DE2540436A1

DE2540436A1 - Vorrichtung zur messung der magnetischen kernresonanz

Info

Publication number: DE2540436A1
Application number: DE19752540436
Authority: DE
Inventors: Allen Nathan Garroway; Peter Kevin Grannell; Peter Mansfield
Original assignee: National Research Development Corp UK; National Research Development Corp of India
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1974-09-11
Filing date: 1975-09-11
Publication date: 1976-03-25
Also published as: JPS6012574B2; US4021726A; DE2540436C2; JPS5153888A

Description

Br.-Iug. Wilhelm Beichel KBHng. Wolfgang Reichel

6 Frankfurt a. M. ] Paxkstiaße 13

8284

NATIONAL RESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION, London SW1,England

Vorrichtung zur Messung der magnetischen Kernresonanz

Die Erfindung "betrifft eine Vorrichtung zur Messung der magnetischen Kernresonanz, sie betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur Darstellung zwei- und dreidimensionaler Abbildungen der Spin-Dichteverteilung in Kernspins enthaltenden Materialien.

Es sind Verfahren zur zwei- oder dreidimensionalen Abbildung von Spinn-Dichteverteilungen bekannt, bei denen Methoden der magnetischen Kernresonanz verwendet werden. In diesen Verfahren wird eine Meßprobe in ein magnetisches Feld mit einem uniformen Feldgradienten gelegt, so daß räumliche Veränderungen der Spindichte längs der Gradientenrichtung meßbare Signalveränderungen in dem Frequenzspektrum verursachen, das mittels eines magnetischen Kernresonanzexperimentes gemessen wird.
Durch Messung des Frequenzspektrums für mehrere Ausrichtungen der Meßprobe im Feldgradienten ist es möglich, eine zwei- oder dreidimensionale Abbildung zu rekonstruieren, die der Dichteverteilung der zur Resonanz gebrachten Spins in dem Spektrum

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entspricht. Derartige Verfahren lassen sich nur mit umfangreichen Coraputerberechnungen durchführen, außerdem sind sie im Prinzip ungenau.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer zwei- und dreidimensionalen Abbildung der Spin-Dichteverteilung anzugeben, bei der selektiv ein spezielles Volumen von Spins betrachtet wird, die im größeren Probenvolumen enthalten sind, bei der dagegen nicht, wie in den bekannten Verfahren, alle im Probenvolumen enthaltene Spins Jeweils gleichzeitig von verschiedenen Richtungen aus betrachtet werden.

Beim Durchführen der Erfindung wird räumliche Selektivität dadurch erreicht, daß die Meßprobe vorbereitend mit einem magnetischen RF-PeId bestrahlt wird, während ein statischer Magnetfeldgradient längs einer Richtung angelegt ist, und daß anschließend nach dem Abschalten des in einer Richtung verlaufenden Gradienten ein RF-Betrachter- oder Leseimpuls angelegt wird. (RF =s Radio Frequency)

Eine wichtige Maßnahme bei der vorbereitenden Bestrahlung besteht darin, die Fourierkomponenten des magnetischen RF-Feldes so zu beschneiden, daß Teile des Spinspektrums bestrahlt werden und andere Teile nicht. Dies läßt sich in zweierlei Weise erreichen, entweder durch eine sogenannte "beschnittene Sättigung" oder eine"beschnittene Erregung".

Im Falle der "beschnittenen Sättigung" ist die Breite der Einhüllenden der vorbereitenden Strahlung relativ breit, in der Größenordnung der Spin-Gitter-Relaxationszeit T₁ (spin lattice relaxation time), bei den derartig bestrahlten Spins ist die

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Magnetisierung zerstört. Die Beschneidung wird in diesem Fall durch eine Frequenz- und/oder Amplitudenmodulation der Impulseinhüllenden bewirkt. Der einfachste Fall einer "beschnittenen Sättigung^Mdurch einen RF-Impuls fester Amplitude und fester Trägerfrequenz läßt sich auch "einfache Sättigung" nennen.

Bei der "beschnittenen Erregung" wird ein magnetisches RF-FeId so angelegt, daß die bestrahlten Spins in die X-Y-Ebene kippen, was sich schneller als die Sättigungsexperiraente durchführen läßt. Beschnitten wird in diesem Fall durch öine Amplitudenoder Pulsbreitemodulation des RF-Impulses oder -impulszuges. Der einfachste Fall einer beschnittenen Erregung mittels eines nichtmodulierten RF-Impulses oder -impulszuges mit einer festen Trägerfrequenz läßt sich auch "einfache Erregung" nennen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig.1 u. 2 die Erfindung erläuternde Diagramme;

Fig. 3 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der magnetischen Kernresonanz;

Fig. 4 ein Querschnitt durch eine Meßprobe und eine Feldgradientenspule ;

Fig. 5 ein Schaltbild der Anpaßeinheit und des Duplexers, der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 3 Verwendung findet;

Fig. 6 zeitveränderliche Signale, die zu verschiedenen Zeiten eines in Sättigungstechnik durchgeführten Experiments vorhanden sind;

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Fig. 7 eine Abbildung einer Spin-Dichteverteilung des oben angegebenen Experiments;

Fig. 8 verschiedene Signale, die eine weitere Ausführungsform der Erfindung betreffen, bei der die Erregungstechnik verwendet wird;

Fig. 9 eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zur Erhaltung einer Spin-Dichteverteilung;

Fig. 10 verschiedene Signale, die bei Erregungstechnik gewonnen sind und alternativ zu den in Fig. 8 dargestellten Signalen sind;

Fig. 11 eine Darstellung der Ausgangssignale, die mittels der in Verbindung mit Fig. 10 für eine Einzelschicht und eine ganze Meßprobe gewonnen wurden;

Fig. 12 verschiedene Stufen bei der Erzeugung einer RF-Modulationshülle für einen Erregungspuls;

Fig. 13 und 14 Diagramme, die das erfindungsgemäße Verfahren erläutern;

Fig. 15 verschiedene Signale, die bei dem Verfahren nach Fig. 13 und 14 vorhanden sind;

Fig. 16 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig. 17 ein Schaltbild eines Meßkopfes, der bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbar ist.

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In Fig. 1 ist ein Block B mit Spins in einem magnetischen Feld angegeben, das anfänglich einen Feldgradienten in einer x-Richtung G besitzt, die Spin-Dichteverteilung in einem Punkt mit den Koordinaten x, y, ζ innerhalb des Blockes sei mit o(x,y,z) bezeichnet. Eine dünne Schicht S in der y-z-Ebene mit der Dicke Ax an der Stelle x_Q wird ausgewählt, und es wird die Spindichte ί?(^χ ₀» y» ^z) gemessen. Die Bedingung, daß p(x_oyz) = $(x_oy)> d.h. daß Unabhängigkeit bezüglich ζ besteht, läßt sich dadurch erreichen, daß die Meßprobe mittels vier elementarer, unten angegebener Methoden oder deren Varianten, in den geforderten Zustand gebracht wird:

(i) Sättigung aller Spins in dem Block mit Ausnahme der in der Schicht S vorhandenen Spins durch beschnittene Sättigung;

(ii) Bestrahlung aller Spins in dem Block mit Ausnahme der in der Schicht S vorhandenen Spins in einem Umwandlungsexperiment (transient experiment), bei dem alle unerwünschten Spins in die x-y-Ebene mittels beschnittener Erregung gekippt werden.

Anstelle die Spins außerhalb der Schicht S zu beeinflussen, lassen sich auch komplementäre Experimente durchführen, bei denen die Spins innerhalb Ax bestrahlt werden, so z.B.:

(iii) durch die Festlegung eines Schlitzes der Breite Δ χ in der Meßprobe, durch einfache Sättigung; in diesem Fall rührt das beobachtete Signal von der gesamten Probe mit Ausnahme der in dem Schlitz gesättigten Spins her, oder

(iv) durch Festlegung eines Schlitzes der Breite Ax in der Meßprobe durch (a) einfache Erregung oder (b) beschnittene Erregung. In diesen Fällen rührt das auf

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die Erregung folgende transiente Signal unmittelbar von den Spins innerhalb des festgelegten (definierten) Schlitzes her.

Varianten der unter (iii) und (iv) dargestellten Verfahren gestatten zusätzliche und/oder alternative Methoden, um die anfänglich bestrahlten Spins innerhalb des definierten Schlitzes direkt zu beobachten, so z.B.:

(v) durch Sättigung eines Schlitzes wie in (iii), anschließender Invertierung des ganzes Spektrums durch einen intensiven TRF-Impuls. Die gesättigten Spins in dem Schlitz erzeugen eine Magnetisierung, die von der Basislinie in Richtung Gleichgewichtswert wächst, wohingegen das invertierte Hauptspektrum von einem anfänglich negativen Wert durch null auf den positiven Gleichgewichtswert relaxiert. Während der Zeit, während der die invertierte Magnetisierung null ist, rührt die verbleibende Magnetisierung nur von den Spins innerhalb des definierten Schlitzes her; oder

(vi) durch Definierung eines Schlitzes wie in (iv) und durch anschließende Invertierung des gesamten Spektrums durch einen intensiven ft RF-Impuls . Die ursprünglich bestrahlten Spins innerhalb des definierten Schlitzes erzeugen eine Magnetisierung, die von der Basislinie in Richtung des Gleichgewichtswertes wachsen, wohingegen das invertierte Hauptspektrum von einem anfänglich negativen Wert durch null auf den positiven Gleichgewichtswert relaxiert. In dem Zeitpunkt, wenn die invertierte Hauptmagnetisierung null ist, rührt die verbleibende Magnetisierung nur von den Spins innerhalb des definierten Schlitzes her.

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Nach der Präparierung des Spinsystems nach einer der vorstehend genannten Methoden, wird die Richtung des Feldgradienten schnell von G__ nach G__, d.h. von einer Erstreckung in x-Richtung in eine Erstreckung in y-Richtung umgeschaltet (dies läßt sich auch durch Drehung der Meßprobe um 90° erzielen). Die Spin-Dichteverteilung in der Meßprobe wird dann "ausgelesen" durch Anlegen eines 9O°-RF-Impulses. Der freie Induktionsabfall wird anschließend Fourier-transformiert und ergibt die Spindichte o(x_oy) längs des Probenstapels. Anstelle des verwendeten Fourier-Transformationsverfahrens läßt sich auch ein stationäres Verfahren (cw.-Verfahren) zum Auslesen verwenden.

Die genannten Methoden lassen sich leicht so ausweiten, daß sich die Spin-Dichte in drei Dimensionen abbilden läßt. Wurde z.B. die Scheibe S in oben angegebener Weise aufbereitet, so läßt sich einer der unter (i) bis (vi) angegebenen Bestrahlungsverfahren rechtwinklig, d.h. mit G=O und eingeschaltetem G,

χ y

durchführen. Das Endresultat ist eine rechteckförmige Säule aus unterscheidbaren Spins, die in der Heßprobe, wie in Fig. 2 angegeben, definiert sind. Es wird dann G ausgeschaltet und G angeschaltet und anschließend folgt wieder ein Auslesevorgang nach. Als Endresultat ergibt sich die Dichte der Linie <?(x_o»y_o* z) Dieser Vorgang läßt sich für alle Werte von χ , y durchführen, wodurch dann die vollständige Dichteverteilung o(x,y_fz) gewonnen wird. Der oben angegebene selektive Bestrahlungsprozeß gestattet eine detaillierte Untersuchung kleiner Bereiche der Probe innerhalb eines großen Volumens, ohne daß damit die Nachteile anderer Verfahren verbunden wären, bei denen jeweils das vollständige Bild eines gesamten Objekts hergestellt werden muß.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht im wesentlichen aus zwei Übertragungskanälen A und B, sie ist schematisch in Fig. dargestellt. Kanal A enthält einen ständig schwingenden

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15 MHz Kristalloszillator A-j, dessen Ausgang durch ein RF-Tor A2 beschränkter Bandbreite getastet wird. Nach dem Tor A2 werden kurze Impulse mit einer Dauer von 6,0 oder 12,0 usec erzeugt, die starken 90° oder 180°-Nutations~Impulsen entsprechen und in einem abgestimmten Verstärker A3 verstärkt werden.

Der zweite Kanal enthält einen variablen Frequenzsynthetisierer B1, der auf etwa 15,0 MHz eingestellt ist. Das Ausgangssignal wird über einen 180°-Phasenmodulator B2 einem breitbandigen RF-Transmissionstor B3 zugeführt. Das Tor B3 erzeugt RF-Impulse kleiner Leistung Veränderlicher Zeitdauer, die in einem breitbandigen RF-Verstärker B4 verstärkt werden, dessen Ausgangssignal durch ein breitbandiges variables Dämpfungsglied B5 geführt wird. Die Ausgangssignale der Kanäle A und B werden über eine Anpaßeinheit und einen Duplexer M der Probenspule S zugeführt. Einzelheiten der Anpaßeinheit und des Duplexerschaltkreises werden weiter unten erläutert.

Beide RF-Kanäle werden durch öffnen oder Schließen der jeweiligen Tore A2 und B3 gesteuert. Das Tor A2 wird entweder durch einen 90° Impuls von 6,0 usec. Dauer oder einen 180°-Impuls von ungefähr 12,0 üsec. Dauer aus den DC-Pulsgeneratoren P1 und P2 in den eingeschalteten Zustand gesetzt. Die Impulsgeneratoren P1 und P2 sind ihrerseits durch geeignete Triggerimpulse getriggert, die in einem programmierbaren Pulssteuergerät C erzeugt werden.

Der 180°"-Phasenmodulator B2 erzeugt am Ausgang sinusförmige Signale, die um 180° in der RF-Phase je nach Stellung des Modulators differieren. Geschaltet wird der Phasenmodulator durch einen Triggerimpuls vom Pulssteuergerät C. Das Flip-Flop

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FF2 öffnet das Tor B3 für lange oder kurze Zeitintervalle, d.h. für einige Mikrosekunden bis zu einigen Sekunden. Der Triggerimpuls für FF2 wird ebenso vom Impulssteuergerät C geliefert. Die Impulsfolgeprogramme des Steuergerätes werden entweder direkt mittels Programmkarten usw. oder durch einen Lochstreifen über einen Fernschreiber eingegeben, oder sie werden im Fall der beschnittenen Erregung über eine Interface-Einheit von einem Rechner geliefert.

Die Abtast- und Meßspule S sitzt in einem sehr uniformen, statischen Magnetfeld B , das durch einen Elektromagneten erzeugt wird. Zusätzlich umgeben lineare Magnetfeldgradienten-Spulen G die Meßspule. Diese Gradientenspulen erzeugen den Gradienten Gx, Gy und Gz. Welche der Spulen erregt ist, und welcher Gradient daher zu einer speziellen Zeit gerade erzeugt wird, hängt von dem Stromfluß durch die einzelnen Spulen ab. Dieser Stromfluß wird durch das Flip-Flop FF1 gesteuert, das ein Read-Relais aktiviert, das Strom aus einer Speisequelle durch die entsprechende Spule schickt. Die Triggerimpulse zum Schalten des Stromes werden durch das Impulssteuergerät C erzeugt.

Es seien folgende Einzelheiten der Gradientenspulen angegeben: Im allgemeinen werden drei magnetische Gradienten für die durchzuführenden Experimente benötigt,

^Gx = ^3bz' ^Gy = K _{2 2}

öx 0 y 'όζ

Fig. 4 zeigt die Anordnung zur Erzeugung der beiden Gradienten G₂ und G , und die Lage dieser Gradientenspulen bezüglich der Abtast- und Meßanordnung P und dem statischen Feld Bo. Der Gradient G wird durch eine Spule C1 erzeugt, die nach einer

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Formel gewickelt ist, die in der Zeitschrift Rev.Sei. Instr., 36,£1086-7 (1965) angegeben ist. Die Gradienten G oder G werden durch die Spule C2 erzeugt. Diese Spule besteht im wesentlichen aus vier Le it er strömen, wobei geeignete Rückkehrpfade (in Fig. 4 nicht dargestellt) vorgesehen und gemäß einer in der Zeitschrift J.Phys. E., Scientific Instruments 6,£.899-900 (1973) angegebenen Formel beabstandet sind.

Wie sich der Figur 4 entnehmen läßt, ist ein Meßobjekt 11 von unten in die Meßspule S mit 1 bis 7 JiH und mit 7 Windungen eingeschoben. Die zentrale Zutrittsöffnung wird durch ein Nylonformteil 12 definiert, das von einer Abschirmdose 13 als Aluminium umgeben ist. Die Abschirmdose 13 wird von einem Perspex-Formteil 14 umgeben. Die Spule 16 zur Ey-zeugung des Gradienten G_ ist anschließend mit 17 Windungen pro Seite, die in Serie verbunden sind, vorgesehen. Die Spule 17 zur Erzeugung des Gradienten G_x enthält vier Stränge von je 35 Drähten pro Strang, die in Serie miteinander verbunden sind und um ein Formteil herumgewickelt sind.

Einzelheiten des Schaltungsaufbaus für die Anpaßeinheit und den Duplexer sind in Fig. 5 dargestellt. Die Kanäle A und B der Fig. 3 führen zu entsprechenden Punkten A und B. Die Meßeinrichtung (Meßkopf) besteht aus einer einzigen Meßspule L, die als Übertragungs- und Empfangsspule dient. Die Anpaßeinheit verhält sich wie ein abgestimmter Parallelkreis für hohe Leistung. D.h., die entgegengesetzt geschalteten Diodenpaare D1, D2 und D3 sind gutjleitend, wenn einer der beiden Kanäle RF-Leistung der Meßeinrichtung (Meßkopf) zuführt. C1, C2 und L bilden einen Parallelresonanzkreis mit einem parallelen Dämpfungswiderstand R2. Für den Signalempfang verhalten sich alle Dioden als offene Kreise. In diesem Fall bilden C1, C2 und L einen

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Serienresonanzkreis. Der Widerstand R1 von z.B. 12 KOhm im Kanal B dient dazu, den Kanal B mit kleinerer Leistung von dem Kanal A mit der viel höheren Leistung zu isolieren. Das Signal, das zwischen D2 und C1 erscheint, wird über einen Breitbandverstärker einem rlauscharmen Vorverstärker zugeführt.

Die in der Meßspule erzeugten Kernsignale werden über die Anpaßeinheit und den Duplexer M und über den rauscharmen Vorverstärker R1 dem Empfänger und phasenempfindlichen Detektor R2 zugeführt. Die dort empfangenen Signale werden in einem Analog/ Digitalkonverter (ADC) R3 digitalisiert und einem Rechner, z.B. vom Typ Honeywell H316, zugeführt. Die Signalabtast-Triggerimpulse für den Analog/Digitalkonverter R3 werden im Pulssteuergerät C erzeugt. Das Impulssteuergerät wird durch den Rechner durch eine Unterbrechungsleitung zwischen Rechner und Steuergerät synchronisiert.

Magnetische Kernresonanzsignale (im folgenden als NMR-Signale bezeichnet) lassen sich im Rechner wiederholt mitteln, um das Signal/Rauschverhältnis zu verbessern. Die gemittelten transienten Signale lassen sich im Rechner im ON-LINE-Betrieb Fourier- transformieren und dann auf einem Kathodenstrahloszillographen-Schirm anzeigen und/oder auf einem Papierstreifen ausgeben.

Im folgenden werden genauere Beschreibungen der Verfahren (v) und (iii) der Sättigungsexperiemente und Verfahren (ii) und (vi) der Erregungsexperimente angegeben.

Beim Verfahren (v) werden die Gradientenspulen so angeordnet, daß der magnetische Feldgradient G„ im normalen Betriebszustand

-ft

eingeschaltet ist. Dieser Zustand läßt sich als "burn"-Mode bezeichnen. Beim Beginn des Experiments wird der Rechner in

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Betrieb gesetzt, um einen Unterbrechungsimpuls abzugeben, der das Steuergerät veranlaßt, mit dem Steuerprogramm für dieses Experiment zu beginnen. Das Steuerprogramm liefert zuerst einen Triggerimpuls an FF2, das den langen Sättigungsoder "burn"-Impuls mit kleiner Amplitude und der Dauer D1 (ungefähr 2,0 Sekunden) im Kanal B einschaltet. Das.Spinsystem wird dadurch mit einer durch den Synthetisierer B1 festgelegten Frequenz gesättigt. Die Frequenz läßt sich in einer größeren Serie von Experimenten variieren, um das Verhalten des Meßobjekts bei verschiedenen Frequenzen zu erhalten. Am Ende des ⁿburn"-Zustandes setzt ein zweiter Triggerimpuls FF2 zurück und setzt FF1 so, daß ein Gradient G_ erzeugt wird (der "Lese"-Gradient). Gleichzeitig liefert das Steuergerät einen Triggerimpuls zum 180°-Pulsgenerator P2 über den A-Kanal. Der starke, auf diese Weise erzeugte RF-Impuls invertiert die Spin-Population zur Zeit D1. Die lokal gesättigten Spins wachsen auf + AM₀ gemäß der Beziehung ÄM(t) = ΔΜ(ο)· (1-exp(-t/T,j)) an, wobei T₁ die örtliche Spin-Gitter-Relaxationszeit der Spins darstellt. Da die Spin-Population invertiert ist, bilden sich die verbleibenden Spins von ihrem Anfangswert -M'(o) gemäß der Gleichung M'(t) = M'(o) (1-2 expi-t/^)) auf den Wert +M'(o) zurück, wobei M(o) = M'(o) -+ΔΜ(ο). Nach einer weiteren Verzögerung D2 = T₁ In2, ist die Magnetisierung M^f(D₂) = 0. Dagegen ist 4M(D₂) nicht null. Auf diese Veise liefern lokal gesättigte Spins ein Signal, das sich vollständig von den restlichen Spins in der Meßprobe unterscheidet. Zur Zeit D₁+D₂ wird ein starker 90°-Impuls von dem Steuergerät im Kanal A ausgelöst. Dieser Impuls "liest" direkt die lokale Magnetisierung aus, wobei G eingeschaltet ist und G=O. Auf diese Weise wird eine Schicht 5 der Probe zuerst isoliert, indem ein "burn"-Gradient G_ verwendet wird und dann die Spin-Dichteverteilung längs der Schicht betrachtet wird und zu diesem Zweck der Gradient in den "Lese"-Mode, G , längs der Schicht geschaltet

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Dieses Vorgehen läßt sich experimentell durch die Betrachtung der Protonen einer Probe aus Wasser in Form eines zylinderförmigen Rings belegen. Die zu verschiedenen Zeitpunkten erhaltenen Signale dieses Experimentes sind in Fig. 6 dargestellt. Fig. 6 (a) zeigt die Absorptionslinie des Meßabjekts im "burn"-Gradienten. Die symmetrische Einbuchtung im Signal ist durch die Abwesenheit von Spins in dem zentralen, zylinderförmigen, eingeschlossenen Raum der Probe bedingt. Fig. 6 (b) zeigt das Ergebnis einer Sättigung im ^Wburn"-Mode von 2,0 Sekunden im Zentrum der Absorptionslinie der Fig. 6 (a). Fig. 6(c) zeigt das Signal der bestrahlten Schicht der Probe, es wurde erhalten, nachdem zuerst der Schlitz in dem Zentrum des Absorptionsspektrums, wie nach Fig. 6 (b) im "burn"-Mode betrieben und anschließend das gesamte Spektrum mit einem kräftigen 180°-Impuls invertiert wurde. Das Signal wurde durch einen kräftigen 90°-Impuls ausgelesen, der eine Zeit Dp = T.,In 2 später angelegt wurde. Diese Zeit betrug in dem beschriebenen Experiment 0,9 Sekunden, es wurde nur der Gradient G verwendet.

Fig. 6 (d) zeigt das Ergebnis des vollständigen Experiments, bei dem das Verfahren (v),wie oben beschrieben, verwendet wurde. Der anfängliche "burn"-Mode wird in dem Meßobjekt wie oben bei eingeschaltetem G verwirklicht. Der 180°-Impuls und der Lesegradient G₂ sind angelegt. Die Verzögerung D2 = T,jln2 ist mit der in Fig. 6 (c) verwendeten Verzögerung identisch. Nach der Verzögerung D2 wird das Signal durch einen kräftigen 90°-Leseimpuls erhalten. Das transiente Abklingsignal wird Fouriertransformiert und dann angezeigt oder auf einen Schreiber gegeben. Die Form der experimentellen Absorptionslinie enthält zwei Maxima, was als Dichteverteilung einer durch das Zsitrum eines Ringes gelegten Schicht erwartet wird.

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Unter Verwendung ähnlicher Daten, wie sie Fig. 6 (d) zugrundeliegen, vrurde die Spin-Dichte-Rasterabbildung des halben Ringes nach der Methode (v) ausgeführt. Die erhaltenen Signale wurden in einem zweidimensionalen Punkt-Bild angeordnet, wobei die Fläche eines gegebenen rechteckförmigen Punktes an einer bestimmten Stelle im Bild proportional zur Signalamplitude der entsprechenden Stelle im Meßoboekt ist. Zehn Grautöne oder Punktabmessungen wurden dabei verwendet. Die erhaltenen Daten wurden am Ringdurchmesser gespiegelt, eine vollständige Abbildung zeigt Fig. 7. Es sei bemerkt, daß das Bild elliptisch erscheint, obwohl das Objekt in diesem Fall ein Ring mit einem äußeren Durchmesser von 9»7 mm und einem inneren Durchmesser von 3,8 μ war. Die Differenz in den Bildachsen rührt her von unterschiedlich großen Feldgradienten für den "burn"-Gradienten G_, und zeigt ein nützliches Merkmal der vorliegenden Erfindung, nämlich da£ die gewünschte Vergrößerung des Bildes leicht durchführbar ist.

In einem Experiment mit der Sättigungsmethode (ii), wird der "burn"-Gradient durch FF1 gesetzt, der ^Mburn"-Impuls wird wie bei dem Verfahren (v) für ungefähr 2,0 Sekunden angelegt. Nach dem Ende dieser Periode wird der Lesegradient G_ schnell angelegt und G_x zu null gemacht. Kurz nach dem Anlegen von G (diese Zeit muß im allgemeinen langkenug sein, damit die transienten Komponenten des angelegten Magnetfeldes auf null abfallen), wird ein kräftiger 90°-Leseimpuls angelegt. Das resultierende FID wird aufgezeichnet und Fourier-transformiert. Diese resultierende Kurvenform wird im allgemeinen nicht das Örtliche Sättigungsverhalten, wie in Fig. 6 (b) nach dem Verfahren (v) wiedergeben. Aufgrund des Umschaltens des Gradienten werden die Wirkungen des gesättigten Bereichs der Probe über den größten Teil des betrachteten Spektrums verstreut. Das gesuchte Signal, das der Spin-Dichteverteilung längs des bestrahlten Schlitzes entspricht, läßt sich jedoch direkt durch

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Betrachtung des Differenzsignales zwischen dem Kurvenverlauf des unbestrahlten und des bestrahlten Meßobjekts gewinnen. Bei diesem Verfahren wird also die gewünschte Spinverteilung auf eine dem Verfahren (v) komplementäre Art und Weise gewonnen, indem die Änderungen des Kurvenverlaufs aufgrund lokaler Sättigung von Teilen des Meßobjekts beobachtet werden.

Durch Beschneiden (tailoring) der spektralen Komponenten einer Anzahl von RF-Impulsen wirken diese Impulse selektiv auf bestimmte Bereiche des Kernspinspektrums, während andere Bereiche ungestört bleiben. Wenn sich ein Kernspin in einem magnetischen Feldgradienten befindet, ist dessen Resonanzfrequenz (Larmorfrequenz) unmittelbar mit dessen räumlicher Position verbunden. Die Kombination einer beschnittenen Erregung, zusammen mit magnetischen Feldgradienten, die zu geeigneten Zeiten und in geeigneten Richtungen angelegt werden, gestattet daher, die Spindichte (oder andere Eigenschaften, wie z.B. T^ und T₂) an jeder Stelle oder in jedem Bereich der Meßprobe zu bestimmen, ohne daß umfangreiche Berechnungen durchzuführen wären.

Im folgenden wird nun die Schrittfolge für eine Form der beschnittenen Erregung, der Methode (ii) in Einzelheiten diskutiert. Die einzelnen Schritte sind schematisch in Fig. 8 dargestellt.

Der Gradient G_x befindet sich anfänglich längs der x-Richtung. Die im Intervall x_Q bis x_Q+ 4x liegenden Spins resonieren mit Larmorfrequenzen zwischen f^ und f₂· Im folgenden wird aufgezeigt, in welcher Weise eine Beschränkung auf die Schicht S mit der Breite Ax (vgl. Fig. 1) erfolgt, und wie auf diese Weise auch kleinere Bereiche der Probe betrachtet werden können. Die Spins werden zuerst mit einer beschnittenen Erreger-

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impulsfolge bestrahlt, die alle außerhalb f,. bis f~ liegenden Spins um 90° oder ungerade Vielfache hiervon nutiert. Spins innerhalb dieses Frequenzintervalls bleiben davon unberührt. Die unerwünschten Spins sind nun in der x-y-Ebene des rotierenden Referenzsy.stems und geraten mit einer Zeitkonstante c von

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ungefähr ( f^^y^' außer Phase. Die Probenabmessungen in den x,y,z-Richtungen seien L , L und L . Die sich von diesen

χ y ζ

Spins abhebenden, zu untersuchenden Spins sind noch längs der z-Richtung orientiert. Eine bestimmte Zeit später, die größer als c , aber sehr viel kleiner als T₁ ist, wird die Richtung und evtl. auch die Größe des Gradienten von G auf G umgeschaltet

χ y

und eine zweite beschnittene Erregung durchgeführt. Die erwünschten Spins liegen nun innerhalb eines neuen Frequenzintervalls t-r bis f^, der y_Q und y_Q + Ay entspricht. Nach einer Zeit c , die größer als ( [G 1) ist, ist das Signal von den unerwünschten Spins, die außerhalb des Frequenzbereiches f^ bis f^ liegen, abgeklungen. Der Gradient wird nun von Gy auf G₂ umgeschaltet, und es wird ein einzelner, starker ψ/2 Leseimpuls angeregt. Das auf diesen Leseimpuls folgende ausgelesene Signal rührt von der Region

x_Q -< χ Ot₀ + Ax

O <z <L_Z

Im Grenzfall, daß 4x und Ay sehr klein sind, ist die Fourier transformierte des Signals, das ausgelesen wird, direkt proportional zur Spindichte längs der Geraden χ , y , 0<Tz<L . Diese vollständige Schrittfolge wird dann für verschiedene Werte von f-j und f₂» f* und f^ wiederholt, um die Spindichte an irgend einer anderen Stelle der Probe zu erhalten.

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Diese beschnittene Erregungsmethode unterscheidet sich von der beschnittenen Sättigungsmethode dadurch, daß die erstere die gewünschte Magnetisierung innerhalb einer Zeit von ungefähr (TG δχ) erzeugt, während die letztere hierfür eine Zeit erfordert, die vergleichbar mit T^ oder T₂ ^ist.

Die beschnittenen Erregerimpulse werden durch den RF-Kanal B (Kanal kleiner Leistung) nach Fig. 3 gesendet, während der abschließende Leseimpuls durch den Hochleistungskanal A geliefert wird.

Fig. 9 zeigt eine einfache Demonstration eines Aspektes einer beschnittenen Erregerfolge nach Methode (ivb). Eine zylindrische Probe mit 8 mm Durchmesser wurde so bestrahlt, daß die Spins innerhalb eines schmalen Schlitzes (parallel zur Zylinderachse) um etwa 90° nutiert wurden und andere Spins davon unberührt blieben. Die Kurve (a) in Fig. 9 zeigt die Fourier-Transformierte des auf einen einzelnen, kräftigen 90°-Impuls folgenden Signals von der gesamten Probe, die Kurve (b) zeigt die Fourier-Transformierte des unmittelbar auf die beschnittene Erregung folgenden Signals. Dieser Schritt wurde beschränkt auf einen Schlitz von 0,35 mm Breite einer Röhre von 8 mm Durchmesser.

Die Methode (iv) besitzt bestimmte Vorzüge gegenüber der beschriebenen Methode (ii), denn die gewünschten Spins werden selektiv bestrahlt und einer Nutation von 90° oder 270° unterworfen, die unerwünschten Spins bleiben ungestört. Die Methode (ii) ist hierzu gegensätzlich. (Es ließe sich ebenso ein einfaches Erregungsexperiment durchführen - Methode (iv)b- , bei dem die beschnittene RF-Impulsfolge durch einen lange dauernden 90° oder 270°-RF-Impuls kleiner Leistung ersetzt würde. Ein Puls der Dauer D besitzt eine spektrale Breite von ungefähr D~ . Da ein Teil der RF-Leistung in den Seitenbändern enthalten

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ist, die grob etwa D von der Trägerfrequenz entfernt sind, ist die räumliche Definition des Schlitzes nicht so präzise wie bei der beschnittenen Erregermethode (iv)b).

Ein kräftiger 180° Impuls wird angelegt, der die unerwünschten Spins in die -z Richtung nutiert. Diese Relaxieren dann von einem Magnetisierungswert -M¹ (0) zurück in den Gleichgewichtswert +M¹ (0) mit einer Zeitkonstante T^. Zur Zeit t = T₁ In2 ist die Magnetisierung der unerwünschten Spins null, während die Magnetisierung der erwünschten Spins teilweise abgeklungen ist (relaxed) und nicht null ist. In diesem Moment lassen sich die Spins durch einen kräftigen ^/2-Leseimpuls betrachten, oder der Prozeß läßt sich wiederholen, wobei die Gradienten G und G_ verwendet werden, um eine weitere Beschränkung auf eine schmale Säule zu erhalten. Einzelheiten zur Beschränkung auf die x_o-Ebene sind in Fig. 10 dargestellt.

Fig. 11 zeigt Ergebnisse für einen Teil des oben beschriebenen beschnittenen ^Erregungsexperiments. Die Schrittfolge ist die, die in Zusammenhang mit Fig. 10 erläutert wurde. Das einem kräftigen f/2-Impuls folgende Signal ist in der Kurve (c) dargestellt. Das von einem Schlitz des Meßobjekts erhaltene Signal zeigt die Kurve (d), die Daten zeigen, daß die beschnittene Erregung auf einen Schlitz mit der Breite 0,8 mm von einem Meßob^ekt mit der Dimension 4,5 mm beschränkt wurde.

Das gewünschte Fourier-Spektrum einer beschnittenen Erregung wird in einen Rechner eingegeben. Dieses Spektrum wird dann im ON LINE -Betrieb nach Fourier transformiert mit einer Modifikation der Cooley-Tukey- Vers ion des schnellen Fourier-TransformationsalgorithjBUs, der in der Zeitschrift Comm. of the A.CM. 11,S,703 (1968) dargestellt ist.

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Die resultierenden Amplituden werden dann in Pulsbreiten durch geeignete Software transformiert, vgl. Fig. 12. Das gewünschte Spektrum (a) wird in den Rechner eingegeben und eine Softwareroutine konvertiert die Amplitude (b) der Eouriertransformierten von (a) in die Pulsbreiten (c) und die Triggerimpulse (d), die den Phasenmodulator veranlassen, die RF-Trägerphase um 180° zu drehen. Die Impulse (c) und (d) speisen dann den RF-Transmitter und erzeugen die beschnittene Erregung; das tatsächlich vorhandene RF-Modulationssignal ist in (e) dargestellt. Der Abstand zwischen den Pulsen wird auf 18 7? gesetzt, wobei t? = 1,6 /usec. und stellt die Zykluszeit des Rechners dar. Pulsbreiten von 0 bis 16 ¹F werden verwendet, und ein Maximum von 156 Impulsen ist verfügbar. Die negativen RF-Impulsamplituden werden dadurch erzeugt, daß die Phase des Trägers durch Triggerung des Phasenmodulators B2 von Fig. 3 um 180° gedreht wird.

Mit dieser Anordnung wird ein Spektrum von 17,2 kHz Breite in Schritten von 67,8 Hz ausgestrahlt.

In einer veränderten Ausführungsform läßt sich das programmierbare Impulssteuergerät C verwenden, um einen größeren Frequenzbereich zur Bestrahlung zur Verfügung zu haben. (Aus Vereinfachungsgründen wurde im Schaltbild nach Fig. 3 ein Programmiergerät verwendet).

Obwohl bei den meisten Experimenten dieser Art nur die Bestrahlung eines kleinen Bereiches des Spinspektrums erforderlich ist, eignet sich die erfindungsgemäße beschnittene Erregungsmethode, um die Bestrahlung von ansich jeder beliebigen komplexen Region des Spinspektrums zu ermöglichen.

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" ²⁰ " 254CU36

Vorteile der selektiven Bestrahlungsverfahren liegen insbesondere darin:

i) Umfangreiche Computerberechnungen sind nicht erforderlich. Die anderen magnetischen Kernresonanz-Abbildungsverfahren stellen eindimensionale Projektionen der gesamten Meßprobe aus verschiedenen Winkeln dar und erfordern umfangreiche Computerberechnungen, um das Bild darzustellen.

ii) Der interessierende Bereich des Meßobjekts läßt sich im einzelnen untersuchen, ohne daß zuerst ein hoch aufgelöstes Bild des Meßobjektes gefordert wäre. Es wird daher keine Zeit vergeudet, sofern nur ein kleiner Bereich abgebildet werden soll.

iii) Das Bild läßt sich selektiv vergrößern in einer oder zwei Dimensionen, da die Vergrößerung von der Stärke des magnetischen Feldgradienten abhängt. Diese Eigenschaft fehlt bei konventioneller optischer, Elektronen- oder Röntgenstrahlmikroskopie.

iv) Das erfindungsgemäße Verfahren liefert Abbildungen von Meßobjekten, die Kerne mit einem von null abweichenden Kernspin besitzen, wie z.B. Protonen, Fluorine, Kohlenstoff 13, etc. Das Verfahren betrachtet zu einem Zeitpunkt jeweils eine Kernart, es läßt sich daher eine Darstellung zum Beispiel des Protonengehalts eines Meßobjekts anfertigen und anschließend durch Wiederholung des Verfahrens eine Darstellung des Kohlenstoff-13-Gehaltes erhalten.

v) Zusätzlich zur Erstellung einer Spindichtedarstellung lassen sich andere räumlich abhängige Eigenschaften des Kernspinsystems abbilden, wie z.B. T-j und T₂*

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Unter "bestimmten Umständen ist es vorteilhaft, Kombinationen der verschiedenen angegebenen Verfahren zu verwenden, z.B. das Verfahren (i) oder (v) für die x-Richtung und das Verfahren (ii) für die y-Richtung.

Als Alternative zu den bisher beschriebenen Methoden (Verfahren) läßt sich das folgende Verfahren verwenden. Das Meßobjekt wird in dem statischen Magnetfeld H plaziert, das die z-Achse der Kernquantisierung definiert. Es folgen dann drei aufeinanderfolgende Bestrahlungs- und Signalbeobachtungsschritte (Z), (Y) und (X).

(Z): Ein Feldgradient G_ wird eingeschaltet und ein selektiver Erregungsimpuls angelegt, um die Kernmagnetisierung innerhalb des Meßobjekts oberhalb und unterhalb einer Schicht der Dicke Δ ζ an der Stelle z_Q vom Ursprung zu sättigen, vgl. Fig. 13. Der gesättigte Bereich des Meßobjekts ist in Fig. 13 schraffiert dargestellt. Die unschraffierte Schicht Δζ enthält ungegeschürte Spins, die mit dem statischen Magnetfeld H_Q im Gleichgewicht sind.

(Y): Das weitere Verfahren konzentriert sich nun auf die Schicht Δζ mit den ungestörten Spins, vgl. Fig. 14. Der Gradient G wird schnell durch einen neuen Gradienten G längs der y-Achse ersetzt, ferner wird ein zweiter selektiver Erregungsimpuls angelegt, der auf diejenigen Spins innerhalb AY an der Stelle y₀ in der ungestörten Schicht einwirkt. Auf diese Weise wird ein schmaler Streifen innerhalb der ursprünglichen Schicht Δ.Ζ definiert.

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Nach dem Ende des Erregungsiapulses wird der Gradient schnell von G auf G umgeschaltet. Der Abfall der freien Induktion von denjenigen Spins, die sich im Volumenelement befinden, wird betrachtet und nach Fourier transformiert, um die Spindichteverteilung längs des Volumenelements anzugeben.

Sofern Ay und Az klein sind, wird die Spindichteverteilung durch die Liniendichte p(^x»y_o»^z _o) gegeben.

Während des selektiven Bestrahlungsprozesses ist es unter Umständen angenehm, verschiedene Gradienten G_ und G zu ver-

z y

wenden. Außerdem läßt sich zum Auslesen auch G auf einen gewünschten Wert einstellen.

Die Schaltfolgen während der drei Schritte (Z), (Y) und (X) sind in Fig. 15 dargestellt. Der vorausgehende Auswahlprozeß (Z) läßt sich bei jedem Zyklus oder weniger oft wiederholen, und definiert dadurch die Scheibe der Dicke Az. Die "Auffrisch"-Rate hängt von der Relaxationszeit der gesättigten (schraffierten) Bereiche des Meßobjektes ab, vgl. Fig. 13. Die tatsächliche Schrittfolge sollte daher als ein Zyklus beschrieben werden, (Z, Y(n),X) , wobei η eine ganze Zahl ist. D.h., der Bestrahlungsprozeß (Z) und der Ausleseprozeß (X) werden in jedem Zyklus wiederholt, der selektive Erregungsprozeß Y(n) ändert sich dagegen während jedes Zyklusses. Diese Veränderung entspricht der Erzeugung eines Abtastmusters, das schnell die Schichten zwischen y₀ = 0 bis y_Q = Y abtastet. (Y ist die volle Meßob jektlänge längs der y-Achse). Dieses Merkmal macht diese Folge so vorteilhaft, da ein vollständiges Abtastbild des Meßobjekts sehr schnell erhältlich ist, insbesondere in einer Zeit gewonnen werden kann, die kleiner als die Spin-Gitterrelaxationszeit T* des Meßobjektes ist.

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Sofern es gewünscht ist, den vollständigen Abtastvorgang zu wiederholen, ist es natürlich erforderlich, eine Zeit T^ zu warten, bis sich die Magnetisierung im ersten Streifen 4y an der Stelle y = 0, erholt hat. Abschätzungen ergaben, daß die Zeit zur Erzeugung eines vollständigen Abtastbildes in biologischen Geweben (die selbstverständlich von η abhängt, wobei η typischerweise η = 128 sei) ungefähr 1,0 Sekunden beträgt. Während der Zeit, während der ein vollständiges Abtastbild hergestellt wird, geht das System automatisch in einen Zustand über, indem es für ein zweites Abtastbild bereit ist.

Ein weiterer Punkt betrifft den Anfangsschritt (Z). Unter bestimmten Umständen ist es günstiger, einen Zyklus zu definieren, der einen (Z)-Schritt und m (ganze Zahl) Subzyklen von (Y)n,m)) und (X)-Schritten enthält. Ein derartiger Zyklus lautet:

(Z - (Y(n,m),X)_m)_n

Dieser Zyklus ist vorteilhaft, da der Anfangsschritt oder die "Auffrisch"-Rate weniger oft benotigt wird, um die anfänglich gesättigten Bereiche des Meßob^ekts gesättigt zu halten. Derartige Zyklen gestatten eine höhere Auflösung pro Abtastung in derselben Abtastzeit. Selbstverständlich wird die Abtast-Wiederholfrequenz durch das implizierte Anwachsen der Spin-Gitterrelaxationszeit erniedrigt.

In der beschriebenen beschnittenen Erregungsfolge beinhaltet die zu Anfang erfolgende Vorbereitung des Spinsystems mittels G_ mehrere RF-Impulse, die die meisten,(obwohl nicht alle) der Spins um 90° nutieren (kippen). Welche Spins davon berührt sind, hängt von der Größe des Feldgradienten und der spektralen Verteilung der störenden RF-Impulse ab.

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Die Erregungsimpulse erhalten ihre räumlich selektive Wirkung durch Modulation oder Beschneidung der Impulsform, so daß die spektrale Verteilungsfunktion die gewünschte Form besitzt. Diese beschnittene Funktion wird von der Fouriertransformierten der gewünschten spektralen Verteilungsfunktion abgeleitet und wird direkt zur Modulation der RF-Impulsträgerfrequenz verwendet.

Impuls-Breitenmodulation:

Ein Verfahren der beschnittenen Erregung besteht in der Modulation der Pulsbreite eines getasteten RF-Signals. Die Amplitudenvariationen der Zeitbereichsdaten werden verwendet, um die Breite einer regelmäßigen Folge von RF-Impulsen konstanter Amplitude zu modulieren. Negative Werte der Amplitude veranlassen eine 180°-Phasendrehung der Trägerwelle.

Auf den ersten Blick scheint dieses Verfahren befriedigend, da es relativ einfach ist, RF-Impulse konstanter Amplitude und veränderliche Breite in nicht-<Linearen RF-Verstärkern und Toren zu erzeugen. Allerdings zeigt eine Analyse der Spektralverteilung, die einer allgemeinen Impulsbreiten-Modulationsfunktion entspricht, daß erstere im allgemeinen nicht der ursprünglichen spektralen Verteilungsfunktion entspricht. Tatsächlich geht der größere Anteil der RF-Leistung' in unerwünschte Harmonische und Seitenbänder, die um die Trägerfrequenz herum erzeugt werden.

Ein einfacheres Verfahren besteht in der direkten Amplitudenmodulation der Trägerwelle^ die bevorzugt durch eine Einseitenbandamplitudenmodulation durchgeführt wird.

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Wenn die Kosinus-Transformation der gewünschten spektralen Verteilungsfunktion verwendet wird, um die RF-Trägerwelle in der Amplitude zu modulieren, so stellt die RF-Spektralverteilung eine verdoppelte Funktion um die Trägerfrequenz dar. Die eine oder andere Funktion dieses Funktionenpaares ist unterdruckbar, indem das Signal zusätzlich mit einer zweiten Trägerwelle mittels einer Sinustransformation amplitudenmoduliert wird, wobei die Phase der zweiten Trägerwelle um 90° gegenüber der ersten Trägerwelle versetzt ist.

In der Praxis hat die unerwünschte Bildfunktion der einfachen Kosinustransformation einen relativ kleinen Effekt auf das Spinsystem bei einem groBen Frequenzoffset der Modulationsfunktion.

Um ein schmales Spektrum, wie z.B. zur Zeit t (Fig. 15) zu bestrahlen, ist der benötigte RF-Pegel klein. Dies steht im Gegensatz zu dem Anfangssättigungsprozeß zur Zeit t , bei dem die spektrale Verteilung breit ist, da alle bis auf einen kleinen Bereich des MeSobjekts bestrahlt wird. Die Verhältnisse der RF-Amplituden für gleiches G_ und G,_r liegen typischerweise

ζ y

bei 100. Sofern dagegen G_ kleiner als G„ gemacht wird, ergibt

ζ y

sich ein günstigeres Verhältnis. Selbst dann ist der Bereich der RF-Amplitude, der zur Beschreibung des (Z)-Bestrahlungsmusters erforderlich ist, größer als derjenige für (Y), wodurch strenge Anforderungen an die Linearität der RF-Tore und Verstärker gestellt sind.

Fig. 16 zeigt ein schematisches Diagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der magnetischen Kernresonanz.

Von einem Frequenzthetisierer 10, der mit 15,0 MHz läuft, wird eine kleine RF-Leistung durch einen 180°-Phasenmodulator 11 einem 9O°-Hybridteiler 12 (quadrature hybrid splitter) zugeführt. Sowohl der Ausgang oder x-Kanal mit der Phase null und

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der Ausgang oder y-Kanal mit der um 90° versetzten Phase werden durch binäre Dämpfungsglieder 13 und 14, die von einem Rechner 15 gesteuert sind, hindurchgeleitet. Als geeignet hat sich ein Rechner vom Typ Honeywell H316 erwiesen. Die beiden Dämpfungsglieder bestehen aus einem Fünftor-Leistungsteiler an den Eingängen. Jedes der vier Ausgänge wird über ein stark dämpfendes RF-Übertragungstor und einem setzbaren Dämpfungsglied gespeist. Die Dämpfungswerte der vier Kanäle sind 0 dB, 6 dB, 12 dB und 18 dB. Die vier Kanäle werden schließlich in einem Breitbandaddierer kombiniert, um ein einziges Ausgangssignal zu ergeben.

Die binären Dämpfungsgliederausgänge des x- und y-Kanals werden in einer Dreiweg-Kombinationseinheit 16 kombiniert und durch ein variables Dämpfungsglied A^ dem Breitbandverstärker 17 zugeführt. Das Dämpfungsglied A^ ist als binäres Dämpfungsglied ausbildbar und läßt sich auch von dem Rechner 15 steuern, um den Leistungsbereich der RF-Signale zu erhöhen.

Ferner ist ein alternativer RF-Kanal vom Synthetisierer über das Übertragungstor G an das Dämpfungsglied A₁ vorgesehen. Dieses Tor G wird durch einen Impulsgenerator P gesteuert, der seine Steuerimpulse vom Rechner 15 erhält. Auf diese Weise lassen sich kurze RF-Impulse hoher Leistung erzeugen, die bei der Spektrometereinstellung und den Eichprozeduren erforderlich sind, sind.

Der Verstärker 17 ist über einen großen Bereich linear und die von 16 gelieferten RF-Pegelschritte von den binären Dämpfungsgliedern 13 und 14 sind so ausgelegt, daß sie diesen Leistungsbereich überdecken.

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Das Dämpfungsglied A₂, das ebenso als binäres Dämpfungsglied ausgebildet sein kann, läßt sich vom Rechner 15 steuern, es wird verwendet, um den an das Meßobjekt abgegebenen Leistungspegel zu variieren. Im gesamten Übertragungs- und Empfangssystem wird durchweg mit einer RF-Anpassung gearbeitet.

Die vom Meßobjekt 18 empfangenen Kernsignale werden zuerst in einem rauscharmen Vorverstärker 19 verstärkt, dessen Ausgangssignal anschließend in einem phasenempfindlichen Detektor 20 weiterverstärkt und in Beziehung mit dem Referenzeingangssignal angezeigt wird. Das wahrgenommene Ausgangssignal wird durch einen Analog-Digitalkonverter (ADC) in ein digitales Signal umgesetzt. Der Analog/Digitalkonverter ist mit dem Rechner 15 über eine Eingabe/Ausgabeleitung 21 verbunden, so daß die Digitalkonversion und der Datentransfer im Rechner nach Erhalt eines internen Befehlssignals durchgeführt werden.

Der Meßkopf, vgl. Fig. 17, ist eine Q-geschaltete Einrichtung (güte-geschaltet), die einen abgestimmten Serienschaltkreis enthält, in der die Induktivität L die Meßspule darstellt und sowohl beim Übertragungs- als auch beim Empfangsbetrieb verwendet wird. In Serie liegende, entgegengesetzt geschaltete DiodenD-j isolieren die Übertragungsstrecke vom Meßkopf während des Signalempfangs. Das Kernsignal wird durch einen Anpaßwiderstand R2 über einen 5:1 Breitbandübertrager und einer Λ/4-Leitung dem Vorverstärker 19 zugeführt. Parallel entgegengesetzt angeordnete Dioden Dp am Vorverstärkereingang schützen diesen während der Übertragung der RF-Impulse. Ein Widerstand R1 paßt den Meßkopf der Übertragungsstrecke (transmitter) an. Dieser Schaltungsaufbau besitzt den Vorteil, einfacher als die meisten anderen Meßkopf-Schaltungsanordnungen zu sein, da nur eine abstimmbare Kapazität C sowohl

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zum Anpassen als zur Abstimmung verwendet wird.

Um die RF-Inhomogenität zu verbessern, wird die Meßspule L auf einen isolierten Kupferfolie-Flußkörper aufgewickelt, der in Form eines Zylinders aus dünnen Kupferschichten besteht.

Der Meßkopf aufbau wird von den gradienten Spulen umgeben, die im a

erzeugen

die im allgemeinen magnetische Feldgradienten G , G und G

Der durch die gradienten Spulen fließende Strom wird durch einen Schalter S1 gesteuert, der je nachdem einen Stromverstärker Α_χ, A^ oder A zuschaltet und dadurch den Strom von einer Spule auf eine andere Spule gibt. Im allgemeinen werden die Ströme eine unterschiedliche Größe besitzen, und dadurch werden unterschiedliche Feldgradienten erzeugt. Sofern erforderlich, lassen sich zwei oder mehr gradienten Spulen gleichzeitig speisen.

Der Rechner ist durch gepuffert und getastete Ausgangssignale von 11 bis 16 Bits des Akkumulators oder Α-Registers modifiziert. Bei Empfang eines internen, relevanten Befehlssignals sind alle Tasttore geöffnet. Bitfolgen, die den erforderlichen Impulsfolgen entsprechen, werden sequentiell und intern in das Α-Register mittels einer Softwaresteuerung eingegeben. Da der Rechner H316 ein synchroner Rechner ist, erfolgt die Taktgabe für alle Befehle koherrent und in Einheiten der Maschinenzykluszeit, d.h. 1,6 Sekunden.

In den geschilderten Experimenten steuern Bits 13 bis 16 das binäre Dämpfungsglied, während Bit 12 den Schaltablauf der Gradienten mittels des Schalters S1 steuert, und Bit 11 die Phasenumkehr der. Trägerwelle mittels des 180°-Phasenmodulators

■-■-■■ - ■ V-'

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steuert.

Während der Datenverarbeitung oder anderer Operationen im Rechner'sind die Ausgänge des Α-Registers ausgeschaltet, sofern keine Steuerimpulse erforderlich sind. Auf diese Weise sollen unkontrolliert laufende Steuerimpulse verhindert werden, die normalerweise auftreten, da während des normalen Betriebszustandes die meisten Bitoperationen im Akkumulator-Register durchgeführt werden.

In einer Steuerkonsole befindet sich ein Block von Fühlschaltern (sense switches), die alle wie ein normales peripheres Gerät getestet oder betätigt werden können. Ein derartiger Schritt erfolgt auf Befehl eines internen Befehlssignals, das durch software ausgelöst wird. Dadurch wird der Rechner angewiesen, den folgenden Programmbefehl entweder auszuführen oder nicht auszuführen, je nachdem, in welche Stellung der betreffende Fühl- oder Betätigungsschalter gesetzt ist. Auf diese Art und Weise werden verschiedene Betätigungsschalter verwendet, um das Programm während seiner Durchführung an andere Stellen der Software-Routine weiterzuleiten.

Eine Anzeigeeinheit arbeitet in einer eindimensionalen oder zweidimensionalen Betriebsart bei Empfang entsprechender Rechnerbefehle.

Bei der eindimensionalen Betriebsweise werden Blöcke des Speichers (64 bis 512 Wörter) mittels einer internen Software-Routine ausgegeben. Jedes dieser Wörter wird in der Anzeigeeinheit in eine Analogspannung umgewandelt und dann zur Ablenkung in y-Richtung eines Monitoroszillographen verwendet. Ein binärer 12-Bit-Zähler wird bei Beendigung jedes Worttransfers ausgelöst. Die gezählte Zahl wird in einem 12-Bitdigital/ Analogwandler in eine Analogspannung umgewandelt und zur Er-

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zeugung der x-Ablenkung des Datenpunktes auf der Sichtscheibe verwendet.

Bei der zweidimensionalen Anzeigeart werden Speicherblöcke von (i/4)(64)², (1/4(128)² und (1/4X256)² Wörtern über eine interne Software-Routine ausgegeben. Jedes 16-Bit-Wort wird"zeitweilig in einen 16-Bitpufferspeicher gespeichert. Vor Empfang des nächsten Rechnerwortes wird das im Pufferspeicher gespeicherte Wort in vier Blöcken zu je vier Bits ausgegeben. Die vier Bitwörter werden in einem Zähler gezählt, der mittels eines Digital/Analogwandlers das Signal für die x-Ablenkung des Oszillographenschirms erzeugt. Ein zweiter Zähler zählt das Ende von jeder Zeile der Datenpunkte und liefert über einen zweiten Digital/Analogwandler die y-Ablenkung, wodurch ein flächiges, quadratisches Fernsehraster entsteht. Die Größe jedes der 4- Bitwörter wird rasch in analoge Form umgesetzt und dann zur direkten Modulation der Intensität des Elektronenstrahles der Anzeigeeinrichtung verwendet, wodurch ein Bild nach Art eines Fernsehbildes entsteht. Die Anzeigeeinheit muß eine lineare Strahlintensitäts-Modulationseinrichtung besitzen. Bei einer Ausgabegeschwindigkeit der 4-Bitwörter von etwa 3,0/Usek.

2 '

pro Anzeigepunkt ergibt sich selbst für 256 -Felder nur ein geringes Flickern.

Für Eichzwecke und zum Abgleichen wird der Impulsgenerator P in Fig. 16 anstelle des binären Dämpfungsgliedes angeschlossen und zur Erzeugung kurzer, kräftiger 9O°-Impulse für die Meßspule verwendet. Das Meßobjekt besteht dann entweder aus paramagnetisch gemachten Wasser oder Mineralöl in Form eines Zylinders, dessen Zylinderachse längs der z-Richtung liegt. Die Absorptionslinie eines derartigen Meßobjekts in einem linearen Feldgradienten G__ oder G,, besitzt eine halbkreisförmige

λ. y

Gestalt, dessen Basisbreite zusammen mit dem tatsächlichen

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Durchmesser des Zylinders eine direkte Eichung des Feldgradienten gestattet. Dieser Prozeß wird für die beiden Gradienten G und G„ wiederholt, obwohl für G_ die Meßobjektachse längs entweder der x- oder y-Achse liegen muß. Die Impulsantwort auf den 90°-Impuls gestattet es, daß die Bildausdehnung innerhalb des Bereichs der Anzeigeeinheit liegt, indem die Projektionsdaten zentriert werden und die Breite mittels des Feldgradienten und/oder der Datenpunkt-Abstandsveränderung justiert wird.

Der Einstellvorgang beginnt mit dem Einstellen des richtigen RF-Bestrahlungspegels und dann der Empfangsphase.

Der RF-Pegel wird dadurch eingestellt, daß ein Meßobjekt mit beschnittener Erregungsfolge, die der schmälsten spektralen Verteilungsfunktion, d.h. einem Punkt in dem Frequenzbereich entspricht, bestrahlt wird. Der Frequenzoffset wird so gewählt, daß ein schmaler Schlitz durch das Zentrum des Meßobjekts bestrahlt wird. Die Antwort auf diese Bestrahlung bei einem konstanten Gradienten G(keine Umschaltung des Gradienten) wird nach Fourier transformiert. Die resultierende schmale Spitze wird für die kleinstmögliche RF-Leistung maximiert. Dies entspricht einem 90°-Nutationsimpuls. Dies läßt sich überprüfen durch Wiederholung ohne Anlegen des gradienten Feldes. In diesem Fall trägt das gesamte Meßobjekt zum Signal bei, sofern das statische Magnetfeld H so eingeregelt ist, daß der Frequenzoff set des selektiven Impulses gezählt wird.

Das vollständige Experiment wird durchgeführt bei eingeschalteten Gradienten aber einem konstanten Frequenzoffset. Das Signalprofil, das einem schmalen Schlitz durch die Mitte des Meßobjektsquerschnitts entspricht, wird angezeigt und die RF-Referenzphase so eingestellt, daß sich eine symmetrische und positive Absorptionslinie ergibt. Außerdem wird eine Versuchsdatenmittelung des Profils durchgeführt, die gestattet, daß

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es eino* Maßstabsanpassung der Daten ermöglicht, die durchschnittlichen Veränderungen der Daten in den vollen 16-stufigen Intensitatsbereich der optischen Anzeigeeinrichtung zu bringen.

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Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zur Messung der magnetischen Kernresonanz mit Einrichtungen zum Anlegen eines statischen Magnetfeldes an ein Meßobjekt, Einrichtungen zum Anlegen eines Magnetfeldgradienten in mindestens einer von drei orthogonalen Richtungen und mit Einrichtungen zum Auslesen des Abklingsignals der freien Induktion des Meßobjekts, dadurch gekennzeichnet, daß ein RP-Generator zum Anlegen eines RF-Signals an das Meßobjekt mit ausgewählten Frequenzkomponenten vorgesehen ist, und daß Schalteinrichtungen zum Schalten der magnetischen Feldgradienten gleichzeitig mit dem Anlegen der RF-Signale vorgesehen sind,wobei bestimmte Bereiche des Meßobjekts erregt und andere Bereiche des Meßobjekts nicht erregt werden.

Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der RF-Generator Einrichtungen zum Auswählen von ersten Frequenzkomponenten enthält, die in Kombination mit einem gleichzeitig angelegten Magnetfeldgradienten die Spins in einem Meßobjekt bis auf diejenigen Spins sättigen, die sich in einer bestimmten Schicht senkrecht zur Richtung des Feldgradienten befinden.

Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der RF-Generator Einrichtungen zum Auswählen von weiteren Frequenzkomponenten enthält, die in Kombination mit einem gleichzeitig angelegten Magnetfeldgradienten nur diejenigen Spins in einem Meßobjekt sättigen, die

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in einer senkrechten Ebene zur Richtung des Magnetfeldgradienten liegenden Schicht vorhanden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Schalten der Magnetfeldgradienten zuerst einen ersten Magnetfeldgradienten zuschalten, wenn das RF-Signal die ersten Frequenzkomponenten enthält, und einen zweiten Feldgradienten orthogonal zum ersten Feldgradienten einschalten, wenn das RF-Signal die weiteren FrequenzkoiHponenten enthält, wobei nur diejenigen Spins,die in einem Streifen der genannten Schicht liegen, gesättigt werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Schalten der Magnetfeldgradienten einen dritten Feldgradienten orthogonal zu den beiden ersten Magnetfeldgradienten während der Zeit einschalten, während der das Abklingsignal der freien Induktion des Meßobjekts ausgelesen wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Schalten der Magnetfeldgradienten nacheinander den Magnetfeldgradienten in der ersten, zweiten und dritten orthogonalen Richtung einschalten, und daß der RF-Generator während der ersten und zweiten Zeitperioden eingeschaltet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Schalten der magnetischen Feldgradienten die Gradienten zyklisch in die zweite und

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dritte der orthogonalen Richtungen schalten, und daß bei jedem Zyklus der RF-Generator verschiedene ausgewählte Frequenzkomponenten anlegt, um die in den verschiedenen Streifen der genannten Schicht liegenden Spins zu sättigen.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß der RF-Generätor einen Amplitudenmodulator zur Erzeugung der ausgewählten Frequenzkomponenten enthält.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Amplitudenmodulator ein umschaltbares Dämpfungsglied enthält.

Rei/Rb/Pi.

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