DE2921252A1

DE2921252A1 - Kernmagnetische resonanz-vorrichtung zur untersuchung einer scheibe eines koerpers

Info

Publication number: DE2921252A1
Application number: DE19792921252
Authority: DE
Inventors: Hugh Clow; Peter Ernest Walters
Original assignee: EMI Ltd
Current assignee: Philips Design Ltd
Priority date: 1978-05-25
Filing date: 1979-05-25
Publication date: 1979-12-13
Also published as: US4315216A; DE2921252C2; JPS6363225B2; GB1584949A; JPS54156596A

Description

Kernmagnetische Resonanz-Vorrichtung zur Untersuchung einer Scheibe eines Körpers

Die Erfindung befaßt sich mit Vorrichtungen zum Erzeugen von Bildern der Verteilung einer Größe in einem gewählten Bereich eines Körpers mittels gyromagnetischer Resonanz, insbesondere mittels kernmagnetischer Resonanz. Solche Methoden können zur Untersuchung von Körpern unterschiedlicher Art angewandt werden. Eine besonders nützliche Anwendung ist jedoch bei der Untersuchung von Patienten für medizinische Zwecke gegeben.

Die kernmagnetische Resonanz ist bekannt bei der Analyse von Materialien, insbesondere mittels der Spektroskopie. Es ist in letzter Zeit auch vorgeschlagen worden, die Methode für medizinische Untersuchungen vorzusehen, um die Verteilung des Wassergehalts oder der Relaxationszeitkonstanten in Querschnittsscheiben oder Volumen von Patienten zu ermitteln. Trotz der unterschiedlichen Bedeutung sind solche Verteilungen ähnlich den Verteilungen der Röntgenstrahldämpfung, die man bei der Computer-Tomographie erhält.

Die kernmagnetischen Resonanzsysteme (auch NMR-Systeme = Nuclear Magnetic Resonance System genannt) arbeiten praktisch derart, daß man den zu untersuchenden Körper mittels Spulenanordnungen geeigneten Kombinationen magnetischer Felder unterwirft und die in einer oder mehreren Detektor-Spulenanordnungen induzierten Ströme feststellt. Eine geeignete Folge pulsierender Magnetfelder sowie eine passende Vorrichtung zu ihrer Verarbeitung sind bereits entworfen und Gegenstand von auf die englischen Patentanmeldungen

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Nr. 22291/78 und 22295/78 zurückgehenden amerikanischen Patentanmeldungen .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Anordnungen zu verbessern.

Die Erfindung betrifft eine kernmagnetische Resonanz (NMR)-Vorrichtung zur untersuchung einer Scheibe eines Körpers und ist gekennzeichnet durch Mittel zum Anlegen von Magnetfeldern, um eine Resonanz vorzugsweise in der Scheibe zu bewirken; Mittel zum Anlegen eines impulsform!gen Magnetfeldes, welches einen Gradienten quer über die Scheibe besitzt, um eine Phasenverteilung innerhalb der Resonanz zu erzeugen, wobei die Mittel einen Impuls bewirken, der nicht rechteckig ist, und Mittel zum Abfragen eines Resonanzsignals, das während des impulsförmigen Feldes induziert wird, wobei Steuermittel vorgesehen sind, um die Mittel zum Abfragen zu veranlassen, das induzierte Signal in Intervallen derart abzutasten, daß das Feldintegral für das impulsf örmige Feld zwischen jedem aufeinanderfolgenden Paar von Abtastungen im wesentlichen gleich ist.

Gemäß einem anderen Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren zur Untersuchung einer Scheibe eines Körpers mittels kernmagnetischer Resonanz vor, und dieses Verfahren ist durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:

Es werden Magnetfelder angelegt, um eine Resonanz vorzugsweise in der Scheibe zu induzieren,

es werden Magnetfelder angelegt, die ein impulsförmiges Feld umfassen, das einen Gradienten quer über die

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Scheibe in einer Richtung besitzt/ um eine Phasenverteilung der Resonanz und ein Abtasten eines Resonanzsignals in der Scheibe zu verursachen, wobei das Resonanzsignal für einen nicht rechteckförmigen Gradientenfeldimpuls derart in Intervallen abgetastet wird/ daß das Feldintegral für den impulsförmigen Gradienten in jedem der Intervalle im wesentlichen das gleiche ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Form des G^-Gradientenfeldes,

ti

Fig. 2 die Beziehung des G_D-Gradienten-

IV

feldes zu anderen Feldern, Fig. 3a eine bevorzugte Feldimpulsfolge,

Fig. 3b die Wirkungen dieser Impulse gemäß

Fig. 3a auf die Protonenspinvektoren,

Fig. 4a, 4b und 4c in drei Ansichten die EL^ G und

ZO , X

G — Feldspulen einer praktischen NMR-Vorrichtung,

109850/OSeO

Fig. 5 die H₁-Feldspulen dieser Vorrich

tung,

Fig. 6 die G -Gradientenfeldspulen dieser

Vorrichtung,

Fig. 7 ein Blockschaltbild der vollstän

digen NMR-Vorrichtung,

Fig. 8 eine Abtastung von Feldabfrage

sonden für die NMR-Vorrichtung,

Fig. 9a und 9b die Perioden der erfindungsgemäßen

Stichprobenentnahme für zwei praktische Gradienten-Impulsformen,

Fig. 10 eine Signalregenerierungsschaltung

und

Fig. 11 eine Abänderung eines Teils der

Schaltung gemäß Fig. 10.

Für die Untersuchung einer Probe eines biologischen Gewebes betrifft die kernmagnetische Resonanz in erster Linie Protonen (Wasserstoffkern) der Wassermoleküle in dem Gewebe. Es können prinzipiell aber auch andere Kerne analysiert werden, z.B. die Kerne von Deuterium, Tritium, Fluor oder Phosphor.

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Jeder Kern besitzt ein Kernmagnetmoment und einen Drehimpuls (Spin) um die magnetische Achse. Wenn dann ein gleichförmiges Magnetfeld an die Probe angelegt wird, richten sich die Kerne selbst mit dem Magnetfeld aus, wobei viele von ihnen parallel dazu verlaufen und einige nicht parallel, so daß der resultierende Spinvektor parallel zur Feldachse ist. Für diese Untersuchungsverfahren ist das gleichförmige Feld mit einer Achse des Systems ausgefluchtet, die als z-Achse gekennzeichnet ist. Das Feld ist somit als H bezeichnet, da alle mit der z-Achse ausgefluchteten Felder als H gekennzeichnet sind.

Der Kern besitzt eine charakteristische Frequenz (als "Larmor Frequenz" bekannt), die durch den örtlichen Wert des gleichförmigen Magnetfeldes, d.h. durch H , bestimmt ist. Das

ZO

Anwenden eines zusätzlichen Feldes H-,, welches ein Hochfrequenzfeld (HF) der Larmor-Frequenz ist, in einer Ebene senkrecht zu H , bewirkt eine Resonanz auf dieser Frequenz, so daß Energie

in der Probe absorbiert wird. Die resultierenden Spinvektoren des Kernes in der Probe drehen dann von der Magnetfeldachse (z-Achse) zu der hierzu senkrechten Ebene (x, y). Das HF-Feld wird üblicherweise als ein Impuls zugeführt und wenn das Integral Je*dt für diesen Impuls ausreichend ist, den resultierenden Spinvektor um 90° in die x, y-Ebene zu drehen, wird der Impuls als 90°-Impuls bezeichnet.

Nach dem Wegfall des H₁-Feldes stellen sich die gleichgewichtigen Ausfluchtungen mit einer Zeitkonstanten T.. , der Spingitterrelaxationszeit, von selbst wieder her. Zusätzlich wird ein Teil der absorbierten Energie als ein Signal wieder abgestrahlt, welches auf der resonanten Frequenz mit geeigneten Spulen angezeigt werden kann. Dieses freie Resonanzsignal klingt

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mit einer Zeitkonstanten T₂ ab und die abgestrahlte Energie ist ein Maß (für Protonen) des Wassergehalts der Probe.

Soweit beschrieben, bezieht sich das Resonanzsignal auf die gesamte Probe. Wenn individuelle Resonanzsignale für Elementarproben in einer Scheibe oder einem Volumen eines Patienten bestimmt werden können, dann kann eine Verteilung der Protonendichte - tatsächlich die Verteilung des Wassergehaltes - für jene Scheibe oder jenes Volumen bestimmt werden. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, eine Verteilung von T₁ oder T„ zu bestimmen.

Allgemein sind die Grundlagen der Analyse der Protonen durch kernmagnetische Resonanz in einer Scheibe eines Körpers ausführlich erörtert. Die bekannten Verfahren sind von P.ManöXield in "Contemp. Phys."17 (6) 1976, 553-576 besprochen worden. Deshalb wird das Verfahren nur soweit im Detail erörtert, wie dies zum Verständnis der verbesserten Vorrichtung gemäß der Erfindung notwendig ist.

Bei der beschriebenen Ausführungsform wird insbesondere eine Querschnittsscheibe des Patienten untersucht, obwohl auch die Untersuchung eines größeren Volumens zumindest durch die Untersuchung einer Mehrzahl benachbarter Scheiben oder durch besondere Volumenabtastung möglich ist.

Der erste Schritt besteht darin, soweit wie möglich sicherzustellen, daß Resonanz (bei der gewählten Frequenz) nur in der gewählten Scheibe auftritt. Da die Resonanzfrequenz (die Larmor-Frequenz) in Beziehung mit dem Wert des gleichförmigen Magnetfeldes steht, wird die Scheibenauswahl durch Hinzufügen eines Gradientenfeldes zu H erreicht, so daß das örtliche Feld

ZO

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von unterschiedlicher Größe in unterschiedlichen Scheiben des Patienten ist. Das stetige gleichmäßige H -Feld wird wie zuvor zugeführt, üblicherweise longitudinal zum Patienten. Das zusätzliche Gradientenfeld G wird ebenfalls zugeführt (G₇= ^ZL) .

Z ' Oz

Wenn dann das impulsförmige H₁-FeId mit der passenden Frequenz angelegt wird, tritt nur in derjenigen Scheibe Resonanz auf, in welcher die durch H _ und den örtlichen Wert von G„ festgelegte Resonanzfrequenz gleich der Frequenz für H- ist. Wenn der H₁-ImPuIs ein 90°-Impuls ist, bringt er die Spinvektoren in die nur für die resonante Scheibe wesentliche x, y-Ebene. Da der Wert des Feldes nur während des H₁-ImPUlSeS bedeutsam ist, ist es nur notwendig, daß G angelegt wird, wenn H₁ angelegt ist, und in der Praxis ist auch G impulsförmig. Die H₁- und G_z-

2 I

Felder sind deshalb dann abgesetzt. Es ist allerdings noch möglich, die resonanten Frequenzen der Spinvektoren zu ändern, die jetzt in der x, y-Ebene liegen. Dies wird durch Zuführung eines

Ntt

weiteren Gradientenfeldes G_R (^gr⁼^d) erreicht, welches parallel zu H _ ist. Die Intensität von G-. jedoch variiert von einem

ZO i\

Maximum an einer Außenseite der Scheibe durch Null im Zentrum zu einem Maximum in umgekehrter Richtung auf der gegenüberliegenden Außenseite. Das G_D-Feld ist in Fig. 1 dargestellt, wobei die

Ja.

Pfeile nur Werte auf Punkten eines Rechtecks 1 angeben. Natürlich wird eine gleichförmige Variation durch die und zwischen den dargestellten Größen vorhanden sein. Die Felder sind auch in Fig. 2 schematisch in dem seitlichen Aufriß in Beziehung zu einem Patienten 2 dargestellt. Entsprechend werden die resonanten Frequenzen von einer zur anderen Seite quer über die Scheibe gleichförmig variieren.

Wie zuvor erwähnt, weist das Signal, das jetzt auftritt, die Resonanzfrequenz auf. Folglich besitzen die von der Scheibe empfangenen Signale auch Frequenzen, die in der gleichen Weise

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quer zur Scheibe variieren. Die Amplitude bei jeder Frequenz repräsentiert dann inter alia die Protonendichte in einem entsprechenden Streifen parallel zur Null-Ebene von G_R. Die Amplitude für jeden Streifen kann durch Veränderung der Anzeigefrequenz über den Bereich, der quer zur Scheibe auftritt, erhalten werden. Vorzugsweise wird jedoch das gesamte Signal bei allen Frequenzen < messen. Dieses wird dann in bekannter Weise einer Fourier-Anal}se unterzogen, um ein Frequenzspektrum zu erhalten. Die zu jedem Streifen passende Frequenz ist durch die benutzten Feldwerte bekannt, und die Amplitude für jede Frequenz ist durch das Spektrum gegeben.

Wie schon hinsichtlich des in Fig. 1 dargestellten Gradientenfeldes G_R erörtert, entsprechen die einzelnen Signale, die von dem Frequenzspektrum für Frequenzzunahmen abgeleitet sind, zusätzlichen Streifen parallel zur Nullebene von G_n. Diese Signale sind ihrem Wesen nach den Eckwerten ähnlich, die bei Röntgenstrahlen in der Computer-Tomographie abgeleitet und analysiert werden. Die Eckwerte werden für Gruppen einer Mehrzahl verschiedener Orientierungen in einer untersuchten Scheibe erhalten und dann mittels eines geeigneten Verfahrens verarbeitet, sowie in der Patentanmeldung P 19 41 433 oder in der Weiterentwicklung gemäß der Patentanmeldung P 24 20 500 beschrieben.

Es ist augenscheinlich, daß durch Veränderung der Orientation der Nullebene von G_, relativ zur x, y-Ebene weitere Gruppen von Signalen erhalten werden können, die Protonendichten längs Linien weiterer Gruppen paralleler Linien entsprechender weiterer Richtungen in der untersuchten Scheibe darstellen. Das Verfahren wird deshalb wiederholt, bis ausreichend Gruppen von "Eckwerten" zur Verarbeitung durch solche Verfahren, die für Gruppen von Röntgenstrahlen gebräuchlich sind, abgeleitet worden

ÖÖ98SÖ/Q66G

sind. In der Praxis ist das G_n-FeId durch die Kombination zweier Gradientenfelder G und G vorgesehen, welche beide parallel zu H verlaufen, aber Gradienten in orthogonalen Richtungen haben. Die Richtung des Gradienten des resultierenden G -Feldes ist

deshalb durch die relativen Größen von G und G gegeben. In der nachfolgenden Beschreibung wird öfter auf die Bildung der G-

Feldimpulse Bezug genommen, und es soll daran erinnert werden, daß dabei auf die Resultierenden von G und G -Feldimpulsen Bezug genommen ist, auch wo die G - und G -Gradientenfelder nicht einzeln erörtert sind.

Die vollständige Untersuchung für eine Richtung des G -Gradienten wird dadurch erreicht, daß über geeignete Spulen

die Folge der in Fig. 3a gezeigten Impulse angewendet wird. Fig. 3b zeigt die Wirkung, die jeder Impuls auf den Spinvektor ausübt. Es kann festgestellt werden, daß das H₁-FeId ein Drehfeld um die z-Achse ist. Entsprechend präzidieren die Spinvektoren danach um die z-Achse. Zur deutlichen Erklärung sind die Spinvektoren in Fig. 3b in einem Koordinatensystem gezeigt, welches mit H₁ rotiert.

Betrachtet man Fig. 3a und Fig. 3b zusammen, so umfaßt der Impulszyklus sechs Phasen AB bis FG und eine Rückgewinnungs periode, die durch die gebrochene Linie dargestellt ist. Das H

Feld ist während des Zyklusses ununterbrochen vorhanden.

Vor dem ersten Impuls oder, wenn ein früherer Zyklus ausgeführt worden ist, nach der Rückgewinnungsperiode, sind die mittleren Spinmomente im wesentlichen mit der z-Achse ausgefluchtet (A) .

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Die gleichzeitig zugeführten Gradientenfelder des H Impulses und die H^-Impulse (AB) wählen je die Scheibe aus von bringen die resultierenden Spinmomente in die x, y-Ebene (natürlich noch um die z-Achse präzidierend). Obwohl die Resonanzfrequenz durch die ausgewählte Scheibe hindurch die gleiche ist, ist eine Phasenverteilung vorhanden, die infolge der Erregung eingeführt wird, welche in einem Feldgradienten erfolgt. Somit sind die Spinmomente bei B gezeigt, obwohl sie zwischen viel größeren Grenzen verteilt sind als dies zufriedenstellend dargestellt werden kann. Die durch L angezeigten Grenzen geben lediglich die Beschaffenheit der Verteilung an. Es wurde gefunden, daß diese Phasenverteilung umgekehrt werden kann durch Anwendung eines negativen Feldgradientenimpulses, das ist ein Impuls mit der richtigen relativen Größe wie G₂, aber um 180° versetzt [In der Praxis beträgt die Größe um 57% von G). Dieser Impuls BC wird deshalb angewandt, um die Spinmomente in der x, y-Ebene in Phase wie bei C zu bringen. Das H₁-FeId braucht sich nicht in den negativen Gradientenimpuls (G* ) fortzusetzen, aber es kann sich, wenn erforderlich, während jenes Impulses fortsetzen, um sicherzustellen, daß die Spinmomente in die x,y-Ebene gehen.

Zu dieser Zeit könnte ein Signal abgefragt werden, um eine Protonendichte für die ganze Scheibe zu geben. Jedoch ist das Signal in dieser Reihenfolge in Gegenwart eines G -Impulses

κ.

CD abgefragt/ welcher - wie vorher beschrieben - eine Frequenzverteilung in einer gewählten Richtung (r) in der Scheibe ergibt. Der Wechsel zu den neuen Frequenzen erfolgt fast augenblicklich mit dem Anlegen des G -Impulses und wird während des Impulses beibehalten. Wie angegeben, wird das Signal abgefragt und die Frequenz analysiert, um Protonendichten einer Mehrzahl benachbarter paralleler Streifen der Scheibe zu erhalten. Nach dem G_-

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Impuls haben die Spinmomente, welche trotz gewisser Entspannung (Relaxation) noch groß in der χ, y_-Ebene sind, eine beträchtliche Phasenverteilung, wie bei D gezeigt ist (die Darstellung ist nur erläuternd, da die aktuelle Verteilung ηTfRadianten beträgt, wobei η = 100 oder mehr ist). Wenn in diesem Stadium ein weiterer Zyklus - wie soweit beschrieben - erforderlich ist, würde es notwendig sein, die Spingitterrelaxationszeit zum Nachrichten bzw. Wiederausrichten der Spinmomente mit der z-Achse abzuwarten. Dies könnte soviel wie 5 Sekunden in Anspruch nehmen, was zu lange dauert, wenn mehrere hundert oder vielleicht mehrere tausend Zyklen erforderlich sind.

Es wird vorgeschlagen, die Spinmomente durch Wiederholen der Impulsfolge bis zu D in umgekehrter Reihenfolge und umgekehrtem Richtungssinn in ihre Ausgangslage (A) zurückzubringen. Da der -G_R-Impuls mit Ausnahme seiner Richtung im wesentlichen dem G -Impuls gleicht, können während des Impulses weitere Sig-

nale angezeigt werden. Dies kann für die gleiche r-Richtung geschehen, wie für den vorherigen Impuls und trägt dazu bei, das Signalrauschverhältnis (Rauschabstand) zu verbessern.

Nach der umgekehrten Impulsfolge zeigen die Spinmomente als Folge der durch die Spin- Spin-Kopplung verursachten Phasenverteilung noch eine geringe Abweichung von der z-Achse. Dies kann nicht durch diese Impulsfolge und auch nicht durch irgendeine andere umgekehrt werden. Die Periode GA erlaubt deshalb eine gewisse Relaxation zum Wärmegleichgewicht (Zeitkonstante T.), welches die Wirkung der Phasenverteilung eliminiert und auch die Wirkungen jeglicher Fehlanpassung zwischen den vorderen und umgekehrten Impulsen reduziert. Obwohl noch die Relaxationsperiode GA erforderlich ist, hat die Anwendung der umgekehrten Impulsfolge D bis G diese Periode stark reduziert und erlaubt eine

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schnellere Wiederholung der gesamten Folge für andere r-Richtungen. Die Länge der Signalmeßperiode CE ist durch die Phasenverteilung, die durch die H -Feldinhomogenität verursacht wird,

ZO

und auch durch die Verteilung bestimmt, welche durch die Spin-Spin-Kopplung verursacht ist. Wenn die Wirkung der H -Feld-

ZO

inhomogenität als übermäßiges Verkürzen der Periode CE angesehen wird, kann der 7 uls FG eher ein 180° HF-Impuls als ein 90°- Impuls sein. DIt rehung des Spinmoments um 180° erzeugt ein sogenanntes "Spin-, cho" bekannter Form und der G -Impuls,

Iv

der gleich CD und DE ist, kann wiederholt werden, um eine weitere Signalmeßperiode zu erhalten. Das Spin-Echo-Verfahren ist bekannt, um die von der Feldinhomogenität herrührende Streuung umzukehren, und es kann hier einige Male wiederholt werden, bis man ausreichend Signale erhalten hat oder bis die Spin-Spin-Verteilung, welche nicht umgekehrt werden kann, übermäßig wird. Wie in der Folge gemäß Fig. 3a, sollte eine Spin-Echofolge mit den Impulsen EF, FG und der Rückgewinnungsperiode GA enden.

Das Verhältnis der Periode GA zur Periode AG sollte vorzugsweise ungefähr gleich dem Verhältnis von T₁ zu T für maximale Empfindlichkeit sein. In charakteristischer Weise beträgt die genannte Periode AGA 40 ms, AG ist angenähert 5,5 ms AB ist 300μ3εσ und CD ist 2ms. Der H₁-Impuls ist typisch mit 0,6 Oe (Oerstedt) und hat eine Frequenz von 4,26 MHz für ein H von 1000 Oe. Alle anderen Impulse besitzen umgebende Frequenzen? für G sind + 30 Oe bis - 30 Oe typisch. G₁, beträgt

f Z .Κ

15 Oe bis - 15 Oe.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist G¹ kleiner als Gz; charakteristisch ist die Gleichung

JV₂ dt = 0,55 fG_z dt bis 0,6 Jg_z dt

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Fig. 4a und 4b zeigen in zwei Seitenansichten jeweils eine praktikable Spulenanordnung, um das H -Feld vorzusehen.

ZO

Fig. 4a zeigt auch die Spulen zur Erzeugung der G_D-Feldimpulse

JK

und, um die Abmessungen näherungsweise darzustellen, den Patienten 2 im Querschnitt. Der Patient 2 ist in den rohrförmigen Spulenkörper der G -Spulen 3 und 4 eingeführt und wird dort von einer Liege oder von anderen Tragmitteln getragen. Solche Tragmittel können leicht in irgendeiner passenden Form vorgesehen werden.

Die Spulen 3, 4 bestehen aus zwei Sätzen axial versetzter Spulen )bei jeder Satz zwei Paare von Sattelspulen umfaßt und das _tr 3 sich in einem Winkel von 90° zu dem Paar befindet. Diese . nalen sind selbst in die zentrale Öffnung in den H -Spulen 5 eingeführt, welche in vier in Serie geschalte-

ZO

te Teile gewickelt sind, um eine angenähert kreisförmige Konfiguration zu schaffen, welche bekanntermaßen zur Erzeugung eines gleichförmigen Feldes erwünscht ist.

Fig. 4c zeigt die Spulen 3,4 in einer teilweise aufgeschnittenen perspektivischen Ansicht in näheren Einzelheiten.

Wie zuvor erwähnt, sind die G -Feldimpulse die Resultierende der G - und G -Komponenten. Die G -Komponenten werden durch vier Spulen 3 und die G -Komponenten durch vier Spulen 4 erzeugt.

Die H..-Spulen sind in Fig. 5 perspektivisch dargestellt. Es handelt sich um zwei Sattelspulen 6, die parallel betrieben werden, um das Drehfeld H- zu erzeugen und die in dieser Ausführungsform auch benutzt werden, um Signale anzuzeigen, welche ungefähr von der gleichen Frequenz sind. Es versteht sich, daß

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es unter gewissen Umständen besser sein kann, die Spulen zu verdoppeln, um den separaten Anzeigespulen insbesondere eine bessere Anpassung zum Anzeigen zu geben.

Fig. 6 zeigt ebenfalls in perspektivischer Ansicht die beiden kreisförmigen Spulen 7, die die G -Feldkomponente für den H überlagerten Gradienten erzeugen.

Weitere Einzelheiten der Spulenwicklungen werden nicht erläutert, da geeignete Spulen leicht entworfen werden können, um die erforderlichen Felder zu erzeugen»

Fig. 7 zeigt in vereinfachter Form eine NMR-Vorricht'uig, die für medizinische Untersuchungen geeignet ist und welche die anhand von Fig. 3a erläuterte Impulsfolge verwendet.

Die Spulen 3, 4, 5, 6_r 7_r die in Fig. 7 nur schematisch gezeigt sind, sind zuvor in Fig. 4 bis 6 dargestellt worden. Sie werden jeweils durch G -_rG -, HF (Κ~\-_Λ G- und H .-Treiber-

X y J Z ZCJ

verstärker 8, 9, 10, 11 und T2 gespeist, die jeweils durch G (G₀)-, H₁-, G-_r und H -Steuerschaltungen 13, 14, 15, 16 ge-

is. IZ ZO

steuert werden. Diese Schaltungen können in an sich bekannter Weise aufgebaut sein, wie dies bei Experimenten mit NMR-Geräten und anderen Geräten üblich ist, die mit Spulen induzierte Magnetfelder benutzen. Die Schaltungen werden durch eine Steuerschaltung 17 angesteuert, um die beschriebene Impulsfolge oder eine geeignete andere zu erzielen»

Das während des G^-Impulses abgefragte Signal wird in den H -Spulen 6 angezeigt und durch einen HF-Verstärker 18 verstärkt, bevor es einer Signalbearbeitungsschaltung 19 zugeführt

wird. Die Signalbearbeitungsschaltung 19 kann geeignete Eichungen vornehmen, führt aber im wesentlichen eine Signalanzeige bzw. Signalerkennung aus und überträgt die angezeigten Signale zu Verarbeitungsschaltungen, um die erforderliche Darstellung vorzusehen. Die Verarbeitungsschaltungen führen eine Fourier-Transformation durch, um Signale für Linien in dem untersuchten Teil des Körpers zu schaffen und verarbeiten diese Liniensignale beispielsweise wie in der Patentanmeldung P 24 20 500 beschrieben {mit entsprechender Änderung für NMR und nicht für Röntgenstrahl-Signale).

Die Verarbeitung kann in einem geeignet programmierten digitalen Computer durchgeführt werden und dieser kann auch die Impulsfolge steuern und die Schaltung 17 bilden. Das so erhaltene Bild ist auf einem Bildschirm 20 sichtbar, der ein Fernsehmonitor sein kann und welcher Eingänge und andere Peripherien 21 zur Versorgung der Anlage mit Befehlen und Anweisungen, oder andere Formen von Ausgängen umfaßt.

Die Anlage kann auch eine Feldmessungs- und Fehlerschaltung 22 enthalten, die Signale über Verstärker 23 von dargestellten Feldsonden X-, X₂, Y,, Y₂, NuM empfängt. Die Position der Sonden in Relation zur untersuchten Scheibe des Körpers 2 ist auch in Fig. 8 dargestellt.

Solche Sonden, von denen X₁, X₂, Y₁ und Y₂ YIG (Yttrium-Eisen-Granat) abgestimmte Oszillatorsonden und N und M einfache NMR-Sonden sind, sind in NMR-Anlagen für verschiedene Zwecke vorgesehen.

Die soweit beschriebene NMR-Vorrichtung kann mit durchschnittlichem Können aufgebaut werden, um die erforderlichen

Daten für eine Scheibe des Körpers eines Patienten zu erzeugen. Für hinreichend genaue Resultate, die eine diagnostisch brauchbare Information geben, ist es jedoch erwünscht und in einigen Fällen auch wichtig, daß Faktoren, insbesondere die Magnetfelder, genau beibehalten werden. Beispielsweise ist es erwünscht, daß das H_ZQ-Feld über die untersuchte Scheibeetwa um 0,0005% genau gleichförmig ist. Diese Gleichförmigkeit kann durch die Qualität der verwendeten Spulen und benachbarten ferromagnetischen Materialien beeinflußt werden, welche deshalb auf ein Minimum gehalten werden sollten.

Auch für die G -Gradientenfelder wird eine große Präzision gefordert, welche, wie zuvor erläutert, durch die G (=G_R sin Θ) und Gy (=G_R cos Θ)-Impulse gebildet sind. Der G^-Gradientenvektor soll mit dem geringmöglichsten Fehler in der gewünschten Richtung liegen. Weiterhin soll der -G_R-Impuls den vorangehenden G_n-Impuls im entgegengesetzten Sinn Wiedergeben. Anordnungen zur Erzeugung von G_R-Impulsen geeigneter Form und der geforderten Genauigkeit sind in der der englischen Patentanmeldung Nr. 22295/78 entsprechenden amerikanischen Patentanmeldung beschrieben und umfassen eine Verwendung für die erwähnten YIG-Sonden und -schaltungen. Es ist dort vorgeschlagen, ein fortlaufend arbeitendes Steuersystem vorzusehen, das auf innerhalb der Spulenanordnung befindliche feldempfindliche Sonden anspricht, um auf Änderungen in dem gemessenen Feld zu reagieren. Es ist zu sehen, daß die G_n und -G -Impulse in Fig. 3a flach abgekappt sind. Dies gilt auch für die G_R-Rechteckimpulse, die zuvor für NMR vorgeschlagen worden sind. Das Resonanzsignal wird während des G_R-Impulses üblicherweise für eine anschließende digitale Verarbeitung abgetastet. Entsprechend der bestehenden Abtasttheorie soll das Signal in regelmäßigen Zeitintervallen abgetastet und digitalisiert werden.

*09860/0'6βΟ

Wie erörtert, bewirkt das G_n-FeId eine Phasenverteilung in der

XV

R-Richtung und das abgetastete Signal wird nach Fourier transformiert. Somit bestimmt die Abtastrate die Phasenverschiebung zwischen benachbarten Streifen senkrecht zur R-Richtung in der untersuchten Scheibe und daher die maximale Frequenz im schließlich erhaltenen Bild (d.h. die Bildbreite). Die gesamte Abtastzeit bestimmt die Auflösungsgrenze.

Für die zuvor benutzten Rechteckimpulse gibt die in gleichförmigen Perioden erfolgende Abtastung eine zufriedenstellende gleichförmige Auflösung. Für die nicht-rechteckigen, flach abgekappten Impulse in Fig. 3a würde die gleichförmige Abtastung jedoch am Anfang und am Ende nicht befriedigend sein. Für andere Impulse, die nicht einmal glatt abgekappt sind, wie für Sinuswellen oder in der Praxis auftretende verzerrte Sinuswellen, ist der gleichförmige Zeitabstand sogar weniger geeignet.

Die Erfindung befaßt sich nicht mit der Erzeugung der G_R-Impulse, die irgendeine passende Anordnung haben. Sie betrifft jedoch die befriedigende Abtastung von Signalen, die bei NMR-Vorrichtungen vorgesehen sind, welche G_-Impulse benutzen, die nicht rechteckig sind.

Die Probe isi eine Funktion von J H dt (für G_R) für eine Reihe von Grenzen P., welche die Abtastpunkte definieren. Wenn G_n keine Rechteckwellenform hat, ergibt sich bei regel-

XV

mäßiger Signalabtastung das Problem der Korrektur der gerade für G_n benutzten Form. Dies erscheint freilich unmöglich. Allerdings kann die Benutzung einer Gradientenwellenform, die nicht eine Rechteckwelle ist, in einer NMR-Vorrichtung unsichtbar für die Verarbeitung gemacht werden, indem man eine Abtastung vor-

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sieht_T welche hinsichtlich der Zeit nichtlinear, aber hinsichtlich der Phasenverschiebungsbedingungen linear ist. Dies kann durch geeignete Auswahl von P. erreicht werden.

Die Erfindung sieht vor, daß Abtastungen in solchen Intervallen vorgenommen werden, daß JH dt zwischen jedem benachbarten Paar von Abtastungen gleich ist. Dies entspricht, mit Ausnahme der Rechteckimpulse, nicht der Abtastung in gleichen Zeitintervallen.

Fig. 9a und 9b zeigen für zwei praktische Impulse, wieauf dieser Grundlage die Abtastzeiten voneinander entfernt sind. Fig. 9a stellt eine halbe Sinuswelle dar, obwohl darauf hinzuweisen ist, daß ein realer Impuls wegen anderer Korrekturen und Einstellungen, welche die Erfindung nicht beeinflussen, eine verzerrte Halbsinuswelle ist. Fig. 9b zeigt eine der Praxis mehr angenäherte Form eines flach abgekappten Impulses. Die Abtastpunkte sind in beiden Fällen durch vertikale Linien 24 angezeigt. Wie man sieht, variieren die Abtastzeiten derart, daß J H dt gleich sein kann, obwohl die Figuren lediglich beispielhaft und nicht exakt ausgelegt sind.

Die P.-Werte, welche die erforderlichen Abtastzeiten für gleiche Intervalle von J H dt angeben, können natürlich vorausbestimmt werden, wenn die Gestalt des beabsichtigten G -Impulses

is.

bekannt ist. Die Abtastzeiten können in einem ROM-Speicher gespeichert und zur Steuerung der Abtastung benutzt werden. Die Signalregenerierung und das Abtastsystem sind in Fig. 10 in näheren Einzelheiten dargestellt.

Die schematisch gezeigte Signalabfragespule 6 ist an den Sondenverstärker 18 über Zuleitungen angeschaltet, die passende Mittel (nicht dargestellt) aufweisen, um den Verstärker von dem H₁-Treiberverstärker zu isolieren, der ebenfalls mit den Spulen 6 verbunden ist. Die Verstärkersignale werden über eine passende Verkabelung 25 und Übertrager 26 zu Frequenzwaagen-Demodulatoren 27 geführt. In diesem Beispiel weist der G -Gradient eine Null im Zentrum der Körperführung auf, um die Seitenbänder zu verdoppeln, so daß zwei Frequenzwaagen-Demodulatoren 27 erforderlich sind. Sie haben auch Eingänge sin wt und cos wt der Larmor-Frequenz, die durch H und G gegeben ist. Die de-

Z O Z

modulierten Sinus- und Kosinussignale werden über Tiefpassfilter zu Analog/Digital-Wandlern 29 geführt, wo sie für die Verarbeitung in der Steuerschaltung 17 digitalisiert werden.

Von den Übertragern 26 zu den Analog/Digital-Wandlern 29 umfassen die Schaltungen in Fig. 10 die Signalbearbeitungsschaltung 19 gemäß Fig. 7 und schaffen, wie in Fig. 7, geeignete Signale für die Fourier-Analyse und die anschließende Verarbeitung.

Der Analog/Digital-Wandler arbeitet in herkömmlicher Weise und tastet das Analog-Signal zu einer Zeit ab, die durch einen Signaleingang 30 variiert werden kann. Diese Zeit stellt dann die Abtastzeit dar, die für die Erfindung erforderlich ist. In diesem Beispiel sind die erforderlichen Zeiten vorberechnet (oder evtl. unter Verwendung eines Phantomkörpers vorgemessen), und in dem ROM-Speicher 31 gespeichert worden, von wo aus sie in Aufeinanderfolge einem Vergleicher 32 zugeführt werden. Der Vergleicher 32 vergleicht jedes Signal mit Taktimpulsen eines Taktgebers 33, bis die geforderte Zeit erreicht ist. Dann erzeugt er ein Abtastsignal an den Signaleingängen 30 und fragt

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den ROM-Speicher 31 nach der nächsten Abtastzeit ab.

Es kann auch das Feldintegral der Impulse unter Verwendung der Feldsondenanordnung gemessen werden, die für andere Zwecke vorgesehen ist. Eine Abtastung kann jederzeit vorgenommen werden, wenn ein vorbestimmter Wert erreicht ist oder die Phasenverschiebungen können gezählt werden, um in Echtzeit zu bestimmen, wann das erforderliche P. erfüllt ist, um den geforderten Abtastzeitpunkt zu geben.

Fig. 11 zeigt eine Schaltung unter Verwendung des Ausgangs einer einzelnen solchen YIG-Sonde Y, obwohl diese durch gewichtete und kombinierte Ausgänge einiger solcher Sonden ersetzt werden kann. Die Sonde liefert Signale der Frequenz f (2,8 GHz für ein 1 kOe-Feld) über einen Sondenverstärker 23 zu einem Mischer 34. Die Signale werden dann mit einem Signal der Frequenz f gemischt, das von einem Taktgeber 35 abgeleitet ist, um sie auf zum Zählen geeignete Frequenzen zu bringen. Die Frequenz f ist in geeigneter Weise so gewählt, daß Af = f - f_o in dem Bereich von 150 - 200 MHz liegt.

In der Praxis können die YIG-Sonden auf unterschiedliche Arten oszillieren und es ist notwendig, die Art im Betrieb zu bestimmen. Für diesen Zweck sind eine oder mehrere NMR-Sonden N vorgesehen. Solche Sonden sind einfache Miniaturelemente aus reinem Wasser (z.B. geschlossene Proberöhren), die von kleinen Spulen umgeben sind. Eine NMR-Sonde gibt eine zuverlässige Resonanz von 4,26 kHz/Oe und kann verwendet werden, um die YIG-Sondenbetriebsart zu überprüfen. Wenn man die YIG-Sonden für alle Zwecke auswechselt, ergibt sich eine unzulängliche räumliche Resonanz, obwohl sie bei der Erfindung zur Messung des Feldintegrals verwendet werden können. Die Schaltung 36 vergleicht die

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NMR- und YIG-Signale, um die Betriebsartkorrekturen zu bestimmen, wobei die Schaltung 36 einen Korrekturfaktor k erzeugt, welcher in einem Multiplizierer 37 mit dem Signal Af multipliziert wird. Die korrigierte Frequenz kAf wird dann in einem Zähler 38 über eine geeignete Periode gezählt, um den Wert jHdt zu ergeben.

Der Wert von JH dt wird zum Vergleicher 32 gegeben, wo er mit dem Ausgang des ROM-Speichers 31 verglichen wird, in diesem Fall ein einzelner Wert von Hdt, bei dem die Abtastung im Analog/Digital-Wandler 29 vorgenommen werden soll.

Die beiden beschriebenen Verfahren können kombiniert werden, so daß eine vorkalkulierte Abtastzeit vorbereitet ist. Das System ist dann dieser Zeit angepaßt, aber die aktuelle Zeit der Anpassung wird durch Feldmessung bestimmt.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Anzahl der vorgenommenen Abtastungen vorzugsweise 2™ ist (wobei ρ eine ganze Zahl ist). Anderenfalls müssen Nullen zu den Abtastungen hinzugefügt werden, um die Anzahl auf 2^P für die Fourier-Verarbeitung zu erhöhen.

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Claims

EIKENBERG & BRÜMMERSTEDT PATENTANWÄLTE IN HANNOVER EMI Limited 100/537 Patentansprüche :

1.1 Kernmagnetische Resonanz (NMR)-Vorrichtung zur Unter- *·.

suchung einer Scheibe eines Körpers, gekennzeichnet durch

Mittel zum Anlegen von Magnetfeldern, um eine Resonanz vorzugsweise in der Scheibe zu bewirken;

Mittel zum Anlegen eines impulsförmigen Magnetfeldes, welches einen Gradienten quer über die Scheibe besitzt, um eine Phasenverteilung innerhalb der Resonanz zu erzeugen, wobei die Mittel einen Impuls bewirken, der nicht rechteckig ist, und

Mittel zum Abfragen eines Resonanzsignals, das während des impulsförmigen Feldes induziert wird, wobei Steuermittel vorgesehen sind, um die Mittel zum Abfragen zu veranlassen, das induzierte Signal in Intervallen derart abzutasten, daß das Feldintegral für das impulsförmige Feld zwischen jedem aufeinanderfolgenden Paar von Abtastungen im wesentlichen gleich ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zum Abfragen des Magnetfeldes während des impulsförmigen Feldes und weiterhin Mittel zum Bestimmen des Feldintegrals sowie Mittel zum Bewirken einer Abtastung enthält, die bei

einem vorbestimmten Wert des Feldintegrals vorgenommen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zur Auslösung von Abtastungen zu vorbestimmten Zeiten.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Anlegen eines impulsförmigen Magnetfeldes so ausgelegt sind, daß ein sinusförmiges oder verzerrt sinusförmiges impulsförmiges Feld gebildet wird.

5c Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 2^P Abtastungen in jedem impulsförmigen Feld vorgenommen werden, wobei ρ eine ganze Zahl ist.

6. Verfahren zur Untersuchung einer Scheibe eines Körpers mittels kernmagnetischer Resonanz, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

es werden Magnetfelder angelegt, die ein impulsförmiges Feld umfassen, das einen Gradienten quer über die Scheibe in einer Richtung besitzt, um eine Phasenverteilung der Resonanz und ein Abtasten eines Resonanzsignals in der Scheibe zu verursachen, wobei das Resonanzsignal für einen nicht rechteckförmigen Gradientenfeldimpuls derart in Intervallen abgetastet wird, daß das Feldintegral für den impulsförmigen Gradienten in jedem der Intervalle im wesentlichen das gleiche ist.

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7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld während des impulsförmigen Feldes abgefragt wird, und daß die Abtastungen erfolgen, wenn ein vorbestimmter Wert
erreicht ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld zu Zeiten abgefragt wird, die für die Gradientenfeldimpulsform vorbestimmt sind, um die geforderten gleichen
Feldintegrale zu erreichen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Gradientenfeldimpulsform sinusförmig oder verzerrt sinusförmig ist.

- Beschreibung -

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