DE2540436C2

DE2540436C2 -

Info

Publication number: DE2540436C2
Application number: DE2540436A
Authority: DE
Inventors: Allen Nathan Oxon Hill Md. Us Garroway; Peter Kevin Keele Newcastle Staffordshire Gb Grannell; Peter Chilwell Nottingham Gb Mansfield
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1974-09-11
Filing date: 1975-09-11
Publication date: 1988-01-07
Also published as: US4021726A; JPS5153888A; DE2540436A1; JPS6012574B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernspinresonanz-Verfahren gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 3 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.

Derartige Verfahren, die Techniken zur Messung der bei Kernspinresonanzanregung auftretenden Signale anwenden, und eine derartige Vorrichtung sind sowohl aus der Zeitschrift "Nature", Vol. 242, März 1973, Seiten 190, 191 als auch aus einer Veröffentlichung in Physics Letters, Vol. 48A, 3. Juni 1974, Seiten 87 bis 88 bekannt. Hierbei wurde ausgenutzt, daß durch Anlegen eines dem homogenen Magnetfeldgradienten überlagerten Magnetfeldgradienten nach Anregung der Kernspinresonanz mit Hilfe eines 90°-Hochfrequenzmagnetfeldimpulses die Resonanzlinie des hierbei ausgelesenen Signals einer eindimensionalen Projektion der Kernspindichte in Gradientenrichtung entspricht. Durch Messungen in verschiedenen Ausrichtungen des Meßobjekts relativ zum Gradientenfeld und Bestimmung der jeweiligen Frequenzspektren konnte durch eine allerdings zeitaufwendige Computerberechnung eine zweidimensionale Abbildung der Kernspindichteverteilung gewonnen werden. Um dieses Rekonstruktionsverfahren zu vereinfachen und bezüglich seiner Auflösung zu verbessern, wurde in der genannten Physics Letters-Veröffentlichung vorgeschlagen, durch Gradientenveränderung während der Messung bestimmte Bereiche im Meßobjekt selektiv zu erfassen. Mit Hilfe von drei Gradientenspulen erzeugten, sich überlagernden orthogonalen Magnetfeldgradienten

wurde ein Meßobjektpunkt mit verschwindender zeitabhängiger H-Komponente definiert, dessen freies Induktionsabklingsignal ausgewertet wurde. Durch relative Änderung der Ströme in den Gradientenspulenhälften konnte dieser Meßpunkt in alle Meßobjektbereiche gelegt werden und durch entsprechende synchrone Ansteuerung eines X-Y- Plotters die Kernspindichteverteilung über das gesamte Meßobjekt abgetastet werden. Eine genaue Abbildung einzelner Meßobjektbereiche mit hoher Auflösung war jedoch wegen der damit verbundenen Abnahme der pro Zeiteinheit gewinnbaren Information nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das im Oberbegriff der Patentansprüche 1, 3 angegebene Verfahren so zu verbessern, daß eine gute Auflösung erzielbar ist und eine detaillierte Untersuchung kleiner Meßobjektbereiche auch ohne die Notwendigkeit der Abbildung des gesamten Meßobjekts möglich ist. Ferner soll eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8 zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren alternativ durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 3 sowie für eine gattungsgemäße Vorrichtung durch den Gegenstand des Patentanspruchs 8 gelöst.

Wahlweise kann der zum Auslesegradienten senkrechte Präparationsgradient beim Anlegen des derart selektiv wirkenden Ausleseimpulses oder auch vorab mit einem oder mehreren entsprechend selektiv wirkenden Präparationsimpulsen angelegt werden.

Die HF-Anregung wird auf solche Frequenzkomponenten begrenzt, daß sie selektiv nur auf Kernspins bestimmter Bereiche anregend wirkt, während Kernspins in anderen Bereichen ungestört bleiben. Die Kombination dieser selektiven Anregung mit der Anwendung von Magnetfeldgradienten, die die Kernspins über deren Resonanzfrequenzen (Larmorfrequenzen) mit deren räumlicher Position koppeln und zu geeigneten Zeiten und in geeignete Richtungen angelegt werden, ermöglicht die genaue Bestimmung der Kernspindichte an jeder Stelle oder in jedem Bereich des Meßobjekts.

Weitere Vorteile liegen insbesondere darin:
i) Umfangreiche Computerberechnungen sind nicht erforderlich. Andere Kernspinresonanz-Abbildungsverfahren stellen eindimensionale Projektionen des gesamten Meßobjekts 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 erforderlich ist. Es wird daher keine Zeit vergeudet, sofern nur ein kleiner Bereich abgebildet werden soll.
iii) Das Bild läßt sich in einer oder zwei Dimensionen selektiv vergrößern, da die Vergrößerung von der Stärke des Magnetfeldgradienten abhängt. Diese Eigenschaft fehlt bei konventioneller optischer, Elektronen- oder Röntgenstrahlmikroskopie.
iv) Das Verfahren liefert Abbildungen von Meßobjekten, die Kerne mit einem von null abweichenden Kernspin besitzen, wie z. B. Protonen, Fluor, Kohlenstoff 13. Das Verfahren betrachtet zu einem Zeitpunkt jeweils eine Kernart, es läßt sich daher eine Darstellung z. B. der Protonenverteilung eines Meßobjekts anfertigen und anschließend durch Wiederholung des Verfahrens eine Darstellung des Kohlenstoff-13- Gehaltes gewinnen.
v) Zusätzlich zur Erstellung einer Kernspindichtedarstellung lassen sich wie auch in anderen Verfahren weitere räumlich abhängige Eigenschaften des Kernspinsystems abbilden, wie z. B. T₁ und T₂.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Ansprüche 2, 4 bis 7 und 9 bis 11.

Danach kann die selektive HF-Anregung entweder in einer selektiven Sättigung oder in einer selektiven Anregung bestehen.

Im Falle der selektiven Sättigung ist die Breite der Einhüllenden der Präparationsimpulse relativ groß und liegt in der Größenordnung der Spingitterrelaxationszeit T₁, und bei den derart angeregten Kernspins ist die Magnetisierung zerstört. Die Selektion wird in diesem Fall durch eine Frequenz- und/oder Amplitudenmodulation der Impulseinhüllenden bewirkt. Der einfachste Fall einer selektiven Sättigung wird durch ein HF-Signal fester Amplitude und fester Trägerfrequenz bewirkt.

Bei der selektiven Anregung wird ein HF-Magnetfeld so angelegt, daß die angeregten Spins in die X-Y-Ebene kippen (bei einer Gleichgewichtsausrichtung in Z-Richtung), was schneller als die Sättigung der Kernspins erreichbar ist. Selektiert wird in diesem Fall durch eine Amplituden- oder Pulsbreitenmodulation des HF-Impulses oder HF-Signals. Der einfachste Fall einer selektiven Anregung wird mittels eines nichtmodulierten HF-Impulses oder HF- Signals mit einer festen Trägerfrequenz bewirkt. Eine vollständige Abtastung des Meßobjekts kann sehr schnell in einer kürzeren Zeit als der Spin-Gitter-Relaxationszeit gewonnen werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 und 2 schematische Darstellungen eines Meßobjekts;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Bestimmung der Kernspindichteverteilung;

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Aufbau aus Meßspule und Feldgradientenspule;

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

Fig. 6 Zeitdiagramme zur Erläuterung eines mit Sättigungspräparationsimpulsen durchgeführten Verfahrens;

Fig. 7 eine Abbildung einer gemäß einem Verfahren nach Fig. 6 gewonnenen Kernspindichteverteilung;

Fig. 8 Zeit- und Frequenzdiagramme für ein alternatives Verfahren zur Bestimmung der Kernspindichteverteilung;

Fig. 9 ein Beispiel für die gewonnene Kernspindichteverteilung einer Scheibe;

Fig. 10 verschiedene Zeit- und Frequenzdiagramme, die alternativ zu den in Fig. 8 dargestellten Diagrammen sind;

Fig. 11 ein Beispiel einer mit dem anhand Fig. 10 erläuterten Verfahren gewonnenen Kernspindichteverteilung;

Fig. 12 verschiedene Stufen bei Erzeugung eines Präparationsimpulses;

Fig. 13 und 14 Teilansichten von Meßobjekten;

Fig. 15 Zeitdiagramme eines alternativen Verfahrens;

Fig. 16 ein Blockschaltbild einer alternativen Vorrichtung; zur Bestimmung der Kernspindichteverteilung und

Fig. 17 ein Schaltbild eines Meßkopfes, der bei der Vorrichtung nach Fig. 16 verwendbar ist.

Fig. 1 zeigt ein Meßobjekt B mit Kernspins oder kurz "Spins" in einem homogenen magnetischen Feld, dem ein Magnetfeldgradient G _x als Präparationsgradient in x-Richtung überlagert ist. Eine Kernspindichteverteilung in einem Punkt mit den Koordinaten x, y, z innerhalb des Meßobjekts wird mit ϑ (x, y, z) bezeichnet, Eine dünne Scheibe S in der y-z-Ebene mit der Dicke Δ x an der Stelle x₀ wird ausgewählt, und es wird die Kernspindichte ϑ (x₀, y, z) gemessen. Die Bedingung, daß ϑ (x₀yz) = ϑ (x₀y) und dann unabhängig von z ist, läßt sich dadurch erreichen, daß die Meßprobe mittels vier elementarer, unten angegebener Verfahren oder deren Varianten, in der geforderten Weise präpariert wird:
(i) Sättigung aller Spins im Meßobjekt mit Ausnahme der in der Scheibe S vorhandenen Spins; im folgenden als selektive Sättigung bezeichnet;
(ii) Anregung aller Spins im Meßobjekt mit Ausnahme der in der Scheibe S vorhandenen Spins, bei der alle unerwünschten Spins durch selektive Anregung in die x-y-Ebene gekippt werden.

Anstatt die Spins außerhalb der Scheibe S zu beeinflussen, lassen sich auch komplementäre Experimente durchführen, bei denen die Spins innerhalb Δ x angeregt werden, so z. B.:
(iii) durch Festlegung einer Scheibe der Breite Δ x im Meßobjekt durch Sättigung, wobei das beobachtete Signal vom gesamten Meßobjekt, vermindert um den Beitrag der gesättigten Kernspine dieser Scheibe, herrührt, oder
(iv) durch Festlegung einer Scheibe der Breite Δ x im Meßobjekt durch selektive Anregung. Dabei rührt das auf die Anregung folgende beobachtete Signal unmittelbar von den Spins innerhalb der durch diese Festlegung definierten Scheibe her.

Varianten der unter (iii) und (iv) dargestellten Verfahren gestatten zusätzliche und/oder alternative Verfahren, um die anfänglich angeregten Spins innerhalb der definierten Scheibe Δ x direkt zu beobachten, so z. B.:
(v) durch Sättigung einer Scheibe, wie in (iii), anschließende Invertierung der Kernspins des gesamten durch einen 180°-HF-Impuls hoher Intensität. Die gesättigten Spins in der Scheibe erzeugen eine Magnetisierung, die von der Basislinie aus zum Gleichgewichtswert anwächst, wohingegen die invertierten Kernspins außerhalb der Scheibe von einem anfänglich negativen Wert durch null auf den positiven Gleichgewichtswert relaxieren. Beim Nullwert führt die verbleibende Magnetisierung nur von den Spins innerhalb der definierten Scheibe her; oder
(vi) durch Festlegung einer Scheibe wie in (iv) und durch anschließende Invertierung der Kernspins des gesamten Objekts durch einen 180°-HF-Impuls hoher Intensität. Die ursprünglich angeregten Spins innerhalb der festgelegten Scheibe erzeugen eine Magnetisierung, die von der Basislinie aus zum Gleichgewichtswert anwächst, wohingegen die invertierten Kernspins außerhalb der Scheibe von einem anfänglich negativen Wert durch null auf den positiven Gleichgewichtswert relaxieren. Beim Nullwert rührt die verbleibende Magnetisierung wiederum nur von den Spins dieser Scheibe her.

Nach Präparation des Spinsystem entsprechend einem der vorstehend genannten Verfahren wird die Richtung des Feldgradienten schnell von G _x nach G _y, d. h. von x-Gradientenrichtung auf y-Gradientenrichtung nachgeschaltet. Eine Drehung des Meßobjekts würde einen äquivaltenten Effekt hervorrufen. Die Kernspindichteverteilung in der Meßprobe wird durch Anlegen eines 90°-HF-Magnetfeldimpulses (kurz Ausleseimpulses) ausgelesen. Das freie Induktionsabfallsignal (kurz FID) wird anschließend Fourier-transformiert und ergibt die Spindichte ϑ(x₀y) längs des Meßobjekts.

Die genannten Verfahren lassen sich leicht so erweitern, daß die Abbildung der Kernspindichte in drei Dimensionen gewonnen wird. Wurde z. B. die Scheibe S in oben angegebener Weise präpariert, so läßt sich eines der unter (i) bis (vi) angegebenen Anregungsverfahren rechtwinklig, d. h. mit G _x=0 und eingeschaltetem G _y, durchführen. Das Endresultat ist eine rechteckförmige Säule aus unterscheidbaren Spins, die in der Meßprobe, wie in Fig. 2 angegeben, definiert sind. Es wird dann G _x ausgestaltet und G _z eingeschaltet und anschließend folgt wieder ein Auslesevorgang. Als Endresultat ergibt sich die Kernspindichteverteilung ϑ(x₀, y₀, z) entlang einer Linie. Dieser Vorgang läßt sich für alle Werte von x₀, y₀ durchführen, wodurch dann die vollständige Dichteverteilung ϑ(x, y, z) gewonnen wird. Der oben angegebene selektive Anregungsprozeß gewährleistet eine detaillierte Untersuchung kleiner Bereiche des Meßobjekts innerhalb eines großen Volumens.

Eine Vorrichtung besteht im wesentlichen aus zwei Übertragungskanälen A und B, sie ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. Kanal A enthält einen ständig schwingenden 15 MHz Kristalloszillator A₁, dessen Ausgang durch ein HF-Tor A 2 beschränkter Bandbreite getastet wird. Nach dem HF-Tor A 2 werden kurze Impulse mit einer Dauer von 6,0 oder 12,0 µsec erzeugt, die starken 90°- oder 180°-Nutations-Impulsen entsprechen und in einem abgestimmten Verstärker A 3 verstärkt werden.

Der zweite Kanal B enthält einen variablen Frequenzsynthetisierer B 1, der auf etwa 15,0 MHz eingestellt ist. Das Ausgangssignal wird über einen 180°-Phasenmodulator B 2 einem breitbandigen HF-Transmissionstor B 3 zugeführt. Das Tor B 3 erzeugt HF-Impulse geringer Leistung mit Impulsdauer, die in einem breitbandigen HF-Verstärker B 4 verstärkt werden, dessen Ausgangssignal durch ein breitbandiges variables Dämpfungsglied B 5 geführt wird. Die Ausgangssignale der Kanäle A und B werden über eine Anpaßeinheit und einen Duplexer M der Meßspule S zugeführt. Einzelheiten der Anpaßeinheit und des Duplexerschaltkreises werden weiter unten erläutert.

Beide HF-Kanäle werden durch Öffnen oder Schließen ihrer jeweiligen Tore A 2 und B 3 gesteuert. Das Tor A 2 wird entweder durch einen 90°-Impuls von 6,0 µsec Dauer oder einen 180°-Impuls von ungefähr 12,0 µsec Dauer aus den DC-Pulsgeneratoren P 1 und P 2 in den eingeschalteten Zustand gesetzt. Die Impulsgeneratoren P 1 und P 2 werden ihrerseits durch geeignete Triggerimpulse getriggert, die in einer programmierbaren Steuereinheit C erzeugt werden.

Der 180°-Phasenmodulator B 2 erzeugt am Ausgang sinusförmige Signale, die in der HF-Phase je nach Stellung des Modulators um 180° differieren. Geschaltet wird der Phasenmodulator B 2 durch einen Triggerimpuls von der Steuereinheit C. Ein Flip-Flop FF 2 öffnet das Tor B 3 für lange oder kurze Zeitintervalle, d. h. für einige Mikrosekunden bis zu einigen Sekunden. Der Triggerimpuls für FF 2 wird ebenfalls von der Steuereinheit C geliefert. Die Impulsfolgeprogramme der Steuereinheit C werden entweder direkt mittels Programmkarten oder durch einen Lochstreifen über einen Fernschreiber eingegeben, oder sie werden im Falle der selektiven Anregung über eine Schnittstelle von einem Rechner geliefert.

Die Sende- bzw. Meßspule S sitzt in einem sehr homogenen, statischen Magnetfeld B₀, das durch einen Elektromagneten erzeugt wird. Zusätzlich umgeben lineare Magnetfeldgradienten- Spulen G die Meßspule. Diese Gradientenspulen erzeugen die Magnetfeldgradienten Gx, Gy und Gz. Welche der Spulen erregt ist, und welcher Gradient daher zu einem Zeitpunkt gerade erzeugt wird, hängt vom Stromfluß durch die einzelnen Spulen ab. Dieser Stromfluß wird durch ein Flip-Flop FF 1 gesteuert, das ein Read-Relais aktiviert, das Strom aus einer Stromquelle auf die entsprechende Spule schaltet. Die Triggerimpulse zum Schalten des Stromes werden durch die Steuereinheit C erzeugt.

Fig. 4 zeigt die Anordnung zur Erzeugung zweier Magnetfeldgradienten, eines Präparationsgradienten Gx und eines Auslesegradienten Gz und die Lage dieser Gradientenspulen bezüglich der Sende- bzw. Meßspule bzw. des Meßobjekts und dem statischen Feld B₀.

Wie sich der Fig.4 entnehmen läßt, ist ein Meßobjekt 11 von unten in die Meßspule S mit 1 bis 7 µH und mit 7 Windungen eingeschoben. Die zentrale Zutrittsöffnung wird durch ein Nylonformteil 12 definiert, das von einer Abschirmdose 13 aus Aluminium umgeben ist. Die Abschirmdose 13 ist von einem Perspex- Formteil 14 umgeben. Die Spule 16 zur Erzeugung des Gradienten G _z hat 17 Windungen pro Strang, die in Serie verbunden sind. 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 15 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 Spule, die als Sende- bzw. Meßspule S dient. Die Anpaßeinheit verhält sich wie ein abgestimmter Parallelkreis für hohe Leistung. Das heißt, die entgegegengesetzt geschalteten Diodenpaare D 1, D 2 und D 3 sind gut leitend, wenn einer der beiden Kanäle der Meßeinrichtung HF-Leistung zuführt. C 1, C 2 und S bilden einen Parallelresonanzkreis mit einem parallelen Dämpfungswiderstand r 2. Für den Signalempfang verhalten sich alle Dioden wie offene Stromkreise und C 1, C 2 und S bilden einen Serienresonanzkreis. Der Widerstand r 1 von z. B. 12 kΩ im Kanal B dient dazu, den Kanal B mit geringerer Leistung vom Kanal A mit der viel höheren Leistung zu trennen. Das Signal, das zwischen D 2 und C 1 auftritt, wird über einen Breitbandverstärker einem rauscharmen Vorverstärker zugeführt.

Die in der Meßspule S erzeugten FID-Signale werden gemäß Fig. 3 über die Anpaßeinheit und den Duplexer M und über einen rauscharmen Vorverstärker R 1 einem Empfänger und phasenempfindlichen Detektor R 2 zugeführt. Die dort empfangenen Signale werden in einem Analog/ Digitalkonverter (ADC) R 3 digitalisiert und einem Rechner, z. B. vom Typ Honeywell H316, zugeführt. Die Signalabtast-Triggerimpulse für den Analog/Digitalkonverter R 3 werden in der Steuereinheit C erzeugt. Diese ist mit dem Rechner über eine Unterbrechungsleitung synchonisiert.

Die FID-Signale lassen sich im Rechner wiederholt mitteln, um das Signal/Rauschverhältnis zu verbessern. Die gemittelten FID-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 Sättigungsexperimente und Verfahren (ii) und (vi) der Anregungsexperimente angegeben.

Beim Verfahren (v) werden die Gradientenspulen so angeordnet, daß der Magnetfeldgradient G _x in einer Präparationsphase eingeschaltet ist. Beim Beginn des Experiments wird der Rechner in Betrieb gesetzt, um einen Unterbrechungsimpuls abzugeben, der die Steuereinheit veranlaßt, mit dem Steuerprogramm für dieses Experiment zu beginnen. Das Steuerprogramm liefert zuerst einen Triggerimpuls an FF 2, das den langen Präparations- Impuls mit kleiner Amplitude und der Dauer D 1 (ungefähr 2,0 Sekunden) im Kanal B einschaltet. Das Spinsystem wird dadurch mit einer durch den Synthetisierer B 1 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 der Präparationsphae setzt ein zweiter Triggerimpuls FF 2 zurück und setzt FF 1 so, daß ein Auslesegradient G _z erzeugt wird. Gleichzeitig liefert die Steuereinheit über den A-Kanal einen Triggerimpuls zum 180°-Pulsgenerator P 2. Der starke, auf diese Weise erzeugte HF-Impuls invertiert die Spin-Population während einer Dauer D 1. Die lokal gesättigten Spins wachsen auf +Δ M₀ gemäß der Beziehung Δ M(t)=Δ M(o) · (1-exp(-t/T₁)) 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 exp(-t/T₁)) auf den Wert +M′(o) zurück, wobei M(o)=M′(o) + Δ M(o). Nach einer weiteren Dauer D 2=T₁ ln 2, ist die Magnetisierung M′(D₂)=0. Dagegen ist Δ M(D₂) nicht null. Auf diese Weise liefern lokal gesättigte Spins ein Signal, das sich vollständig von den restlichen Spins im Meßobjekt unterscheidet. Nach Ablauf der Dauer D₁+D₂ wird ein starker 90°-Impuls als Ausleseimpuls vom Steuergerät im Kanal A angelegt. Beim Auslesen ist G _z eingeschaltet und G _x=0. Auf diese Weise wird eine Scheibe 5 des Meßobjekts zuerst durch Anwendung eines Präparationsgradienten G _x isoliert und dann wird die Kernspindichteverteilung entlang dieser Scheibe betrachtet und hierzu entlang dieser Scheibe der Auslesegradient eingeschaltet.

Dieses Verfahren läßt sich experimentell durch die Betrachtung der Protonen eines Meßobjekts aus Wasser in Form eines zylinderförmigen Rings veranschaulichen. Die zu verschiedenen Zeitpunkten bei einem solchen Experiment gewonnenen Signale sind in Fig. 6 dargestellt. Fig. 6(a) zeigt die Absorptionslinie des Meßobjekts bei ausgelegten Präparationsgradienten. Die symmetrische Einbuchtung im Signal ist durch die Abwesenheit von Spins im zentralen, zylinderförmigen, eingeschlossenen Raum des Meßobjekts bedingt. Fig. 6(b) zeigt das Ergebnis einer Sättigungspräparation von 2,0 Sekunden im Zentrum der Absorptionslinie der Fig. 6(a). Fig. 6(c) zeigt das Signal der angeregten Meßobjektscheibe. Dieses wurde gewonnen, nachdem zuerst die Einrichtung im Zentrum des Absorptionsspektrums entsprechend Fig. 6(b) im Präparationsbetrieb erzeugt wurde und anschließend das gesamte Spektrum mit einem starken 180°-Impuls invertiert wurde. Das Signal wurde durch einen kräftigen 90°-Ausleseimpuls ausgelesen, der nach Ablau der Zeitdauer D₂=T₁ln 2 später angelegt wurde. Diese Zeitdauer betrug im beschriebenen Experiment 0,9 Sekunden. Es wurde zur Vereinfachung nur der Gradient G _x angewendet.

Fig. 6(d) zeigt das endgültige Ergebnis des Experiments, bei dem das oben beschriebene Verfahren (v) angewandt wurde. Die anfängliche Präparationsphase wird, wie oben, bei eingeschaltetem G _x ausgeführt. Der 180°-Impuls und der Auslesegradient G _z werden angelegt, wobei die Verzögerung um die Dauer D 2=T₁ln 2 mit der in Fig. 6(c) verwendeten Verzögerung identisch ist, und das Signal nach D 2 durch einen kräftigen 90°-Ausleseimpuls gewonnen wird. Das FID-Signal wird Fourier-transformiert und dann angezeigt oder auf einen Schreiber gegeben. Die Form der experimentellen Absorptionslinie enthält zwei Maxima, was der erwarteten Dichteverteilung einer durch das Zentrum eines Ringes gelegten Scheibe entspricht.

Unter Verwendung ähnlicher Daten, wie sie Fig. 6(d) zugrundeliegen, wurde die Kernspindichte-Rasterabbildung des halben Ringes nach dem Verfahren (v) ausgeführt. Die gewonnenen Signale wurden in einem zweidimensionalen Punkt-Bild angeordnet, wobei die Fläche eines gegebenen rechteckförmigen Punktes an einer bestimmten Stelle im Bild propotional zur Signalamplitude der entsprechenden Stelle im Meßobjekt ist. Zehn Grautöne oder Punktabmesungen wurden dabei verwendet. Die gewonnenen 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 mm war. Die Differenz in den Bildachsen resultiert aus unterschiedlichen Stärken des Präparations- und Lesegradienten G _x und G _z, und zeigt einen Vorteil der vorliegenden Erfindung, nämlich daß eine gewünschte Vergrößerung des Bildes leicht durchführbar ist.

In einem Experiment mit dem Sättigungsverfahren (iii), wird der Präparations-Gradient G _x durch FF 1 gesetzt, und der Präparationsimpuls wird wie beim Verfahren (v) für ungefähr 2,0 Sekunden angelegt. Nach dem Ende dieser Periode wird der Auslesegradient G _z schnell angelegt und G _x auf null gesetzt. Kurz nach dem Anlegen von G _z (diese Zeit muß im allgemeinen Lang genug sein, damit die Transienten Komponenten des angelegten Magnetfeldes auf null abfallen), wird ein starker 90°-Leseimpuls angelegt. Das resultierende FID-Signal wird aufgezeichnet und Fourier-transformiert. Diese resultierende Kurvenform wird im allgemeinen nicht das örtliche Sättigungsverhalten, wie in Fig. 6(b) nach dem Verfahren (v) wiedergegeben. Aufgrund des Umschaltens des Gradienten werden die Wirkungen des gesättigten Bereichs des Meßobjekts über den größten Teil des betrachteten Spektrums gestreut. Das gesuchte Signal, das der Kernspindichteverteilung längs der angeregten Scheibe entspricht, läßt sich jedoch direkt durch Betrachtung des Differenzsignals zwischen dem Kurvenverlauf des nicht angeregten und des angeregten 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.

Im folgenden wird nun die Schrittfolge für eine Form der selektiven Anregung gemäß dem Verfahren (ii) in Einzelheiten diskutiert. Die einzelnen Schritte sind schematisch in Fig. 8 dargestellt.

Ein Gradient G _x liegt anfänglich in x-Richtung an. Die im Intervall x₀ bis x₀+Δ x liegenden Spins schwingen in Resonanz mit Larmorfrequenzen zwischen f₁ und f₂. Im folgenden wird aufgezeigt, in welcher Weise eine Selektion auf die Scheibe S mit der Breite Δ x (vgl. Fig. 1) erfolgt, und wie auf diese Weise auch kleinere Bereiche des Meßobjekts betrachtet werden können. Die Spins werden zuerst mit einer selektiven Anregungsimpulsfolge angeregt, die alle außerhalb f₁ bis f₂ 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 Bezugssystems und geraten mit einer Zeitkonstante c _x von ungefähr (q G _x L _x)^-1 außer Phase. Die Meßobjektabmessungen in den x, y, z-Richtungen seien L _x, L _y und L _z. Die sich von diesen Spins abhebenden, zu untersuchenden Spins sind weiterhin in z-Richtung orientiert. Eine bestimmte Zeit später, die größer als c _x, aber sehr viel kleiner als T₁ ist, werden die Richtung und evtl. auch die Größe des Gradienten von G _x und G _y umgeschaltet und eine zweite selektive Anregung durchgeführt. Die erwünschten Spins liegen nun innerhalb eines neuen Frequenzintervalls f₃ bis f₄, dem Koordinaten y₀ und y₀+Δ y entsprechen. Nach einer Zeit c _y, die größer als (q G _y L _y)^-1 ist, ist das Signal von den unerwünschten Spins, die außerhalb des Frequenzbereiches f₃ bis f₄ liegen, abgeklungen. Der Gradient wird nun von G _y auf G _z umgeschaltet, und es wird ein einzelner, starker 90°-Ausleseimpuls angeregt. Das auf diesen Leseimpuls folgende ausgelesene Signal resultiert aus der Region

x₀<x<x₀+Δ x
y₀<y<y₀+Δ y
0<z<L _z.

Im Grenzfall, daß Δ x und Δ y sehr klein sind, ist die Fourier-transformierte des Signals, das ausgelesen wird, direkt proportional zur Kernspindichte längs der Geraden x₀, y₀, 0<z<L _z. Die vollständige Schrittfolge wird dann für verschiedene Werte von f₁ und f₂, f₃ und f₄ wiederholt, um die Kernspindichte an beliebigen Stellen des Meßobjekts zu gewinnen.

Dieses selektive Anregungsverfahren unterscheidet sich vom selektiven Sättigungsverfahren dadurch, daß das erstere die gewünschte Magnetisierung innerhalb einer Zeit von ungefähr (γ G _x Δ x) ^-1 erzeugt, während die letztere hierfür eine Zeit erfordert, die vergleichbar mit T₁ oder T₂ ist.

Die selektiven Anregungsimpulse werden durch den HF-Kanal B (Kanal kleiner Leistung) in Fig. 3 gesendet, während der abschließende Ausleseimpuls durch den Hochleistungskanal A geliefert wird.

Fig. 9 zeigt einen Aspekt einer selektiven Anregungsfolge nach Verfahren (iv). Ein zylindrisches Meßobjekt mit 8 mm Durchmesser wurde so bestrahlt, daß die Spins innerhalb einer schmalen Scheibe (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 vom gesamten Meßobjekt, und die Kurve (b) zeigt die Fourier- Transformierte des unmittelbar auf die selektive Anregung folgenden Signals. Dieses Verfahren führte zur Selektion einer Scheibe von 0,35 mm Breite einer Röhre von 8 mm Durchmesser.

Das Verfahren (iv) besitzt bestimmte Vorteile gegenüber dem beschriebenen Verfahren (ii), denn die gewünschten Spins werden selektiv angeregt und einer Nutation von 90° oder 270° unterworfen, die unerwünschten Spins bleiben im Gegensatz zum Verfahren (ii) ungestört. (Es ließe sich ebenso ein einfaches Anregungsexperiment durchführen, bei dem der selektive HF-Impuls durch einen lange andauernden 90°- oder 270°-HF-Impuls kleiner Leistung ersetzt wird. Ein Impuls der Dauer D besitzt eine spektrale Breite von ungefähr D ^-1. Da ein Teil der HF-Leistung in den Seitenbändern enthalten ist, die grob etwa D ^{-1 gegenüber der Trägerfrequenz verschoben sind,
ist die räumliche Definition der Scheibe nicht so präzise
wie beim selektiven Anregungsverfahren (iv).
In einer Weiterbildung wird ein starker 180°-Impuls angelegt, der die unerwünschten
Spins in die -z-Richtung nutiert. Diese relaxieren dann mit einer Zeitkonstante T₁ von
einem Magnetisierungswert -M′ (0) zurück in den Gleichgewichtswert
+M′ (0). Zur Zeit t=T₁ln 2
ist die Magnetisierung der unerwünschten Spins null, während
die Magnetisierung der erwünschten Spins teilweise abgeklungen oder relasiert
ist und damit nicht null ist. In diesem Moment lassen sich
die Spins durch einen kräftigen 90°-Ausleseimpuls untersuchen, oder
der Prozeß läßt sich wiederholen, wobei die Gradienten G _y und
G _z verwendet werden, um eine weitere Beschränkung auf eine
schmale Säule zu erzielen. Einzelheiten zur Beschränkung auf
die x₀-Ebene sind in Fig. 10 dargestellt.
Fig. 11 zeigt Ergebnisse für einen Teil der oben beschriebenen
selektiven Anregung. Die Schrittfolge entspricht der
im Zusammenhang mit Fig. 10 erläuterten Schrittfolge. Das einem
starken 90°-Impuls folgende Signal ist in der Kurve (c)
dargestellt. Das von einer Scheibe des Meßobjekts gewonnene
Signal zeigt die Kurve (d). Hierbei wird deutlich, daß die selektive
Anregung zur Selektion einer Scheibe der Breite 0,8 mm
eines Meßobjekts einer Abmessung von 4,5 mm führte.
Das gewünschte Frequenzspektrum, vgl. Fig. 12(a), der Hochfrequenzmagnetfeldimpulse bei einer
selektiven Anregung wird in den Rechner eingegeben und im ON LINE-Betrieb
Fourier-transformiert.
Eine Softwareroutine
konvertiert die Amplitude (b) der Fourier-Transformierten
von (a) in die Impulsbreiten (c) und die Triggerimpulse (d), die
den Phasenmodulator veranlassen, die HF-Trägerphase um 180°
zu drehen. Die Impulse (c) und (d) speisen dann das HF-Transmissionstor
und erzeugen die selektive Anregung. Das tatsächlich
vorhandene HF-Modulationssignal ist in (e) dargestellt. Der
Abstand zwischen den Impulsen wird auf 18 τ₀ gesetzt, wobei τ=1,6 µsec
die Zykluszeit des Rechners darstellt. Impulsbreiten
von 0 bis 16 τ₀ werden verwendet, und ein Maximum von
156 Impulsen ist verfügbar. Die negativen HF-Impulsamplituden
werden dadurch erzeugt, daß die Phase des Trägers durch Triggerung
des Phasenmodulators B 2 aus Fig. 3 um 180° gedreht wird.
Mit dieser Anordnung kann ein Spekturm von 17,2 kHz Breite in
Schritten von 67,8 Hz angeregt werden.
Obwohl bei den meisten Experimenten dieser Art nur die Anregung
eines kleinen Bereiches des Spinspektrums erforderlich ist,
eignet sich das selektive Anregungsverfahren d,
die Anregung jedes beliebigen komplexen Bereichs
des Spinspektrums zu ermöglichen.
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 Verfahren
läßt sich das folgende Verfahren verwenden. Das Meßobjekt wird
im statischen Magnetfeld B₀ plaziert, das die z-Achse der
Kernquantisierung definiert. Es folgen dann drei aufeinanderfolgende
Anregungs- und Signalausleseschritte (Z), (Y)
und (X).
(Z): Ein Feldgradient G _z wird eingeschaltet und ein selektiver
Anregungsimpuls angelegt, um die Kernmagnetisierung innerhalb
des Meßobjekts oberhalb und unterhalb einer Scheibe der Dicke
Δ z an der Stelle z₀ vom Ursprung zu sättigen, vgl. Fig. 13.
Der gesättigte Bereich des Meßobjekts ist in Fig. 13 schraffiert
dargestellt. Die unschraffierte Scheibe Δ z enthält ungestörte
Spins, die mit dem statischen Magnetfeld B₀ im Gleichgewicht
sind.
(Y): Das weitere Verfahren konzentriert sich nun auf die Scheibe
Δ z mit den ungestörten Spins, vgl. Fig. 14. Der Gradient G _z
wird schnell durch einen neuen Gradienten G _y längs der y-Achse
ersetzt, ferner wird ein zweiter selektiver Anregungsimpuls
angelegt, der auf diejenigen Spins innerhalb Δ y an der Stelle
y₀ in der ungestörten Scheibe einwirkt. Auf diese Weise wird
ein schmaler Streifen innerhalb der ursprünglichen Scheibe Δ z
definiert.
(Z): Nach dem Ende des Anregungsimpulses wird der Gradient
schnell von G _y auf G _x umgeschaltet. Der freie Induktionsabfall
derjenigen Spins, die sich im Volumenelement x Δ y · Δ z
befinden, wird untersucht und nach Fourier transformiert, um
die Kernspindichteverteilung längs des Volumenelements anzugeben.
Sofern Δ y und Δ z klein sind, entspricht die Kernspindichteverteilung
der Liniendichte ϑ (x, y₀, z₀).
Beim selektiven Anregungsprozeß ist es unter Umständen
von Vorteil, verschiedene Gradienten G _z und G _y zu verwenden.
Außerdem läßt sich zum Auslesen auch G _x auf einen geeigneten
Wert einstellen.
Die Schaltfolgen während der drei Schritte (Z), (Y) und (X)
sind in Fig. 15 dargestellt. Der vorausgehende Selektionsprozeß
(Z) läßt sich bei jedem Zyklus oder weniger oft wiederholen
und definiert dadurch die Scheibe der Dicke Δ z. Die Wiederholungsrate
hängt von der Relaxationszeit der gesättigten (schraffierten)
Bereiche des Meßobjekts ab, vgl. Fig. 13. Die tatsächliche
Schrittfolge sollte daher als ein Zyklus beschrieben werden,
(Z, Y(n), X) _n, wobei n eine ganze Zahl ist. Das heißt, der Anregungsschritt
(Z) und der Ausleseschritt (X) werden in jedem
Zyklus wiederholt, die selektive Anregung Y(n) ändert sich
dagegen während jedes Zyklusses. Diese Veränderung entspricht
der Erzeugung eines Abtastmusters, das schnell die Schichten
zwischen y₀=0 bis y₀=Y abtastet. (Y ist die volle Meßobjektlänge
längs der y-Achse). Hierbei ist von Vorteil,
daß eine vollständige Abtastung des Meßobjekts
sehr schnell erhältlich ist und insbesondere in einer Zeit gewonnen
werden kann, die kleiner als die Spin-Gitterrelaxationszeit T₁
der Kernspins des Meßobjektes ist.
Sofern es gewünscht ist, den vollständigen Abtastvorgang zu
wiederholen, ist es notwendig, eine Zeit T₁
abzuwarten, bis sich die Magnetisierung im ersten Streifen
Δ y an der Stelle y₀=0, erholt hat. Abschätzungen ergaben,
daß die Zeit zur Erzeugung eines vollständigen Abtastbildes
in biologischen Geweben (die selbstverständlich von n abhängt,
wobei n typischerweise n=128 gewählt wird), ungefähr 1,0 Sekunden
beträgt. Während der Zeit, während der ein vollständiges Abtastbild
hergestellt wird, geht das System automatisch in einen
Zustand über, in dem es für eine zweite Abtastung 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
Ein Vorteil liegt darin, daß der Anfangsschritt oder die
Wiederholungsrate weniger oft benötigt wird, um die anfänglich
gesättigten Bereiche des Meßobjekts gesättigt zu halten. Derartige
Zyklen gestatten eine höhere Auflösung pro Abtastung in
derselben Abtastzeit.
In der beschriebenen selektiven Anregungsfolge beinhaltet die
zu Anfang erfolgende Präparierung des Spinsystems mittels G _z
mehrere HF-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 HF-Impulse ab.
Die Anregungsimpulse 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 Fourier-transformierten
der gewünschten spektralen Verteilungsfunktion abgeleitet und
wird direkt zur Modulation der HF-Impulsträgerfrequenz verwendet.
Ein Verfahren der selektiven Anregung besteht in der Modulation
der Impulsbreite eines getasteten HF-Signals. Die Amplitudenvariationen
der Zeitbereichsdaten werden verwendet, um
die Breite einer regelmäßigen Folge von HF-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, HF-Impulse konstanter Amplitude
und veränderlicher Breite in nichtlinearen HF-Verstärkern und
Torschaltungen 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 HF-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.
Wenn die Kosinus-Transformation der gewünschten spektralen
Verteilungsfunktion verwendet wird, um die HF-Trägerwelle in
der Amplitude zu modulieren, so stellt die HF-Spektralverteilung
eine Doppellinie um die Trägerfrequenz dar. Die
eine oder andere Funktion dieses Paares ist unterdrückbar,
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 wegen eines großen Frequenzoffset der Modulationsfunktion.
Um ein schmales Spektrum, wie z. B. zur Zeit t _y (Fig. 15) anzuregen,
ist der benötigte HF-Pegel klein. Dies steht im
Gegensatz zum Anfangssättigungsprozeß zur Zeit t _z, bei dem
die spektrale Verteilung breit ist, da alle Bereiche bis auf einen kleinen
Bereich des Meßobjekts angeregt werden. Die Verhältnisse der
HF-Amplituden für gleiches G _z und G _y liegen typischerweise
bei 100. Sofern dagegen G _z kleiner als G _y gemacht wird, ergibt
sich ein günstigeres Verhältnis. Selbst dann ist der Bereich
der HF-Amplitude, der zur Beschreibung des (Z)-Anregungsmusters
erforderlich ist, größer als derjenige für (Y), wodurch
strenge Anforderungen an die Linearität der HF-Torschaltungen und Verstärker
gestellt sind.
Fig. 16 zeigt ein schematisches Diagramm einer alternativen
Vorrichtung zur Bestimmung
der Kernspindichteverteilung.
Von einem Frequenzsynthetisierer 10, der mit 15,0 MHz läuft,
wird eine kleine HF-Leistung durch einen 180°-Phasenmodulator
11 einem 90°-Hybridteiler 12 zugeführt.
Sowohl der Ausgang oder x-Kanal mit der Phase null
als auch der Ausgang oder y-Kanal mit der um 90° versetzten Phase werden
durch binäre Dämpfungsglieder 13 und 14, die von einem Rechner als Steuereinheit
15 gesteuert sind, hindurchgeleitet.
Die beiden Dämpfungsglieder
13, 14 bestehen aus einem Fünftor-Leistungsteiler an ihren Eingängen.
Jeder der vier Ausgänge wird über ein stark dämpfendes
HF-Übertragungstor und einsetzbares Dämpfungsglied gespeist.
Die Dämpfungswerte der vier Kanäle sind 0 dB, 6 dB, 12 dB
und 18 dB. Die vier Kanäle werden in einem Breitbandaddierer
kombiniert, um ein einziges Ausgangssignal zu
gewinnen.
Die Ausgänge der binären Dämpfungsglieder 13, 14 des x- und y-Kanals
werden in einer Dreiweg-Kombiniereinheit 16 kombiniert und
durch ein variables Dämpfungsglied A₁ dem Breitbandverstärker
17 zugeführt. Das Dämpfungsglied A₁ ist als binäres Dämpfungsglied
ausbildbar und läßt sich auch vom Rechner 15 steuern,
um den Leistungsbereich der HF-Signale zu erhöhen.
Ferner ist ein alternativer HF-Kanal vom Synthetisierer über
ein 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 HF-Impulse hoher Leistung erzeugen, die bei der
Spektrometereinstellung und den Eichprozeduren erforderlich sind.
Der Verstärker 17 ist über einen großen Leistungsbereich linear und
die von der Kombiniereinheit 16 gelieferten HF-Pegelschritte von den binären Dämpfungsgliedern
13 und 14 sind so ausgelegt, daß sie diesen Leistungsbereich
überdecken.
Ein Dämpfungsglied A₂, das ebenso als binäres Dämpfungsglied
ausgebildet sein kann, läßt sich vom Rechner 15 steuern und
wird verwendet, um den an das Meßobjekt abgegebenen Leistungspegel
zu variieren. Im gesamten Sende- und Empfangssystem
wird durchweg mit einer HF-Anpassung gearbeitet.
Die vom Meßkopf 18 stammenden Signale werden zuerst
in einem rauscharmen Vorverstärker 19 verstärkt, dessen Ausgangssignal
anschließend in einem phasenempfindlichen Detektor
20 weiterverstärkt und in bezug auf das Referenzeingangssignal
erfaßt wird. Das festgestellte Ausgangssignal wird
durch einen Analog-Diigtalkonverter (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 L die Induktivität der Meßspule darstellt, die
sowohl im Sende- als auch im Empfangsbetrieb verwendet
wird. In Serie liegende, entgegengesetzt geschaltete
Dioden D₁ trennen die Sendestrecke während
des Signalempfangs vom Empfangsbereich. Das FID-Signal wird durch einen Anpaßwiderstand
über einen 5 : 1 Breitbandwandler und einer
λ/4-Leitung dem Vorverstärker 19 zugeführt.
Gegeneinandergeschaltete Dioden D₂ parallel zum Vorverstärkereingang
schützen diesen während der Übertragung der HF-Impulse. Ein
Widerstand R 1 paßt den Meßkopf an die Sendestrecke
an. Dieser Schaltungsaufbau besitzt den Vorteil eines
einfachen Aufbaus,
da nur eine abstimmbare Kapazität C sowohl
zur Anpassung als auch zur Abstimmung verwendet wird.
Um die HF-Inhomogenität zu verringern, ist die Meßspule L
auf einen isolierten Kupferfolie-Flußkörper aufgewickelt, der
in Form eines Zylinders aus dünnen Kupferschichten besteht.
Die Meßeinrichtungsanordnung bzw. der Meßkopf wird von den
Gradientenspulen umgeben, vgl. Fig. 16.
Der durch die Gradientenspulen fließende Strom wird durch
einen Schalter S 1 gesteuert und ist jeweils von einem Stromverstärker
verstärkt.
Im allgemeinen besitzen die Ströme eine unterschiedliche Größe, so daß
unterschiedliche Feldgradienten erzeugt werden. Sofern erforderlich,
lassen sich zwei oder mehr Gradientenspulen gleichzeitig
speisen.
Der Rechner 15 steuert auch die binären Dämpfungsglieder 13 und 14, die Umschaltung
auf die Gradientenspulen über den Schalter S 1 und
die jeweilige Trägerwellenphasenumkehr über den 180°-
Phasenmodulator 11. Darüber hinaus steuert der Rechner 15
über eine geeignete Displayschnittstelle, die für den
Betrieb in einem ein- oder zweidimensionalen Displaymodus
ausgelegt ist, einen Kathodenstrahloszillographen.
Im eindimensionalen Displaymodus werden digitale, vom
Rechner 15 verarbeitete Datenwörter in analoge Spannungswerte
umgesetzt und für die Y-Ablenkung des Kathodenstrahloszillographen verwendet. Ein Wortzähler
wird inkrementiert
und zur Steuerung der X-Ablenkung des Datenpunkts auf dem
Kathodenstrahloszillographen verwendet.
Im zweidimensionalen Displaymodus werden die X- und Y-
Strahlablenkungen so gesteuert, daß ein quadratisches
Fernsehraster erzeugt wird. Die vom Rechner 15 ausgegebenen
Daten werden hierzu in analoge Werte umgesetzt, die zur
linearen Modulation der Intensität des Elektronenstrahls
des angeschlossenen Kathodenstrahloszillographen dienen.}

Claims

1. Kernspinresonanz-Verfahren zum Bestimmen der Kernspindichteverteilung in mindestens zwei Dimensionen in einem Meßobjekt, bei dem sich das Meßobjekt in einem homogenen statischen Magnetfeld befindet und bei dem die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden:

a) Anlegen eines 90°-Hochfrequenzmagnetfeldimpulses als Ausleseimpuls zum Anregen der Kernspinresonanz von ausgewählten Kernen des Meßobjekts,
b) Auslesen des dadurch erzeugten freien Induktionsabklingsignals der angeregten Kerne in Anwesenheit eines dem homogenen Magnetfeld überlagerten Magnetfeldgradienten als Auslesegradienten,
c) Fouriertransformation des ausgelesenen Signals, um ein Frequenzspektrum zu erhalten, das die Kernspindichteverteilung in Gradientenrichtung wiedergibt,

dadurch gekennzeichnet, daß während des Verfahrensschrittes a) ein weiterer dem homogenen Magnetfeld überlagerter und zum Auslesegradienten senkrechter statischer Magnetfeldgradient als ein Präparationsgradient angelegt wird und dabei der Ausleseimpuls nur solche Frequenzkomponenten aufweist, daß selektiv nur die Kernspins in bestimmten Bereichen des Meßobjekts durch ihn angeregt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verfahrensschritt a) zeitlich vorausgehend ein weiterer zu dem einem Präparationsgradienten und zum Auslesegradienten senkrechter statischer Magnetfeldgradient als ein zweiter Präparationsgradient angelegt wird und innerhalb der Zeitdauer des Anlegens dieses zweiten Präparationsgradienten ein Hochfrequenzmagnetfeldimpuls als Präparationsimpuls angelegt wird, der nur solche Frequenzkomponenten aufweist, daß die Kernspins des Meßobjekts mit Ausnahme derjenigen in einer Scheibe senkrecht zum zweiten Präparationsgradienten gesättigt werden.

3. Kernspinresonanz-Verfahren zum Bestimmen der Kernspindichteverteilung in mindestens zwei Dimensionen in einem Meßobjekt, bei dem sich das Meßobjekt in einem homogenen statischen Magnetfeld befindet und bei dem die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden:

dadurch gekennzeichnet, daß dem Verfahrensschritt a) zeitlich vorausgehend ein weiterer dem homogenen Magnetfeld überlagerter und zum Auslesegradienten senkrechter statischer Magnetfeldgradient als Präparationsgradient angelegt wird und dabei an das Meßobjekt ein oder mehrere Hochfrequenzmagnetfeldimpulse als Präparationsimpulse angelegt werden, die nur solche Frequenzkomponenten aufweisen, daß selektiv nur die Kernspins in bestimmten Bereichen des Meßobjekts durch sie angeregt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Anlegen des einen Präparationsgradienten zeitlich vorausgehend ein weiterer zu ihm und zum Auslesegradienten senkrechter statischer Magnetfeldgradient als ein zweiter Präparationsgradient angelegt wird und daß auch während der Zeitdauer des Anlegens dieses zweiten Präparationsgradienten an das Meßobjekt ein oder mehrere Hochfrequenzmagnetfeldimpulse als weitere Präparationsimpulse angelegt werden, die nur solche Frequenzkomponenten aufweisen, daß wieder selektiv nur die Kernspins bestimmter Bereiche des Meßobjekts durch sie angeregt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Präparationsimpulse oder die weiteren Präparationsimpulse die Kernspins in allen Teilen des Meßobjekts mit Ausnahme derjenigen in einer Scheibe senkrecht zur Richtung des jeweils anliegenden Präparationsgradienten gesättigt oder um 90° aus ihrer Gleichgewichtsorientierung gedreht werden.

6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Präparationsimpulse die Kernspins in einer oder mehreren Scheiben senkrecht zur Richtung des jeweils anliegenden Präparationsgradienten gesättigt oder um 90° aus ihrer Gleichgewichtsorientierung gedreht werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Anlegen der Präparationsimpulse alle Kernspins des Meßobjekts durch einen 180°-Hochfrequenzmagnetfeldimpuls angeregt werden, der dem Ausleseimpuls um eine Zeitdauer T₁×ln 2 vorangeht, wobei T₁ die Spin-Gitterrelaxationszeit der angeregten Kernspins bedeutet.

8. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, mit einer Einrichtung zum Anlegen des homogenen statischen Magnetfeldes an das Meßobjekt entlang einer vorgegebenen Richtung, mit zumindest zwei Sätzen von Gradientenspulen zum Anlegen von Magnetfeldgradienten an das homogene Magnetfeld, wobei die Magnetfeldgradienten zueinander senkrecht verlaufen, mit einem HF-Generator zum Erzeugen der Hochfrequenzmagnetfeldimpulse und einer Sende- bzw. Meßspule zum Anlegen der Hochfrequenzmagnetfeldimpulse an das Meßobjekt und zum Auslesen der freien Induktionsabklingsignale, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinheit (C; 15) zum gleichzeitigen Eregen des HF-Generators und jeweils eines der Sätze von Gradientenspulen (G _x, G _y, G _z) vorhanden ist und daß die Steuereinheit (C; 15) dabei einen Schalter (FF 1; S 1) ansteuert, der die Ströme von einem Satz Gradientenspulen auf einen anderen schaltet, und daß der HF-Generator so ausgebidlet ist, daß er der Sende- bzw. Meßspule (S) Hochfrequenzmagnetfeldimpulse mit ausgewählten Frequenzkomponenten zuführt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der HF-Generator zwei alternative Übertragungs-Kanäle (A, B) aufweist, von denen einer frequenzselektive Impulse geringer Leistung und der andere nicht selektive Nutationsimpulse hoher Leistung erzeugt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der HF-Generator zwei parallele Kanäle (X- und Y-Kanal) mit 90°-Phasenverschiebung und unabhängig geschaltete Dämpfungsglieder (13, 14), jeweils eines in jedem Kanal, aufweist, welche durch die Steuereinheit (15) gesteuert werden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der HF-Generator eine Amplitudenmodulationseinrichtung zur Erzeugung der ausgewählten Frequenzkomponenten aufweist.