DE2755956A1

DE2755956A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung von signalen, die die nukleare magnetresonanz-spindichteverteilung in einer probe wiedergeben

Info

Publication number: DE2755956A1
Application number: DE19772755956
Authority: DE
Inventors: Peter Mansfield
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1976-12-15
Filing date: 1977-12-15
Publication date: 1978-06-22
Also published as: JPS5381288A; NL192222B; US4165479A; GB1596160A; NL192222C; NL7713926A; JPS6042906B2; DE2755956C2

Description

National Research Development Corporation, Kingsgate House 66-74, Victoria Street, London SW1E 6 SL

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Signalen, die die nukleare Magnetresonanz-Spindichteverteilung in einer Probe wiedergeben

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Signalen, die die nukleare Magnetresonanz-Spindichteverteilung in einer Probe wiedergeben, bei dem ein statisches Magnetfeld längs einer der Achsen der Probe, ein Erregerimpuls an die Probe und c.n das Magnetfeld zumindest ein Magnetfeldgradient angelegt werden, der ±λ einer Richtung senkrecht zu oder längs der Achse sich verändeit, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Mit dem Verfahren ist es möglich, die Bildung von zwei- oder dreidimensionalen Bildern der Spindichteverteilung in einem Material^ zu bestimmen, in dem nukleare Spins enthalten sind.

Ein bekanntes Abbildungssystem ermöglicht ein Bild der Spindichte einer Probe von einer Anzahl von Linienelementen, die in gitterähnlicher Anordnung voneinander räumlich getrennt sind und in einer Ebene oder in einem Satz von Ebenen der Proben liegen, durch die selektive Erregung von Bereichen in der Gegenwart eines statischen Magnetfeldes und dem folgenden Zuschalten von zueinander senkrechten Magnetfeldgradienten. Der selektiven Erregung folgt das spätere Auslesen des resultierenden freien Induktionsabfallsignals in der Gegenwart einer Kombination von gleichzeitig angelegten Magnetfeldgradienten, wobei jeder Punkt in den ausgewähl-

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ten Linienelementen einem resultierenden Magnetfeld ausgesetzt ist, dessen Amplitude in bezug auf diesen Punkt eindeutig ist. Auf diese Weise wird eine Bildformation von allen Linienelementen gleichzeitig erhalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben ., die ein räumliches Auflösungsvermögen in einer vorgegebenen Ebene oder in einem Satz von Ebenen in einer Probe oder an einer sonstigen Stelle im gesamten Volumen der Probe besitzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Richtung des einen oder von mehreren der Magnetfeldgradienten wiederholt mit einer Geschwindigkeit umgekehrt wird, die ein zyklisches Anwachsen und Abfallen des freien Induktionsabfallsignals von der Probe zuläßt, und daß das resultierende Induktionsabfallsignal ausgelesen wird.

Die räumliche Trennschärfe wird durch das Aussetzen der Probe einer Kombination von drei Magnetfeldgradienten, die zueinander senkrecht sind, erhalten, wobei zumindest einer dieser Gradienten in bezug auf seine Schwingungsform periodisch umgekehrt wird, so daß das freie Induktionssignal der Kerne abfällt und als Konsequenz der Gradientenumkehr wieder zyklisch anwächst.

Die weitere Ausführung der einzelnen Verfahrensschritte sowie die Ausgestaltung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist aus den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 21 ersichtlich.

Wird ein Bild einer einzelnen Ebene oder eines Satzes von Ebenen gefordert, dann können eine derartige Ebene oder Ebenen durch die voranstehend beschriebenen Verfahrensschritte vorgewählt werden, wobei in diesem Fall einer der Gradienten periodisch in seiner Richtung umgekehrt wird und die Information von der ausgewählten Ebene oder den Ebenen allein erhalten wird.

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Eine anfäng]iche Auswahl von Ebenen ist nicht erforderlich für den Fall, daß das gesamte Volumen einem Anfangsirnpuls von So ausgesetzt wird, der alle Spins zum Schwanken bringt und zwei der Gradienten synchron und periodisch umgekehrt werden, wobei die eine Umkehrgeschwindigkeit ein Vielfaches der anderen ist und der dritte Gradient statisch angelegt wird. Das Ausgangssignal stellt eine Information in bezug auf das gesamte Volumen der Probe dar.

Es ist möglich, die Gradientenumkehrungen durch schnelles Schalten zu erhalten, jedoch ist dies nicht unbedingt erforderlich nid ebenso können Gradienten angelegt werden, die sich sinusförmig verändern.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 - eine schematische Ansicht der Auswahl einer einzelnen Schicht oder Scheibe in einer gestreckten Probe,

Figur 2 - eine Schaltfolge zum Erhalten der Information von der ausgewählten Schicht,

Figuren 3a bis 3c - die erwarteten Fourier-Transformationen für die Ergebnisse der in Figur 1 unter verschiedenen möglichen Bedingungen ausgewählten Schicht, das ist (a) mit G =0 und für ein einzelnes In-

duktionsabfallsignal FID, (b) mit G=O und für

eine Folge von Echos und (c) die Transformationen des gesamten Experiments,

Figur 4 - ein schematisches Diagramm für das gesamte Experiment nach Figur 2, gefolgt durch eine komplementäre Speicheroperation und einschließlich des resultierenden Signals,

Figur 5 - die Schaltfolge zum Erhalten der Information eines Volumens,

Figuren 6a bis 6c - die erwarteten Fourier-Transformationen der Ergebnisse eines zylindrischen Volumens unter

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verschiedenen möglichen Bedingungen, wie (a) mit G = G =0/ (b) mit angelegten Gradienten G und G und G =0 und (c) die Transformation des gesamten Experiments,

Figur 7 - ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Figur 8 - eine Anordnung eines Transmitters und von Empfangsspulen,

Figur 9 - eine Anordnung von drei räumlich voneinander getrennten Empfangsspulen,

Figur 1o - in Perspektive eine Anordnung für den wahlweisen Empfang von einer dünnen Schicht oder Scheibe,

Figur 11 - im Querschnitt eine Anordnung von Spulen zum Erzeugen des Haupt- und der Gradientenmagnetfelder, die die Überprüfung eines lebendigen Objektes ermöglichen,

Figur 12 - ein Detail aer Spulen zur Erzeugung des Magnetfeldgradienten Gf

Figur 13 - eine perspektivische Ansicht einer Spulenanordnung zur Erzeugung von drei zueinander senkrechten Gradienten,

Figuren 14 und 15 - in Draufsicht und in Perspektive eine andere Feldgradienten-Spulenanordnung, die Leitungsströme verwendet,

Figur 16 - eine andere Ausfuhrungsform im Vergleich zu derjenigen in Figur 14,

Figur 17 - Wellenformen, die sinusförmigen Feldänderungen entsprechen, und

Figuren 18 und 19 - in Draufsicht und in Perspektive eine Spulenanordnung zur Erzeugung des Transmitterfeldes.

Für eine einzelne Ebenenabbildung wird zunächst Bezug auf Figur 1 genommen. Die gestreckte Probe ist in einem großen statischen, gleichförmigen Magnetfeld B angeordnet, das die Winkelresonanzfrequenz t£ der Spins durch die Beziehung CO = y B definiert, worin V^* das magnetogyri-

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sehe Verhältnis darstellt. Ein linearer Magnetfeldgradient G. ist gleichfalls angelegt, wobei gilt, daß G = T)B / Dx ist und zur gleichen Zeit werden durch einen darauf abgestimmten 9o Hochfrequenζimpuls alle Spins innerhalb der einzelnen Schicht der Dickend an der Stelle X angeregt, um ein freies Induktionsabfallsignal FID abzugeben. Dieser erste Schritt wird als Phase A bezeichnet. Unmittelbar auf den Errecjerimpuls folgend wird der Gradient G abgeschaltet und das Signal FID in dem eingeschalteten Gradientenfeld G und in einem stabilen Gradientenfeld G beobachtet, die beide :.n Figur 2 angedeutet sind, wobei gilt, daß G = 9B / Oy und G = DB / 3z sind. Dieser zweite Schritt wird als Phase B bezeichnet.

Wird nachfolgend auf den selektiven Erregerimpuls

in Phase A nur der Gradient G in der Phase B für die Zeit

T_b angelegt, so wird ein Abfall des Signals FID bewirkt. Wird diese j einzelne Abfallsignal allein untersucht (G = O) und Fourier transformiert, so ergibt es natürlicherweise das Projektionsprofil der Spinmagnetisierung in der χ -Ebene längs der z-Achse. Durch die Umkehrung der Gradientenrichtung beginnt das abfallende FID-Signal auf ein Spinecho in der Zeit L , zu wachsen, das dann wieder in einem weiteren Zeitschritt T, abfällt. Weitere Gradientenumkehrungen rufen das Signal η-mal zurück, falls 2nT", < T~ ist, wobei T_ gleich die Spin-Spin-Relaxationszeit der betrachteten Probe ist. Die positive Hälfte des resultierenden Abfalls und das Wiederanwachsen des Nuklearsignals in Phase B ist in Figur 2 dargestellt. Der Effekt des Zurückrufens des Signals drückt dem Fourier transformierten Projektionsprofil eine Unstetigkeit auf. Die wachsenden Werte müssen in der Fourier-Transformation neu geordnet v/erden. In jedem Fall erhält die ursprüngliche kontinuierliche Fourier-Transformation ein diskretes Profil mit einem Frequenzabstand, der durch 2 TT / *Z", = Λ0ϊ gegeben ist. Die erwarteten Fourier transformierten Signale des stetigen Profils eines einzelnen FID-Signals und das diskrete Signal von der Echofolge

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sind in den Figuren 3 (a) und (b) gezeigt. Die begrenzte Abtastzeit t, drückt den diskreten Linien eine leichte Verbreiterung auf/ so daß diese eine Breite von ungefähr 2lf/t. erhalten.

Bei einem vollständigen Versuch, dessen Ergebnisse für die Transformation in Figur 3 (c) für eine zylindrische Probe mit gleichförmig verteilten Spins gezeigt ist, wird das Experiment mit dem zusätzlichen Gradienten G durchgeführt, dessen Amplitude so eingestellt wird, daß die Beziehung

^ω_γ>^Ν^ω_ζ (D

Gültigkeit hat, in der Cu die Winkelfrequenz für den

Punkt der endgültigen Frequenzhauptdaten und N die maximale Anzahl der erforderlichen Punkte zum Beschreiben des Objektfeldes längs der z-Achse ist. Mit dieser Bedingung liefert die Fourier-Transformation des FID-Signals einen Satz von .'aufgelösten Querschnittsprofilen der Spinverteilung über die Magnetisierungsscheibe.

Diese können dann in geeigneter Weise in eine rechtecksförmige Anordnung von Datenpunkten in einem Ausgabespeicher angeordnet und dann auf einen Sicht-Rasterschirm ausgegeben werden. Die Signalhöhen werden dazu verwendet, um die Lichtfleckintensität auf einem Schwarz-Weiß-Schirm zu modulieren. Ebenso ist es wahlweise möglich, daß die Daten farbig in Form eines Farbfernsehbildes kodiert werden.

Wie in Figur 2 gezeigt, sind die Ereignisse des Abbildungsprozesses als ein Zyklus dargestellt, der eine Verzögerungszeit T, einschließt. Dies ist eine Ausführungsform des Experiments, bei der es der anfänglich gestörten Magnetisierung aufgrund des selektiven Impulses P ermöglicht wird, zu ihrem Gleichgewichtswert oder zu irgendeinem Zwischenwert zurückzukehren, bevor die Folge fortgesetzt wird.

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Diese Form des Versuchs ist geeignet für Experimente, bei denen die Spin-Gitterrolaxationszeit aufgelöst werden soll. Für eine schnei]era Datenspeicherung, wird die Verzögerung T, entfernt. Werden dann zwei Zyklen miteinander gekoppelt, so ist der zweite komplementär zu dem ersten. Jeder Signalamplitudenverlust in bezug auf die Zeit t, kann im allgemeinen bis zur vollen Signalmagnetisierung wiederhergestellt werden und längs der x-Achse durch Anwendung eines P Impulses und einer Gradientenumkehr von G nach G zurück- ^L x-x

gespeichert werden. Bei diesem Verfahrensschritt wird G in

G_ geändert und G _r bleibt kontinuierlich wie im ersten Zyklus eingeschaltet. Wenn ein signal die Magnetisierung gespeichert hat und eine geeignete Zeit im gespeicherten Zustand ΐ vergangen ist, kann der Prozeß wiederholt werden. Diese Verfahrensweise mit kombinierten Zyklen ist in Figur 4 dargestellt. Das Symbol 0 stellt die Auswahloperationen und das Schalten der Gradienten dar. Das Symbol 0 ist die komplementäre Operation, wie voranstehend beschrieben wurde, die erforderlich ist, um die volle anfängliche Quermagnetisierung und ebenso die Rückspeieherung längs der x-Achse wiederherzustellen.

Es ist unvermeidlich, daß ein gewisser Signalverlust infolge der Spin-Gitterrelaxation und mögliche Defekte in den Operationen 0 und 0 auftreten. Eine Speicherverzögerungszeit T ist daher bei dem Prozeß mit berücksichtigt, um die Gleichgewichtsmagnetisierung zu erreichen. Wenn auch die volle Signalhöhe etwas geringfügig niedriger als der statische Gleichgewichtswert ist, so wird sich nach der Anwendung von einigen Zyklen ein neuer dynamischer Gleichgewichtswert einstellen.

Der Vorteil dieser spezieilen Zyklenform besteht in der Bildinvarianz gegenüber Spin-Gitterrelaxationsprozessen. Eine weitere Ausführungsform des Abbildungszyklus ist in Figur 2 dargestellt und basiert auf der im stabilen Zustand durchgeführten freien Verfahrensmethode SSFP, wie sie

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von II.Y. Carr, Phys Rev 112, 1693 (1958) und W. S. Hinshaw J app Phys 47, 37o9 (1976) beschrieben wurden. In diesem Fall ist T_d = 0 und in jedem Paar von aufeinanderfolgenden Zyklen werden selektive und dazu komplementär selektive Hochfrequenzimpulse verwendet, deren Nutationswinkel im allgemeinen kleiner als 9o sind. Dabei wird wieder nach einigen Zyklen ein quasi Gleichgewichtszustand erreicht, wobei jedoch die maximale Signalhöhe kleiner als im statischen Gleichgewichtszustand ist.

Das voranstehend beschriebene Experiment kann leicht auf einen Satz von Ebenen ausgedehnt werden, indem ein selektiver Bestrahlungsimpuls mit vielen Impulsspitzen für P verwendet wird. Der Gradient G wird eingeschaltet gelassen, so daß die von den verschiedenen Ebenen ankommenden Signale im Frequenzbereich aufgelöst werden können.

Jedoch ist solch ein anfänglicher Auswahlimpuls nicht wichtig. Anstelle einer räumlichen Unterscheidung kann diese zur Gänze mit geeigneten modulierten Magnetfeldgradienten erreicht werden. Dieae Verfahrensweise wird weiterhin als eine dreidimensionale Abbildung bezeichnet.

Bei der dreidimensionalen Abbildung wird ein kurzer 9o Hochfrequenzimpuls, der nicht selektiv ist, an alle Spins in der Probe angelegt, wobei alle drei zueinander orthogonalen Gradienten G , G und G G

x y ζ

in Figur 3 gezeigt ist, moduliert sind.

orthogonalen Gradienten G , G und G eingeschaltet und wie

x y ζ

Ohne G und G ergibt das FID-Signal eine Serie von Echos, die, wenn sie in geeigneter Weise Fourier transformiert sind, eine Reihe von im gleichen Abstand voneinander befindlichen Signalimpulsspitzen liefert, die von den Spins in den Ebenen χ = χ + al stammen, mit a gleich dem Gitterabstand und 1 gleich eine ganze Zahl. Das Frequenzintervall zwischen den Impulsspitzen Δ Ci)^ = A"aG = "JT/*C

Λ Χ el

ist in I'icj'jr 6 (a) gezeigt. Wird nun G eingeschaltet und

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moduliert, so wird jede Spektrallinie in ein diskretes Spektrum aufgespaltet, das bei dem vorliegenden Beispiel dem diskreten Projektionsprofil eines Zylinders entspricht. Jede Linie eines einzelnen Profils, das in Figur 6 (b) gezeigt ist, stammt von den Spins längs der Streifen bzw. Linien Y = y + bm, die in jeder Ebene ein reguläres Gitter bilden. Das Gitter besteht aus M Streifen des Abstandes b. Das Frequenzintervall zwischen benachbarten Linien innerhalb eines Profils ist gegeben durch Δ 6) + ybG = ^/Tj₃*

Wird der dritte Gradient G gleichfalls eingeschaltet, jedoch unmoduliert gelassen, wie dies in Figur 5 dargestellt ist, wird das diskrete Spektrum nach Figur 6 (b) in ein diskretes Profil konstanter Amplitude verbreitert, wie in Figur 6 (c) gezeigt. Jede diskrete Komponente hat eine verschiedene Breite und entspricht den aufeinanderfolgenden Querschnittsansichten der Spindichteverteilung durch jede Magnetisierungsscheibe in aufeinanderfolgenden Schichten. Somit kann bei einem Abfall mit der Fourier Transformation die komplette dreidimensionale Spinverteilung gemessen werden. Wie voranstehend beschrieben wurde, können die Daten jeder Ebene in ein zweidimensionales Bild umgeformt werden, das die Dichteverteilung darstellt.

Es ist selbstverständlich, daß mit jedem zusätzlichen Feldgradienten die Möglichkeit der Überlappung der verschiedenen, verbreiterten Spektren gegeben ist. Daher müssen zum Erzielen einer exakten Auflösung die Gradienten und die Zeitintervalle so gewählt werden, daß

gilt, in der Δ cO = "- / L , N,Mdie größten ganzen Zahlen von m und η sind, die erforderlich sind, um das Abtastfeld abzudecken. Es ist festzustellen, daß dar. digitale Abtastvorfahren £; >-- I : ι ν, L". o.uif: Um; t c i "Li ;ko.L t H...r jeder Linie \>?.w:. ¹ ) ti ic Fj ■<:·< ■ υ?, f

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längs jeden Streifens in einer bestimmten Schicht mit sich bringt. Die Punkte sind mit Zwischenräumen längs einer Linie z=z +nc angeordnet, wobei η eine ganze Zahl und c der Gitterabstand sind, so daß gilt

2iT

«.-If

Das in Figur 5 dargestellte Abbildungsverfahren kann, wie voranstehend beschrieben wurde, zyklisch für die einzelne Ebenenabbildung wiederholt werden. Mit. anderen Worten bedeutet dies, daß die SSFP unter Verwendung von Hochfrequenzerregerimpulsen mit Nutationswinkeln kleiner als 9o und mit alternatierenden Hochfrequenz-Impulsphasen, die um 18o° versetzt sind, adaptiert werden kann. Wahlweise kann ein vollständiger komplementärer Operationszyklus durchgeführt werden, der den beschriebenen Operationen entspricht und in Figur 5 dargestellt ist, so daß die Spinmagnetisierung weitgehend vollständig wiederhergestellt wird und längs der x-Achse zurückgespeichert wird. Dies Kann dadurch erreicht

werden, daß G in einer weiteren Periode t umgekehrt wird, ζ c

während die Modulation der Gradienten G und G fortgesetzt

χ y

wird. Am Ende dieses zweiten vollständig komplementären Zyklus, wird ein komplementärer Hochfrequenzimpuls von 9o°, der um I80 phasenversetzt ist, an alle Spins angelegt, so daß diese längs der x-Achse zurückkehren. Nach einer geeigneten Warteperiode kann der gesamte Prozeß regulär wiederholt werden, wobei sich eine Quasi-Gleichgewichtssignalamplitude einstellt, die weitgehend unabhängig von den beiden Größen T₁ und T₂ ist. Ferner gilt, daß das 2 f_c < T₂ ist.

In den meisten Schaubildern sind scharf abgegrenzte Gradientenzustände dargestellt. Dies gilt für die ideale Ausführung des Verfahrens, jedoch ist es im allgemeinen leichter, die Gradienten langsamer hinzuzuschalten. Es ist im allgemeinen möglich, eine sinusförmige Modulation für einige oder für alle Gradienten zu verwenden, um die ge-

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wünschte Trennung der Spektren in diskrete Komponenten, insbesondere für G und G zu erreichen, wenn T £<. *ζ~. ^c T*_

X y α D C

ist. Die sinusförmige oder präziserweise kosinusförmige Modulation von G und G ist durch punktierte Linien in Figur 5 χ y

dargestellt.

Eine Anzahl von NMR-Abbildungsschemata wurde voranstellend beschrieben, die es erlauben, eine zwei- oder dreidimensionale Spindichteinformation aus den einzelnen Abkling-Bignalen eindeutig herzuleiten. Eine geeignete Feldgradientenmodulation bietet durch Beobachtung des FID-Signals, das der selektiven Bestrahlung folgt, eine Möglichkeit der einzelnen Ebenendarstellung. Im übrigen gilt, wie es voranstehend schon erwähnt wurde, daß die selektiven Impulse vermieden werden, indem eine geeignete Einstellung der Amplituden und der Modulation der Lesegradienten gewählt wird, um die gewünschte dreidimensionale Spindichteinformation aus einem einzelnen FID-Signal zu erhalten, die einem herkömmlichen kurzen 9o° oder im allgemeinen einem Hochfrequenzimpuls von θ° folgt. Da alle Spins ihren Anteil zu den beobachteten Signalen liefern, ist diece Methode der Abbildung schneller als andere ebene Abbildungsmethoden, die nur auf einer selektiven Bestrahlung beruhen. Zusätzlich ergeben sich die technischen Vorteile, daß keine selektiven Impulse verwendet werden. Mit der sinusförmigen Gradientenmodulation, wie es bei der Anwendung des Systems beschrieben wurde, erhält man eine sehr einfache Abbildungemethode. Ebenso lat ·■ möglich, eine quadratische Gradientenmodulation leicht anzuwenden, insbesondere wenn Energie erhaltende Schaltströme verwendet werden. Die Differenzen zwischen dem beschriebenen Konzept und den anderen Gradientenmodulationsabbildungsraethoden liegen in der Wiedererkennung der Auflösungsbeziehungen gemäß Gleichung (1) und Gleichung (2), in denen Feldgradienten von bestimmten Werten während der Signalleseperiode angelegt werden müssen. Ebenso müssen die Modulationsfrequeniperioden T" , 'C und die unmodulierte Gradientenperiode Έ speziell gewählt werden, wenn verfahrensmäßig gearbeitet

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wird. Die Feldgradientenmodulationen sind koherent mit den Experimenten verknüpft, so daß in der Praxis die präzise Phasenabstimmung dieser Modulationen nicht so wichtig ist. Andere Abbildungsmethoden, die eine Gradientenmodulation verwenden, erlauben es nicht, Bilder in einer Ebene oder in mehreren Ebenen zu erzeugen, sondern liefern nur Punkt um Punkt oder Linie um Linie Bilder.

Der Effekt der Gradientenzuschaltung in der Abfolge nach Figur 2 wird am besten verstanden, wenn die Bedingung G_ = 0 untersucht wird. Es wird vorausgesetzt, daß in einem Zeitabschnitt T"! ein stetiger Gradient G bewirkt hat, daß die Amplitude des FID-Signals vollständig bis auf Null abgefallen ist. Wird dieser Abfall für sich allein untersucht Ui?-d Fourier transformiert, so liefert er selbstverständlich das Projektionsprofil der Spinverteilung längs der y-Achse in der Ebene χ . Wird jedoch die Gradientenrichtung umgekehrt, oder ein 18o° Hochfrequenzimpuls angelegt, so kann das abgefallene FID-Signal zu einem Spinecho in einem weiteren Zeitabschnitt TT. anwachsen, um anschließend wieder abzuklingen. Weitere Gradientenumkehrungen können somit das Signal P mehrfach zurückführen, vorausgesetzt, daß t_fa » ^2p*^\j ^ ^T2' ^{wobei T}o ^die Spin-Spin-Relaxationszeit für die Probe ist. Der Rückruf des Signals auf diese Weise und die Abtastung des vollen Spinecho-Impulszuges bewirken eine Unstetigkeit in dem Fourier transformierten Projektionsprofil. Dieser diskrete Frequenzabstand ist gegeben durch ^6) ^β T/Tv.* Die begrenzte Abtastzeit t. ergibt eine leichte Verbreiterung in den diskreten Linien, wodurch diese eine Winkelfreguenzbreite von ungefähr. 2T/t_b erhalten. Eine externe Formung des Spinechoimpulszuges ergibt die Möglichkeit zur weiteren Verbreiterung der diskreten Linien in rechtwinklige oder in andere gewünschte Profile.

Die vollständige zweidimensional Signalabtastung im Versuch wird mit den zusätzlichen konstanten Gradienten 6 durchgeführt, der die einzelnen diskreten Linien verbrei-

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tert, um für einen einzelnen Echoimpulszug zusammen mit der Fourier-Transformation einen vollständigen Satz von aufgelösten Querschnittsprofilen der Spinverteilung über die dünne Schicht in der Probe zu erhalten. Die Profile können dann in geeigneter Vieise in eine rechtecksförmige Anordnung · von Datenpunkten innerhalb eines Rechnerspeichers umgeformt werden und dann auf einen Fernsehsichtschirm in Form eines visuellen Bildes ausgegeben werden.

Eine Ausdehnung dieses Experiments auf drei Dimensionen ergibt den Einschluß einos Auswahlprozesses in mehreren Ebenen durch Modulation der beiden Gradienten G und G ,

χ y

während der Gradient G konstant gehalten wird. In diesem Fall kann der anfängliche selektive Erregerimpuls durch einen herkömmlichen, nicht-selektiven 9o°- oder Ö°-Hochfrequenzimpuls ersetzt werden. Wie in der folgenden Analyse gezeigt wird, bewirkt dei Effekt der Gradientenzuschaltung zusammen mit dem digitalen Abtasten d'ss Signals, daß der an und für sich kontinuierlichen Spindichteverteilung eine diskrete Gitterpunktverteilung mit räumlichen Periodi?itäten a, b und c aufgeprägt wird.

Das FID-Signal in einem sich drehenden Rahmen zur Zeit t, die dem Impuls folgt, ist gegeben durch

S(t) = rp JJJ q (x,y,z)exp t

(xG_x(f) + yG_y(f) + zG_z(f))dt'Jdxdydz (3)

in der p (x,y»z) die kontinuierliche Spindichteverteilung der Probe und ydas magnetogyrische Verhältnis wiedergeben.

Zuerst wird der Effekt de:j zeitabhängigen x-Gradienten allein in Gleichung (3) untersucht und das Integral über χ als eine neue Funktion f(y_rz,t) geschrieben. Wenn ⁰V^) periodisch ist, mit dem Modulo 2 7" , dann ergibt sich

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N Σ. * (YrZf(t-2pT") (4)

Erfolgt die Modulation mit einer Rechteckswelle und wird £f so gewählt/ daß es lange genug ist, daß das FID-Signal bis zu der Amplitude Null abklingt, dann liefert die Gleichung (4) mit G = O = G , integriert über y und ζ einen Spinechoimpulszug. Werden alle drei Gradienten mit jeweils einer entsprechenden Rechtecksmodulation versehen, so kann die Dichte γ (χ,γ,ζ) als eine Funktion der Winkelfrequenz P i Ci_xI COy.ι W-) geschrieben werden. Für große N wird die Fourier-Transformation von f(y,z,t) zu

OO

(5) mit der Dirac-Deltafunktion ΰ*(63 - 1ΔΟ> ).

Eine ähnliche Transformation mit Bezug auf das Integral über y führt eine zweite Deltafunktion zT(& m46> ) ein. In beiden Deltafunktionen sind 1 und m ganze Zahlen und die Winkelfrequenzintervalle zwischen den Punkten sind gegeben durch

Die inverse Fourier-Transformation von Gleichung (5), wenn in die Gleichung (3) zurück eingesetzt, ergibt zusammen mit der korrespondierenden Substitution für den y-Integrand end gültig

^s(t> -/ί5-)^Α^β<Σ#«>?ί£(1,η)] coeS*(l,m)t (7)

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Nation.!.I κ< search Dc. ν. I:e—tr 8976

mit d(.jj- V.^;j nkolf requonz Ot? (!,in), die gegeben ist durch

£ (l,m) 1 m

JJine digitale Abtastung von S(t) für eine Zeit ⁽i führt eine Uristetigkeit längs der ζ-Achse ein. Die Punkte beJ inden sich in einem räumlichen Abstand voneinander ζ ^:r ν + nc, mit η gleich einer ganzen Zahl, was einem Win];e.1 froijnonzintcrvall-iiiO - 2 1Γ / T"_ = )T cG entspricht. Wird dj.'~s in Gleichung (7) eingeführt, so kann diese als diskrote ijunuue

(t) =2.$λ ^cos t/l^W + πιΔΌ + τιΔω}Δ\Κ (9)

•^c— > lmn ^L χ y ζ "¹^ lmn * '

λ ^cos t/l^W + πιΔΌ + τιΔω}Δ\Κ

lmn ^L χ y ζ "¹^ lmn

geschrieben werden, in der Δ i^ = abc das Einheitszellvolu men darstellt, eieren Spins einen Anteil zu dem Signal in jedem Gittorpunkt liefern. Wenn die Modulationsperioden und somit dio Gradienten so gewählt werden, daß

gilt, mit M und N als den größten Werten für m und η im Abbildungsfeld, so sind in Gleichung (9) alle Punkte in der Verteilung p im Frequenzbereich eindeutig definiert. Die Fourier-Transformation von S(t) in Gleichung (9) liefert daher eine Berechnung der kompletten dreidimensionalen Spindichteverteilungsfunktion γ ₁ . Dies kann als eine Fourier-Transformationsschachtelung bezeichnet werden und ergibt tatsächlich eine Umwandlung einer drei- oder zweidimensionalen Transformation in eine eindimensionale Form.

Werden die Bedingungen für die Gradientenamplitude und die Periodizität eingehalten, so ist von Gleichung (3) leicht ersichtlich, daß die Rechteckswelle der Feldgradicntenniodulationen durch Kosinuswellenformen mit guter Annäherung ersetzt werden können. Für optimales Arbeiten bei diesem Vorfahren müssen die Gradientenmodulationen phasenkoherer.t sein.

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Sollen die erzielbaren Zeitgewinne bei der ebenen Abbildung v/irksam v/erden, so muß ein kompletter Signalabtastzyklus häufig wiederholt werden, so daß die Datenaufnahme sich einem kontinuierlichen Prozeß zum Zwecke der Vergrößerung des Sigiial/Rauschverhältnisses annähert. Die koherente Natur des beschriebenen Verfahrens macht dieses für die Einbeziehung von komplementären Speicherzyklen längs der Linien der gesteuerten Gleichgcwichts-Fourier-Transf ormationstech·- nik (DEFT) für die Signalmittlung oder für die SSFP-Technik geeignet, wobei beide Methoden die Signalbeobachtung im wesentlichen unabhängig von Spingitter-Relaxationseffekten machen, falls dies erwünscht ist.

Eine Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung ist in Figur 7 gezeigt. Die Vorrichtung besteht aus einem rechnergesteuerten Impulsspektrometer, das beispielsweise mit einer Frequenz von 1 bis 15 MHz arbeitet. Die Regelung wird über eine Eingang/Ausgang-Vielfachleitung eines Rechners 15 und eine weitere Leitung über einen Speicher oder ein A-Register 11 gesteuert. Zusätzlich zu der üblichen Eingang/Ausgang-Möglichkeit für den Rechner ermöglicht es ein ein- und zweidimensionaler Sichtschirm I2, Abschnitte des Speicherkerns abzufragen.

Das Spektrometer weist zwei voneinander unabhängige Hochfrequenzkanäle auf, einen Niederleistungs- und einen Hochleistungskanal, die beide von einem gemeinsamen Frequenzsynthesizer 13 mit einem Frequenzbereich von 1 bis 15 MHz angetrieben werden.

Die Signale niederer Leistung laufen durch einen eingeschalteten 18o° Phasenmodulator 14, ein digitales Dämpfungsglied 16 und ein festes Dämpfungsglied 17 zu einem Breitband 1o Watt-Steuerverstärker 18. Das digitale Dämpfungsglied 16 kann jede geeignete Zahl von Pegeln aufweisen und kann auch ein analoges Dämpfungsglied mit einer digitalen Regelung sein. Der Ausgang des 1o Watt-Verstärkers 18

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wird zuletzt in einem 2 KW Linearverstärker 19 verstärkt. Das Dämpfung.sgl.iod 17 ist so eingestellt, daß die Hochfrequenz amplitude den gesamten linearen Bereich des Leistungsverstärkers 19 abdeckt.

Im zweiten, dem Hochleistungskanal, laufen die Signale niederen Pegels durch einen variablen Phasenschieber 2o und eine Torschaltung 21, die durch einen Impulsgenerator 22 geöffnet ist. Signale von der Torschaltung v/erden dann bis zu 2 KW in einem Verstärker 23 verstärkt.

Die beiden Kanäle werden in einem Konibinator 2 5 zusammengefaßt und der Ubertragungsspule der Probe zugeführt. Ein Dämpfungsglied 24 wird für die Steuerung des endgültigen Leistungspegels in dem Kanal für die niedere Leistung verwendet.

Wie in Figur 7 gezeigt ist, werden der 18o '-Phasenmoduliito:: 14, der Impulsgenerator 22 und das digitale Dämpfungsglied 16 durch Bit-Muster gesteuert, die in dem A-Register 11 des Rechners erzeugt werden.

Nuklearsignale von einer Probe 2 6 werden über einen Vorverstärker 27 mit niedrigem Rauschpegel einem Empfänger 28 zugeführt, in welchem sie phasenempfindlich in bezug auf ein Referenzeingangssignal untersucht werden, das von dem Frequenzsynthesizor geliefert wird. Sowohl die in Phase-Signale als auch die quadratischen Signale können abgetastet werden. Die Empfängerreferenzphase kann unter Steuerung des Rechners versetzt werden, indem das Referenzsignal durch einen digitalgesteuerten Phasenschieber 29 hindurchläuft. Dies wird vorgenommen, um die Signalphasenänderungen, die in der Echosequenz auftreten können, zu korrigieren. Mit anderen Worten, die Hochfrequenzphase von jedem Echo kann innerhalb einer 2T,-Periode, wie Figur 2 zeigt, korrigiert werden. Der entsprechende Phasenwinkelfehler wird in binärer Form dem Phasenschieber fliegend zugeführt. Eine

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alternative und langsamere Prozedur besteht darin, das Fourier transformierte Signalprofil in bezug ciuf die Phase int Frequenzbereich durch eine Fouricr-Drehung umzuwandeln. Dies ist wichtig für eine Software-Prozedur, während die obige erste Methode eine Hardware-Prozedur deirstellt und daher wesentlich schneller ist. Die erfaßten Signale werden dann in eine digitale Form in einem Analog-Digital-Umwandler (ADC) 3o umgewandelt und in geeignete Positionen im Rcohnerkern eingespeist, um eine Signalmittelung und Weiterverarbeitung vorzunehmen.

Die Probe 26 besteht aus einer Kreuzspul^nanordnung, wie sie in Figur 8 gezeigt ist. Die große sattelförmige Ubertreigerspule erzeugt ein gleichförmiges Hochfrequenzfeld über den größten Teil der darin enthaltenen Probe. Bei einer gestreckten Probe, wie sie dargestellt ist, gibt es Bereiche der Probe, die nicht das volle Hochfroquenzmagnetield empfangen. Werden die empfangenen Signale jedoch noch einer zweiten sattelförmigen Spule zugeführt, die senkrecht 7u der Ubertragungsspule angeordnet ist und nahezu flach ist, so nimmt diese Spule räumlich lokale Signale innerhalb eines Bereichs - d oberhalb und unterhalb der Spulenebene auf, wenn d gleich die Dicke der Empfangsspule ist. Diese Uereiche empfangen somit den vollen Hochfrequenzpegel von dem Ubertragungsimpuls. Es ist selbstverständlich, daß die Dicke der Empfangsspule so ausgedehnt werden kann, daß das gewünschte Volumen der gesamten Volumenabbildung eingeschlossen wird. Ein weiterer Vorteil der Kreuzspulenanordnung ist der Empfängerschutz. Die Empfangsspule kann gekühlt werden, um das Signal/Rauschverhältnis zu verbessern.

Wenn verschiedene Ebenen der Spins ausgewählt werden und durch einen selektiven Bestrahlmgsiinpuls erregt werden, dann ist es möglich, die Signale jeder Ebene zu unterscheiden, indem der Gradient G eingeschaltet bleibt und während der Auswahlphase nicht moduliert wird. Jedoch kann es vorkommen, daß die begrenzte Dicke der Schichten zu

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Schwierigkeiten führt, wenn G angelegt ist. Wird G während der Auswahloperation abgeschaltet, so gibt es keine Frequenztrennung in der Richtung x. Unabhängig davon gibt es jedoch eine räumliche Auflösung. Wird angenommen, daß die ausgewählten Ebenen der gestörten Spinmagnetisierung in geeigneter Form räumlich getrennt sind, so ist es möglich, einen korrespondierenden Satz von Empfangsspulen zu positionieren, die mit diesen Ebenen fluchten und im einzelnen auf die Signale der ausgewählten Ebenen ansprechen. Eine derartige Anordnung ist in Figur 9 gezeigt, in der drei getrennte Empfangsspulen räumlich voneinander getrennt in Richtung χ vorgesehen sind. Für diese besondere Empfangsgeometrie muß B in einer Ebene parallel zu den Ebenen der Empfangsspulen liegen. Selbstverständlich gilt, wenn G abgeschaltet ist, daß alle Ebenen mit der gleichen Larmor-Frequenz sich in Resonanz befinden. Wenn die Spulen, wie gezeigt, getrennt sind und mit eigenen gebrennten Empfängern und Mischern verbunden sind, können die effektiven Mittenfrequenzen jeder Spinebene willkürlich versetzt werden, was eine Frequenzauflösung oder eine Diskriminierung der Fourier transformierten Daten erlaubt.

Mit dieser Anordnung ist es empfehlenswert, nicht mehr als drei Schichten gleichzeitig zu verwenden. Der Erfolg dieser Anordnung hängt von dem Isolationsgrad zwischen den benachbarten Spulen ab. Die aktivierte Probe innerhalb einer Spule sollte kein signifikantes Signal in benachbarten Spulen erzeugen. Um dies zu erreichen, ist es empfehlenswert, einen Zwischenspulenabstand einzuhalten, der ungefähr gleich dem Spulenradius ist.

Eine Erweiterung dieses Gedankens besteht in der Verwendung eines lokalisierten Signalempfangs mittels eines Flußführungs- bzw. Flußleitempfängers. Dadurch kann der Sicfnalempfang auf eine dünne Schicht von beispielsweise 2 cm Dicke lokalisiert werden. Der Vorteil ist der, daß nicht-selektive 9o°-Impulse verwendet werden können, um die Spins in

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einer dicken Schicht zu erregen, der Empfang jedoch auf eine dünne Schicht beschränkt ist. Bei dieser Art von Empfang wird ein geschlitzter leitender Metallblock aus vorgefertigtem Blech, dessen Dicke wesentlich größer als die Hochfrequenzeindringungstiefe ist, in rohrähnlicher Anordnung ausgebildet, um den Magnetfluß so weiterzuleiten, daß dieser durch eine angrenzende, abgestimmte Empfangsspule hindurchgeht. Es werden nur Signale, die innerhalb der Fläche der Flußführungseingangsöffnung entstehen, eingefangen, um einen Anteil zu dem beobachteten Signal zu leisten. Der Eintr.lttsquerschnitt kann beispielsweise als ein rechteckförmiger Schlitz ausgebildet sein, um den Empfang zu lokalisieren. Signale, die von außerhalb der Eintrittsfläche stammen, können mit ihrem Fluß nicht durch die Empfangsspule hindurchtreten, da das Signal die metallischen Wände des Hohlraums nicht durchdringen kann.

Ein Flußführungsempfänger für die Verwendung gemäß dieser Erfindung ist in Perspektive in Figur 1o dargestellt. Ein Patient 4o liegt horizontal auf einer nicht dargestellten Fläche und Emprängerendstücke 41 und 42 sind oberhalb und unterhalb des Patienten angeordnet. Die Endstücke sind aus vorgefertigtem Blech ausgebildet und besitzen enge Schlitze an ihren Spitzen, die sich quer über die volle Breite des Körpers des Patienten erstrecken und Spalte von ungefähr 2 cm Breite definieren. Die Endstücke erstrecken sich durch rohrähnliche Führungen 43 und 44, die gekröpft sind, um Platz für den Patientenkörper zu schaffen und die durch ein UberbrÜckungsteil 45 verbunden sind, das sich vertikal zwischen den Führungen erstreckt. Das UberbrÜckungsteil 45 weist einen Hohlraum auf, der eine Empfangsspule 47 aufnimmt und einen Längsspalt besitzt. Die Richtung des Hauptfeldes, das durch den Pfeil B angezeigt ist, verläuft in Längsrichtung des Patienten, während das Ubertragerfeld senkrecht zu dieser Richtung angeordnet ist und durch den Pfeil B₁ angezeigt wird.

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Wie in Figur 11 im Querschnitt gezeigt ist, wird das statische MagneLfeld B durch einen Elektromagneten aufgebaut, der aus einem Satz von Spulen 1o1 besteht, die ungefähr in Gestalt einer Kugel angeordnet sind. Es ist die Stellung eines Patienten 1o2 beispielsweise für eine Ganzkörperabbildung gezeigt. Der Patient ist innerhalb eines Paars von Wickelschablonen 1o3 und 1o4 angeordnet, auf denen die übertragungs- und die Empfangsspulen getrennt gewickelt sind. Der Stützaufbau ist nicht ferritisch und so offen wie nur möglich, um Wirbelstromprobleme zu vermeiden mit den pulsierenden oder erregten Gradientenspulen. Eine alternative Anordnung des Patienten besteht darin, daß er um 9o senkrecht gedreht ist und die statische Feldrichtung längs der x-Achse wie zuvor ist. In diesem Fall ist eine gerade Anzahl von Spulenabschnitten 1o1 erforderlich, die die zentrale Ebene für den Patienten freilassen. Es ist selbstverständlich, daß der innere Magnetdurchmesser groß genug ist, daß der Patient im Inneren sich aufsetzen oder innerhalb des gesamten Magnetvolumens knien kann.

Der Magnetfeldgradient G wird durch ein umgekehrtes Paar von Helmholtz-Spulen 1o5 erzeugt, die sich außerhalb der Wickelschablonen befinden, die die Hochfrequenzübertragungsund Empfangsspulen aufnehmen. In einer Anordnung werden die Magnetfeldgradienten G und G durch eine Spulenanordnung erzeugt, die in Figur 12 angedeutet ist und nur eine Anordnung für G allein darstellt. Acht Leitungen, die alle den gleichen Strom I aufnehmen, sind mit Zwischenräumen auf einer Wickelschablone angeordnet. Die Stromrückleitungen nehmen die gezeigte D-Gestalt ein. Ein ähnlicher Spulenaufbau und Spulenanordnung, um 9o° gedreht, ist für den Magnetfeldgradienten G vorgesehen. Es kann unter bestimmten Umständen möglich sein _h auch nur vier Stromleitungen zu verwenden. Wahlweise kann auch die Anzahl der D-förmigen Einheiten erhöht werden, um eine stärkere Annäherung an eine Stromhüll fläche zu erreichen.

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Die gesamte Anordnung kann in einem My -Metall-Zylinder oder in einer rechteckförmigen Schachtel 1o6 zur Abschirmung von äußeren Magnetfeldern und Änderungen im statischen Feld infolge von äußeren Bewegungen metallischer Objekte eingebracht werden. Jedoch ist eine Abschirmung nicht in allen Fällen notwendig. Die Auslegung der Spulen für das statische Hauptfeld v/ird in bezug auf die Homogenität optimalisiert, wobei die Grenzbedingungen durch die Abschirmung bestimmt sind. Figur 13 zeigt eine Anordnung der G -Gradientenspulen 1o5_f der G - und G„-Gradientenspulen

JT

1o7 und 1o8_f der Übertragungsspule und der Wickelschablone Io3 innerhalb der Hauptspulen. Der Patient wird durch die Wickelschablone 1o3 wie in Figur 11 eingeschoben. Die senkrechte Empfangsspule und die Wickelschablone 1o4 und die Übrigen G - und G -Gradienten&pulen sind in Figur 13 aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht gezeigt.

Eine andere Anordnung vor Leitern für die Erzeugung der magnetischen Gradienten G oder G ist in den Figu-

y *

ren 14 und 15 gezeigt. Die dargestellte Anordnung erzeugt den G -Gradienten und eine ähnliche Anordnung zu der gezeigten, jedoch rechtwinklig dazu liegend, ist für den G -Gradienten vorgesehen, während der G -Gradient durch eine umge-

Ji

kehrte Helmholtz-Spulenanordnung, die nicht dargestellt ist, jedoch ähnlich zu derjenigen in den Figuren 11 und 13 ist, erzeugt wird. Die Anordnung zur Erzeugung des G -Gradienten umfaßt einen Satz von stromführenden Leitungen 11o, die zueinander parallel sind und in bezug auf die Wickelschablone 1o3 in der gezeigten Weise angeordnet sind. Es können verschiedene Ströme in allen Leitungen fließen, wo jedoch zwei oder mehrere der Leitungen von dem gleichen Strom durchflossen werden, können diese parallel über eine gemeinsame Stromquelle verbunden werden. Wenn zwei der Leitungen von gleich großen und entgegengesetzten Strömen durchflossen werden, dann können sie zu einer geschlossenen Schleife verbunden werden, um eine Spule zu bilden.

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Die Bauweise der Gradientenspulen nach den Figuren 14 und 15 stützt sich auf die Berechnungen für eine unendlich lange Leiteranordnung und in diesem Fall wurden die optimalen Winkel für die größte Gleichförmigkeit des Gradienten zwischen der x-Achse und der Leitung, die den Mittelpunkt des Aufbaus mit den verschiedenen Leitungen verbindet, zu 22,5 oder 67,5 berechnet. Für endlich lange Leiter, wie sie in praktisch verwirklichten Vorrichtungen vorliegen, können die tatsächlichen Winkel von den oben angeführten Werten etwa um 1 abweichen und werden im allgemeinen empirisch bestimmt. Die vier Drähte 11o, die die Gradienten erzeugen, besitzen Stromrichtungen, die in Figur 14 durch Kreuze angezeigt sind und schließen Winkel Θ1 = 67,5° mit der x-Achse ein. Die vier Rückleitungen 111, die den Strom in die entgegengesetzte Richtung leiten, sind durch Punkte innerhalb von Kreisen angedeutet, und bilden Winkel Θ2 = 22,5 mit der x-Achse.

Eine alternative Anordnung zu derjenigen, die in den Figuren 14 und 15 gezeigt ist, ist in Figur 16 dargestellt, bei der sämtliche Leitungen, sowohl die Hin- als auch die Rückleitungen längs Geraden angeordnet sind, die einen Winkel Θ1 = 67,5° mit der x-Achse einschließen.

Zwar sind die Werte der Winkel Θ1 oder Θ2 wichtig, jedoch sind die radialen Abstände r/ der Hinleitungen und r~ der Rückleitungen mehr oder minder willkürlich festgelegt. Der Gradient im Mittelpunkt solch eines Satzes von unendlich langen Leitern ist gegeben durch

2 /tt- I /cos Θ1 cos Θ2 G

in der I der Strom und al die Permeabilität des freien Raumes sind. Der obigen Beziehung ist zu entnehmen, daß für die größten Gradienten r_ gegen unendlich geht. In der Praxis muß ein Komproniß gemacht werden, und der Wert von r_ = 3r../2 kann verwendet werden, der G auf 5/9 des Wertes für ein un-

endliches r_ reduziert.

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Das Schal Lon der Gradientenspulen wird durch den Rechner über die Steuer- und Formungsmöglichkeit gemäß Figur 7 geregelt. Für einen wirkungsvollen Ablauf des Experiments sollen die Modulationsperieden der Gradienten G und G durch die voranstehend gegebene ganzzahlige Beziehung miteinander verknüpft sein. Dies bedeutet zum Beispiel, daß in der dreidimensionalen Gradientenmodulationsabbildungsmethode für jeweils 64 Perioden 2T"1 von G der Gradient G einmal eine Periode ^2<Ttj durchschalten muß. In ähnlicher Weise müssen 64 Perioden von G gleich der Zeit *7~_ sein. Die Steuereinheit kann daher geeignete programmierbare Zähler enthalten, um diese obigen ganzzahligen Beziehungen sicherzustellen. Wahlweise können auch sämtliche Zählungen innerhalb des Rechners ausgeführt werden. Falls der Schaltbetrieb nicht erforderlich ist, können die Rechtecksmodulationen in eine Kosinus- oder eine sonstige gewünschte Wellenform umgewandelt werden. Dies kann entweder durch Analogeinrichtungen oder durch digitale Synthese geschehen. Die Formgebung kann bei einem niederen Spannungspegel durchgeführt werden, und jedes geformte Gradientensignal wird dann durch lineare Gleichstromverstärker geführt, um die Gradientenströme zu erzeugen. Die Verstärker müssen sowohl für negative als auch positive Stromausgänge geeignet sein, das heißt sie müssen bipolar sein.

Der ungefähre Abstand der G -Spulen in Figur 13 wurde durch Tanner in der Zeitschrift Rev. Sei. Instr. 36, Seiten 1o86-7 (1o65) beschrieben. Für endliche Bündel von Drähten ist es am besten, die Gradientengleichförmigkeit numerisch zu optimisieren. Die Spulenabstände für die Gradienten G und G für vier Stromleitungen, die ähnlich wie in den Figuren 14, 15 und 16 angeordnet sind, wurden schon diskutiert, jedoch sollten für Rückleitungen in der Form von ¹D¹, wie dies unter Bezugnahme auf Figur 11 beschrieben wurde, die Spulenabstände numerisch optimisiert werden, um die bestmögliche Linearität der Gradienten zu erhalten. Für mehr als vier Stromleitungen, das ist für eine StromhUllen-

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aiinäherung, ist es am besten, die. numerische Optimalisierung unter Verwendung des Biot-Savart Gesetzes vorzunehmen.

Eines der Probleme, die bei jeder der voranstehend beschriebenen Anordnungen berücksichtigt werden müssen, ist das elektrische Problem des Ein- oder Ausechaltens von großen Strömen in den Feldgradientenspulen. Hinzu kommt noch, daß bei kosinusförmig modulierten Strömen, wie in Figur 5, sich ein zusätzliches Problem des Hochfrequenzpulsierens in denjenigen Anordnungen ergibt, die nicht-selektive 9o Hochfrequenzimpulse verwenden. Entweder muß der Hochfrequenzimpuls eine sehr hohe Leistung besitzen (B₁ > > χ G ,

l max χ

y G ,z G) oder es muß ein Impuls niedriger Leistung an max ν max χ

die Probe angelegt werden, bevor die Gradienten eingeschaltet werden, üblicherweise kann dies in den Anordnungen, die selektive Impulse verwenden, nicht gemacht werden. Es gibt aber Vorteile, die für die Entwicklung von Abbildungsanordnungen sprechen, die nicht mit selektiven Erregerimpulsen arbeiten. Diese Anordnungen sind im aJlgemeinen schneller, die Zeitersparnis ergibt sich durch die Differenz i.n den Bestrahlungsimpulslängen.

In einer der zuvor beschriebenen Anordnungen, in der eine planare Auswahl mit einem Flußführungsempfänger durchgeführt wird, und ebenso in der multiplanaren Anordnung, kann ein nicht-selektiver 9o -Impuls verwendet werden. Jedoch ergibt sich dabei, wie in Figur 5 dargestellt und voranstehend diskutiert wurde, daß der Gradient ohne Hochfrequenzimpulse sehr hoher Leistung rasch auf die anfängliche Kosinusspitze gebracht werden muß und dies ist ebenso schwierig zu erreichen wie das Anschalten einer Rechteckswellenmodulation. Natürlich ist es für eine Kosinusmodulation nur notwendig, ein schnelles Einschalten zu erreichen, während für die Rechteckswellenmodulation das schnelle Einschalten wiederholt muß und falls irgendwelche Eigenfehler durch jeden Schaltvorgang eingeführt werden, sich diese fortpflanzen. Dies tritt nicht bei einer Kosinusmodulation auf.

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Um gerade diesen Anfangsschritt zu vermeiden, kann eine modifizierte Anordnung verwendet werden, in der eine Sinusmodulation der Gradienten zusammen mit einem nicht-selektiven 9o°-Impuls verwendet wird, wenn der modulierte Gradient gleich Null ist. Die Anordnung der Gradienten und des Hochfrequenzimpulses für ein einzelnes Ebenenabbildungsschema ist in Figur 17 gezeigt. Der sinusförmig modulierte G -Gradient ist kontinuierlich eingeschaltet und daher treten keine Schaltprobleme auf. Dies gilt auch für den kleineren, unmoduliertei«, verbreiterten Gradienten G .

Das einem kurzen 9o -Impuls folgende Nuklearsignal wird zeitmäßig moduliert, so daß seine Fourier-Transformierte nicht das übliche Projektionsprofil der Probe liefert, wie dies bei einem statischen Gradienten erhalten wird. Wegen der Zeitabhängigkeit, die durch die Sinusmodulation von G eingeführt wird, ist es notwendig, eine nichtlineare oder Bessel-Transformation durchzuführen, um das FID-Signal in 3eziehung zu dem gewünschten Profil zu bringen. Wiederholtes Wiederrufen von Spinechos und die komplette Abtastung des Spinechozuges ergeben, bei einer Bessel-Transformation ein diskretes Profil ebenso wie im Fall von geschalteten Gradienten. Der wichtige Punkt hierbei ist, daß falls die Form der Gradientenmodulation bekannt ist, die bevorzugt eine analytische Form sein soll, die notwendige Transformation immer durchgeführt werden kann, um das Profil wieder zu erstellen. Stetige Gradienten sind ein Spezialfall.

Das gerade beschriebene Schema kann bei einer einzelnen ebenen oder einer dreidimensionalen Darstellung angewandt werden, ohne auf einen Flußführungsempfang oder auf einen dritten modulierten Gradienten aufzubauen, um eine einzelne Ebene oder einen Satz von Ebenen längs der x-Achse zu definieren. Ebenso kann jede andere Variante angewandt werden, die mit nicht-selektiven Impulsen und einer Gradientenmodulation, wie voranstehend beschrieben 1st, arbei-

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tet, um ein dickes Querschnittsbild zu erzeugen. Die Dicke wird bestimmt durch die räumliche Ansprechfunktion der Empfangsspule. Ein Satz von solchen Bildern wird erzeugt, indem die Probe schrittweise durch die Empfangsspule längs der x-Achse vorwärts bewegt wird. Werden entsprechende Punkte von jedem aufeinanderfolgenden Bild, das heißt mit den gleichen y-, z-Koordinaten aufgenommen, so kann längs der x-Achse eine /Abwicklung gebildet werden, indem die räumliche Ansprechfunktion der Empfangsspule verwendet wird. Dieser Prozeß liefert eine tatsächliche dünne Schichtverteilung in jeder Ebene x. Die Dichte kann durch Wiederaufwickeln mit einer räumlichen Rechtecksfunktion längs der x-Achse verdickt werden, was einen Kompromiß zwischen einer räumlichen Auflösung längs χ und einem Signal/Rausch-Verhältnis zuläßt.

Das gleiche Prinzip, das für die Auslegung der Gradientenspulen angewandt wird, kann ebenso für die Auslegung einer Hochfrequenz-Ubertragungsspule verwendet werden. Hierbei ist ein gleichmäßiges Magnetfeld über das größtmögliche Volumen gefordert. Dies kann durch vier unendlich lange Leiter 12o geschaffen werden, die so angeordnet sind, wie dies in der Draufsicht nach Figur 18 und in einer perspektivischen Ansicht nach Figur 19 gezeigt ist. Die Leiter bzw. Drähte 12o sind derart angeordnet, daß sie ein Magnetfeld B₁ in Richtung des Pfeils bilden und der Winkel θ zwischen einer Linie, die die Drähte mit dem Mittelpunkt der Anordnung verbindet und der z-Achse für optimale Gleichförmigkeit des B.-Feldes entweder 3o oder 6o beträgt. Um die Homogenität des Ubertragungsfeldes zu erhalten, sollten die Rückleitungen für den Strom die gleichen Winkel, wie sie gezeigt sind, bilden. In der Praxis sind bei endlichen Leiterlängen die Hin- und Rückleitungen üblicherweise als geschlossene Rechteckschleifen ausgebildet, wie dies in Figur 19 gezeigt ist.

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Le e rs ei te

Claims

Patentanwalt·

Dr-!ng. Wilhelm Reichel

WpHcg. WoiigoBg Bsichei ^Re~^{zr 8976}

6 Frankiuri a. M. 1

PcukeiiaBe 13 2755956

National Research Development Corporation, Kingsgate House 66-74, Victoria Street, London SW1E 6 SL

Patentan Sprüche

ν 1.)Verfahren zur Bestimmung von Signalen, die die nukleare Macjnetresonanz-Spindichteverteilung in einer Probe wiedergeben, bei dem ein statisches Magnetfeld längs einer der Achsen der Probe, ein Erregerimpuls an die Probe und an das Magnetfeld zumindest ein Magnetfeldqradient angelegt werden, der in einer Richtung senkrecht zu oder längs der Achse sich verändert,

dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des einen oder vor. mehreren der Magnetfeldgradienten wiederholt mit einer Geschwindigkeit umgekehrt wird, die ein zyklisches Anwachsen und Abfallen des freien Induktionsabfallsignals (FID) von der Probe zuläßt, und daß das resultierende Induktionsabfallsignal ausgelesen wird.
2. verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit dem Erregerimpuls ein Magnetfeldgradient XG ) längs der einen Achse angelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerimpuls ein selektiver Erregerimpuls ist und daß zumindest einer der Magnetfeldgradienten (G oder G ),

y ^z

der in einer Richtung senkrecht zu dem ersten Magnetfeldgraaient sich ändert, auf den selektiven Erregerimpuls folgend angewandt wird.

ORIGINAL INSPECTED 80982S/0891,

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4. Verfahren nach Anspruch 3, 2755956 dadurch gekennzeichnet, daß der selektive Erregerimpuls so bestimmt wird, daß zusammen mit dem ersten Magnetfeldgradienten eine Scheibe der Probe in einer senkrechten Ebene zu der einen Achse ausgewählt wird, und daß der erste Magnetfeldgradient (G ) mit Beendigung des Impulses entfernt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der selektive Erregerimpuls in Kombination mit dem ersten Magnetfeldgradient (G ) einen Satz von Scheiben der Probe in einer Ebene senkrecht zu der einen Achse ausgewählt wird, und daß der Magnetfeldgradient während der folgenden Schritte aufrechterhalten wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Magnetfeldgradienten (G- G) sich in den entsprechenden Richtungen senkrecht zu dem ersten Magnetfeldgradienten ändern und gleichzeitig angelegt werden, und daß einer der beiden Magnetfeldgradienten wiederholt umgekehrt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenfolge der Schritte mit einem Erregerimpuls der entgegengesetzten Phase wiederholt wird, und daß die Richtungen des ersten und der beiden anderen Magnetfeldgradienten umgekehrt v/erden (Figur 4) .
8. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerimpuls ein nichtselektiver Impuls ist, daß eine Kombination von drei Magnetfeldgradienten (G , G , G )

X V Z

in den entsprechenden Richtungen längs und senkrecht zu der einen Achse angelegt wird, und daß die Richtungen zweier

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Magnetfeldgradienten (G - G) wiederholt vungekehrt werden (Figur ί>) .
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die wiederholte Umkehr der Richtungen zweier Magnetfeldgradienten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten erfolgt.
10. Verfahren nach jedera der voranstehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei den aufeinanderfolgenden Umkehrungen eines Magnetfeldgradienten die Perioden (2Χ_& oder2TjJ doppelt so groß wie die Periode (T oder T^) sind, die der Magnetfeldgradient zu Beginn aufweist.
11. Verfahren nach jedem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die wiederholte Umkehr der Richtungen der Magnetfeldgradienten in einer kosinusförmigen Weir.e fortschreitet.
12. Verfahren nach jedem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die wiederholte Umkehr der Richtungen der Magnetfeldgradienten in einer sinusförmigen Weise fortschreitet.
13. Vorrichtung zur Bestimmung von Signalen, die die nukleare Magnetresonanz-Spindichteverteilung in einer Probe wiedergeben, mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines statischen Magnetfeldes längs einer der Achsen der Probe, einer Einrichtung zum Anlegen eines Erregerimpulses an die Probe und einer Einrichtung zum Anlegen von Magnetfeldgradienten an das Magnetfeld, die sich in Richtungen längs und orthogonal zu der einen Achse ändern,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum wiederholten Umkehren der Richtung von zumindest einem der Magnetfeldgradienten und eine Einrichtung zum Auslesen des resultierenden freien Induktionsabfallsignals (PID) vorgesehen sind (Figur 7).

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14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Auslesen des Induktionsabfallsignals (FID) eine Anzahl von Empfängerspulen enthält, von denen jede für bestimmte Schichten der Probe selektiv ist und die voneinander in Richtung der einen Achse in Abständen angeordnet sind (Figur 9).
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Auslesen des resultierenden Indukticnsabfallsignals (FID) einen Flußleitempfänger enthält, der auf den Fluß eines Probenabschnitts, der in einer Ebene senkrecht zu'der einen Achse liegt, anspricht (Figur lo).
16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen eines statischen Magnetfeldes einen Satz Spulen umfaßt, die zusammen sich der Form einer Kugel annähern.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen eines Magnetfeldgradienten an das Magnetfeld, der sich längs der einen Achse ändert, ein Paar von Spulen (1o5) enthält, die als ein umgekehrtes Helmholtz-Paar geschaltet und innerhalb der Kugel angeordnet sind.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet-, daß die Einrichtung zum Anlegen eines Magnetfeldgradienten an das Magnetfeld, der sich in einer Richtung senkrecht zu der einen Achse ändert, zv/ei Reihen von parallelen Leitern aufweist, die sich unter rechten Winkeln zu der senkrechten Richtung erstrecken und die in Richtung der einen Achse voneinander im Abstand angeordnet sind und von denen alle den Strom in die gleiche Richtung weiterleiten (Figur 12).

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19. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17/
dadurch gekennzeichnet,

daß die Einrichtung zum Anlegen eines Magnetfeldgradienten an das Magnetfeld, der sich in einer Richtung senkrecht zu der einen Achse ändert, vier Paare von parallelen Hin- und Rückleitungen umfaßt, die symmetrisch um einen gemeinsamen Punkt auf der einen Achse angeordnet sind und sich in einer Richtung unter rechten Winkeln zu der senkrechten Richtung erstrecken, daß Leitungen, die die Hinleitungen mit diesem Punkt verbinden, alle den gleichen Winkel mit der Achse
einschließen und daß Leitungen, die die Rückleitungen mit
dem Punkt verbinden, alle gleichgroße Winkel mit der Achse aufweisen.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,

daß die beiden Sätze von jeweils gleichen Winkeln zueinander komplementär sind (Figuren 14 und 15).

"1. Vorrichtung nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Winkel des einen Satzes gleich den Winkeln des anderen Satzes sind.

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