemessene Signal wird von einem Videoverstärker 15 verstärkt und über ein Videotor 16 einem geschalteten Abfrageverstärker 17 zugeführt. Der Zweck des Videotors 16 besteht darin, das Signal während der Perioden abzuschalten, während der ein HF-Impuls durch die Übertrager 5 der Sonde zugeführt wird. Der geschaltete Abfrageverstärker 17 schaltet das Vorzeichen des Signals, welches durch ihn hindurchgeführt wird, in der Weise, daß eine positive Verstärkung nach einem Impuls und eine negative Verstärkung nach dem nächsten Impuls erfolgt. Zu diesem Zweck wird der Verstärker durch Impulse der Frequenzteiler-Schallung 10 gesteuert.

Da durch die Änderung der Phase der HF-Impulse um 180° das Vorzeichen des Ausgangssignals aus der Probe geändert wird und da die Verstärker 9 und 17 synchron von der gleichen Quelle aus geschaltet werden, haben die Anteile des endgültigen Ausgangnsignales aus dem Verstärker 17 immer das gleiche Vorzeichen, die durch die von der Probe aufgenommenen Signale hervorgerufen worden sind. |edoch ändert eine systematische Störung, welche in das Signal eingeführt worden ist, sich im Vir-zcichen. Eine solche Störung kann hervorgerufen werden beispielsweise durch ein leckartiges Eindringen der Hochfrequenz vom Oszillator 2 und anderen Quellen in den Empfänger, durch ein Eogikrauschen des Rechners, welches vom Empfänger aufgenommen wird, durch eine Giundlinien- bzw. Zeitbasisversetzung oder

durch ein Driften in dem Videoverstärker.

Durch eine Mitteilung des Signals in einer Einrichtung zur Durchschnittswertbildung des Signals kann jedoch diese systematische Störung entfernt werden. Dies würde jedoch nicht der Fall sein, wenn die Signalmitteilung allein ver endet würde ohne den Wechsel in der Phase der Ho^hfrequenzimpulse, da dadurch nur das SignalVRauschverhältnis verbessert würde.

Die Sonde 1 enthält außerdem drei Spulenpaare 19, 20 und 21, um die Probe einem inhomogenen Magnetfeld auszusetzen, welches dem homogenen, durch den Magneten erzeugten Feld überlagert ist. Dabei wird das inhomogene Magnetfeld zeitabhängig gemacht in der nachfolgend beschriebenen Weise.

Aus Gründen der Klarheit sind die Spulenpaare 19, 20 und 21 in Fig. 1 in einem Abstand von der Probe gezeigt; ihre Gestalt und Anordnung werden jedoch anhand der F i g. 2 und 3 klarer.

Die Ausgestaltungen der einzelnen Spulenpaare 21, 19 bzw. 20 sind in den Fig. 2a, 2b und 2c gezeigt, während die Gesamtanordnung in F i g. 3 dargestellt ist. in welcher die Positionen der Senderspulen 5 und Empfängerspulen 11 ebenfalls dargestellt sind. Die Probe wird in einer (nicht gezeigten) zylindrischen Kammer angeordnet, die einen Durchmesser von 8 mm und eine Länge von 40 mm aufweist und mit ihrer Achse parallel zu dem homogenen Magnetfeld angeordnet ist. Das Spulenpaar 19 ist in einer Ebene senkrecht zur Z-Achse angeordnet, wobei die Spulen dieses Paares ein Paar von Drähten 40 bzw. 41 umfassen, die sich teilweise parallel zu der V-Achse auf gegenüberliegenden Seiten der Probe erstrecken. Im Betrieb fließen Ströme durch die Drähte 40 und 41 in der gleichen Richtung, wobei der verbleibende Teil der Spulen 19 so geformt ist. daß die Rückführungswege dieser Ströme genügend auf Abstand von der Probe gehalten sind. Das Spulenpaar 20 weist die gleiche Form wie das Spulenpaar 19 auf. jedoch verlaufen in diesem Fall die Drähte 40 und 41 parallel zur X-Achse. Das Spulenpaar 21 ist in der Form eines Helmholz-Paares entgegengesetzt gewickelt, wobei die Spulen dieses Paares in Ebenen senkrecht zur Z-Achse angeordnet sind und auf gegenüberliegenden Seiten der Ebene der Spulen 19 und 20 liegen.

Die Feldstärke-Gradienten der einzelnen Magnetfelder, die durch die Spulenpaare 19, 20 und 21 in der Nachbarschaft der Probe erzeugt werden, verlaufen somit in der X-. Y- bzw. Z-Richtung. Für jedes dieser Felder gibt es einen im wesentlichen ebenen Bereich, in welchem die Feldstärke Null ist. Hierbei kreuzen sich die drei Bereiche mit der Feldstärke Null und bilden einen definierten Bereich, wobei sie einen Punkt approximieren, in weichem dac von den Spuienpaaren 19, 20 und 21 erzeugte Magnetfeld immer den Wert Null hat. Die X-, Y- und Z-Koordinaten dieses Punktes können geändert werden durch Variieren der entsprechenden Verhältnisse der Stromstärken der Ströme in den einzelnen Spulen der Paare 19,20 und 21.

Das durch die Spulenpaare 19, 20 und 21 erzeugte Gesamtfeld ist in der folgenden Weise zeitabhängig gemacht. Nach F i g. 1 gibt ein Tongenerator 22 zwei parallele Ausgangssignale zu einem Paar von Tonverstärkern 23, 24, deren Ausgangssignale mit den Spulen 19 und 20 verbunden sind. Das Signal zum Verstärker 23 wird um 90° bezüglich des zum Verstärker 24 gegebenen Signals durch eine Phasenschieberschaltung 25 in der Phase verschoben. Somit sind die Felder aus den Spulen 19 und 20 so zusammengefaßt, daß man einen rotierenden Feldgradienten senkrecht zur Z-Achse erhält. Das Ausgangssignal eines weiteren Tongenerators 26 wird von einem Verstärker 27 verstärkt und den Spulen 21 zugeführt, so daß ein alternierender Feldgradient längs der Z-Achse erzeugt wird. Als Folge dessen weist das gyromagnetische Resonanzsignal aus allen Teilen der Probe eine komplexe Zeitabhängigkeit auf mit Ausnahme eines wählbaren Bereiches in der Probe, in welchem das von den Spulen 19,20 und 21 erzeugte Magnetfeld Null ist.

ίο Durch das Tiefpaßfilter 28 werden alle Anteile des vom Verstärker 17 kommenden Ausgangssignals entfernt, die von Bereichen außerhalb des wählbaren Bereiches, in welchem keine Zeitabhängigkeit des Magnetfeldes vorliegt, in der Probe erzeugt worden sind. Somit wird nur das durch den wählbaren Bereich der Probe hervorgerufene Signal für die darauffolgende Verarbeitung weitergeführt.

Um die Position des wählbaren Bereiches der Probe verändern zu können, sind Schaltungen 29, 30 und 31 vorgesehen, um die Koordinaten des Punktes zu steuern, zu welchem der wählbare Bereich approximiert.

Die Steuerschaltungen 29,30 und 31 sind von gleicher Form: die Schaltung 30, die den Spulen 20 zugeordnet ist, ist in Fig.4 gezeigt. Diese Schaltung ist äußerst einfach und besteht nur aus einem Potentiometer 50, das von einem Elektromotor 51 angetrieben wird und parallel zum Ausgang des Verstärkers 24 geschaltet ist. Durch Auswahl der Einstellung des Potentiometers 50 kann die K-Koordinate des empfindlichen Punktes gewählt werden. Auf gleiche Weise kann die X- und Z-Koordinate gewählt werden.

Somit kann durch Verstellen der Steuerschaltungen 29 und 30 der empfindliche Punkt durch die Probe in einer Ebene senkrecht zur Z-Achsc geführt werden. Der Ort dieser Ebene in der Z-Richtung relativ zur Probe kann geändert werden, entweder indem die Probe in diese Richtung bewegt wird oder indem die Steuerschaltung 31 benutzt wird.

Das Ausgangssignal aus dem Filter 28 wird einer Signalverarbeitungseinrichtung 32 zugeführt, die bei dieser Ausführungsform ein X-. ^-Schreiber ist. so daß. wenn der empfindliche Punkt in der X-. Y-Ebene abgetastet wird, die Änderungen des Signals der gyromagnetischen Resonanz als Kurve aufgetragen werden können. Als signalverarbeitete Einrichtung 32 kann aber auch jede andere geeignete Einrichtung, beispielsweise ein Oszilloskop oder ein Rechner verwendet werden.

so Der X-. K-Kurvenschreiber 32 wird sowohl in der A'-als auch in der V-Riehtung von den Elektromotoren 51 gesteuert, die den Spuienpaaren i9 und 20 zugeorunci sind, obwohl zur Vereinfachung nur die Schaltung zum Steuern der Y- Richtung des Schreibers gezeigt ist. Bei dieser Schaltung treibt der Motor 51 ein weiteres Potentiometer 52, das parallel an einer aus einer Batterie bestehenden Spannungsquelle 53 liegt.

Obwohl die vorstehenden Ausführungen sich auf die Anordnung einer Probe in einem Spektrometer beziehen, ist es auch möglich, Magnetfelder derart zu erzeugen, daß, wenn einmal eine Probe einem geeigneten festgelegten Magnetfeld ausgesetzt ist. der zeitabhängige Anteil von einer Sonde erzeugt werden kann, welche die Probe nicht umgibt. Somit kann eine zu untersuchende Probe in einem statischen Magnetfeld zwischen zwei Pole angeordnet und eine von Hand gehaltene oder auf andere Weise gesteuerte Sonde zum Abtasten der Probe verwendet werden. Alternativ kann

die Probe relativ zu dem wählbaren Bereich bewegt werden. Solche Anordnungen sind beispielsweise auf dem Gebiet der Medizin einsetzbar.

Wie aus dem in Fig. 5 gezeigten Bild ersichtlich ist, das man durch Abtasten einer Nylonprobe erhält, die zwei kleine Wasservolumina enthält, ist es möglich, die Verteilung der Kerne in einer Probe mit einem vorgewählten Satz von Eigenschaften aufzuzeichnen. Es ist möglich, infolge ihrer differierenden 72-Relaxationszeiten Wasserprotonen zu betrachten und Nylonprotonen zu ignorieren. So ist es beispielsweise bei tierischen Proben, bei welchen die Protonen im Muskelgewebe, im Fett, im Blut usw. unterschiedliche Relaxationszeiten

haben, möglich, unterschiedliche Kurven aufzuzeichnen, die diese verschiedenen Arten von Gewebe kennzeichnen. Wesentlich dabei ist, daß der Knochen gegenüber einer solchen Analyse transparent ist und die Einzelheiten, wie er dies bei Röntgenstrahlen tut, nicht verdeckt. Neuerdings wurde auch gezeigt, daß Protonen in bösartigen Tumoren unterschiedliche 71-Relaxationszeiten gegenüber gesundem Gewebe haben. Somit ermöglicht das vorstehende Verfahren auch ein ins Einzelne gehendes Studium eines Gehirntumors, ohne daß es erforderlich ist, eine Operation für eine Untersuchung vorzunehmen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen der gyromagnetischen Resonanz eines Elementes in einer Probe, bei dem die Probe einem polarisierenden Magnetfeld, welches einen orts- und zeitunabhängigen Anteil sowie einen ortsabhängigen Anteil aufweist, und einem hochfrequenten magnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird, welches geeignete Frequenzkomponenten zur Anregung der gyromagnetischen Resonanz des einer bestimmten Stärke des polarisierenden Magnetfeldes ausgesetzten Elementes umfaßt, und bei dem die von dem untersuchten Element stammenden gyromagnetischen Resonanzsignale zur Erzeugung einer vom Ort in der Probe abhängigen Darstellung der Resonanz verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der ortsabhängige Anteil zeitabhängig gemacht und in einem wählbaren Bereich der Probe zum Verschwinden gebracht wird und daß nur mit dieser Zeitabhängigkeit nicht behaftete Resonanzsignale der Verarbeitung zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ortsabhängige Anteil des polarisierenden Magnetfeldes nur eine Komponente in einer Koordinatenrichtung eines rechtwinkligen Koordinatensystems aufweist, dessen Ursprung in der Probe liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ortsabhängige Anteil des polarisierenden Magnetfeldes eine weitere Komponente in einer zweken Koordinatenrichtung aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ortsabhängige Anteil des polarisierenden Magnetfeldes eine dritte Komponente in der dritten Koordinatenrichtung aufweist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I mit einer Einrichtung ;:ur Beaufschlagung der Probe mit einem polarisierenden Magnetfeld, welches einen orts- und zeitunabhängigen Anteil sowie einen ortabhängigen Anteil aufweist, mit einer Hochficqucnzqucllc zur Beaufschlagung der Probe mit einem magnetischen Wechselfeld, welches geeignete Frequcnzkompo nenten zur Anregung der gyromagnetis "hen Resonanz des einer bestimmten Starke des polarisierenden Magnetfeldes ausgesetzten Elementes umfaßt und mit Einrichtungen zur Verarbeitung der von dem untersuchten Element stammenden gyromagnetischen Rcsonan/.signale und zur Erzeugung einer vom Ort in der Probe abhängigen Darstellung der Resonanz, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (22—27) zur zeitabhängigen Modulation des ortsabhängigen Anteil des polarisierenden Magnetfeldes vorgesehen ist, daß die Einrichtung zur Erzeugung des polarisierenden Magnetfeldes derart ausgelegt ist, daß der modulierte ortsabhängige Anteil in einem wählbaren Bereich der Probe verschwindet, und daß die Einrichtungen (28, 32) zur Verarbeitung der Resonanzsignale Mittel (28) zur Unterdrückung von mit der Modulation behafienden Resonan/sign;ilcn aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Unterdrückung ein Tiefpaßfilter (28) umfassen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (29, 30, 31) zur Änderung der Form einzelner oder aller Komponen ■ ten des ortsabhängigen Anteils des polarisierenden Magnetfeldes vorgesehen sind.