DE3008337C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernspinresonanzverfahren
zum Anzeigen der Kernspindichteverteilung in
einer Kernspins enthaltenden Materialprobe nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Das Anwendungsgebiet des Verfahrens
ist die Ausbildung von Abbildungen von Proben unter
Ausnutzung der Kernspinresonanz.
Ein derartiges Verfahren ist aus Elektro/78 Conference Record,
1978, Seiten 1 bis 15 bekannt. Bei diesem Verfahren wird die
Einschaltdauer des zweiten Magnetfeldgradienten variiert
und die gewünschte Kernspindichteverteilung durch eine zweidimensionale
Fouriertransformation des ausgelesenen Signals
gewonnen.
Aus der US-PS 40 70 611 ist ein Kernspinresonanz-Verfahren
zur Gewinnung von Bildern von Proben bekannt, bei dem das
auf einen nichtselektiven 90°-Hochfrequenzimpuls folgende
freie Induktionsabklingsignal unter Anwesenheit von zwei
oder drei zeitlich aufeinanderfolgenden, zueinander senkrechten
Magnetfeldgradienten ausgelesen wird, wobei die
Einschaltdauern der Magnetfeldgradienten von Sequenz zu
Sequenz variiert werden und eine zwei- oder dreidimensionale
Fouriertransformation des Signals durchgeführt wird. Auch
können die Magnetfeldgradienten in aufeinanderfolgenden
Zyklen in ihrer Richtung umgekehrt sein.
Aus der DE-OS 27 55 956 ist ein Verfahren zum Anzeigen der
Kernspindichte einer Materialprobe bekannt, bei dem das
auf einen selektiven 90°-Hochfrequenzimpuls folgende freie
Induktionsabklingsignal unter der gleichzeitigen Anwesenheit
von zwei oder drei Gradienten, von denen einer oder
zwei zum Erzeugen von Spinecho-Signalen periodisch umgekehrt
werden, ausgelesen und eine Sequenz von Verfahrensschritten
zyklisch wiederholt wird unter Einschaltung einer
Zeitverzögerung zwischen aufeinanderfolgenden Zyklen.
Bei einem aus der DE-OS 25 40 436 bekannten Kernspinresonanz-Verfahren wird
durch zwei selektive Hochfrequenzimpulse in Anwesenheit
von zwei zueinander senkrechten Magnetfeldgradienten ein
Streifen in einer Materialprobe angeregt und das freie
Induktionsabklingsignal aus diesem Streifen in Anwesenheit
eines dritten, zu den beiden ersten Magnetfeldgradienten
senkrechten Auslesegradienten ausgelesen. Auch hier wird
die Sequenz von Verfahrensschritten zyklisch wiederholt
unter Einschalten einer Zeitverzögerung zwischen aufeinanderfolgenden
Zyklen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs
genannten Art so zu führen, daß auf eine zwei- oder drei-
dimensionale Fouriertransformation oder auf zusätzliche
vorbereitende Hochfrequenzimpulse verzichtet werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht mit einer
eindimensionalen Fouriertransformation Information über zu
beobachtende Spins in einem Streifen einer ausgewählten
Scheibe zu erhalten, wobei nur ein selektiver Hochfrequenzimpuls
nötig ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung soll im folgenden an Hand von Figuren
erläutert werden. Es zeigt:
Fig. 1 eine Scheibe einer homogenen Probe und ein
entsprechendes Absorptionsprofil,
Fig. 2 das freie Induktionsabklingsignal der Scheibe
und einen ausgewählten Streifen in der Scheibe,
Fig. 3 verschiedene Spinverteilungen in Abhängigkeit
von der
Einschaltdauer des Filter-Magnetfeldgradienten
Fig. 4 verschiedene Schritte des
Verfahrens,
Fig. 5 effektive Spinverteilungen für nicht homogene
Scheiben mit und ohne Filterung,
Fig. 6 eine durch nicht homogene Spinverteilungen verursachte
Phasenverschiebung des Signals
Fig. 7 nicht gefilterte Absorptionsprofile, die man
mit Gradientenumkehr erhält, und
Fig. 8 eine effektive Spinverteilung, die in verschiedenen
Ebenen in einer Scheibe mit Filterung herrscht.
Fig. 1 zeigt eine Scheibe 1 eines
Materials in der XX-Ebene, das einem statischen Magnetfeld in der Z-Richtung und zusätzlich
einem sich räumlich ändernden Gradienten Gx zu diesem
Magnetfeld ausgesetzt ist. Die Scheibe hat eine Länge 2a in
der Gradientenrichtung. Die Beziehung zwischen der Absorption der kernmagnetischen
Resonanz und der Winkelfrequenz
in der Scheibe ist in der Fig. 1 unterhalb der Scheibe in Form
einer Kurve 2 dargestellt. Wenn man das Signal des freien
Abklingens der Induktion dieser Tafel bei Resonanz beobachtet,
erhält man die in der Fig. 2 als Kurve 3 dargestellte
Fouriertransformierte des rechteckförmigen Absorptionsprofils.
Diese Kurve ist eine sinc-Funktion der Zeit,
also f(t)=2a sinc at. Wenn die Scheibe kürzer wäre und nur
eine Länge 2 b hätte, würde das entsprechende Signal für
das freie Abklingen der Induktion eine sinc-Funktion von
der Form f(t)=2b sinc bt annehmen. Diese Funktion ist in
der Fig. 2 als Kurve 4 gestrichelt eingezeichnet.
Die mit sinc bezeichnete Funktion ist die sog. Spaltfunktion
und bedeutet, wenn x die Variable ist: sinc x=
(sin x)/x.
Die beiden Kurven 3 und 4 schneiden sich bei einem
Punkt P zu einer Zeit τ nach dem Beginn des freien Induktionsabklingsignals. Zu diesem Zeitpunkt wird daher das
gesamte Signal von dem schmäleren Teil oder Streifen innerhalb der
breiten Scheibe abgeleitet. Wenn folglich der Anfangsgradient Gx,
der während der Zeit τ vorhanden war, zu einem durch das
Erreichen des Punktes P definierten Zeitpunkt abgeschaltet
wird und durch einen anderen Gradienten Gy ersetzt wird,
der orthogonal zu dem Gradienten Gx ist, wird das resultierende,
sich einstellende freie Induktionsabklingsignal vollkommen
von der schmäleren Streifen in der breiten Scheibe
abgeleitet. Auf diese Weise wird ein Filtervorgang oder
ein Filterprozeß erreicht, bei dem alle Signale beseitigt
werden, die von Spins in der Tafel außerhalb der schmalen
Scheibe stammen. Damit dieser Filterprozeß wirksam ist,
muß τ kleiner als die Zeit sein, bei der der erste Nulldurchgang
auftritt.
Der angesprochene Vorgang oder Prozeß wird besser
verstanden, wenn man die effektive Spinverteilung g ( ω )
als Funktion der Filterzeit aufzeichnet. Wenn beispielsweise
τ=0, handelt es sich bei g ( ω ) um die ursprüngliche
rechteckförmige Verteilung, die in der Fig. 3a gezeigt
ist. Wenn τ=0, ist es möglich, sinc ωτ in Abhängigkeit
von ω über den Bereich ω±a aufzuzeichnen, um
im Falle τ=t₁ die Kurve nach der Fig. 3b und im Falle
τ=τ₂ die Kurve nach der Fig. 3c zu erhalten. Die Aufhebung
oder Löschung der schraffierten Bereiche zeigt auf,
wie der Filterprozeß tatsächlich in Erscheinung tritt,
um ein positives Gesamtsignal oder resultierendes Signal
zu ergeben, das von einer schmäleren Verteilung mit der
Breite±b1 bei der Kurve nach der Fig. 3b oder mit der
Breite±b2 bei der Kurve nach der Fig. 3c kommt.
Eine vollständige Sequenz von Verfahrensschritten hinsichtlich der Erregerimpulse
und der geschalteten Magnetfeldgradienten für ein vollständiges
dreidimensionales Abbildungsschema unter Verwendung des
Filterprozesses ist in der Fig. 4 dargestellt. Alle in der
Fig. 4 gezeigten Schritte sind auf einen gemeinsamen Zeitmaßstab
bezogen, und es wird eine Periode oder ein Betriebszyklus
dargestellt. Der bei a gezeigte Verlauf stellt die
Folge an Triggerimpulsen dar, die die verschiedenartigen
Magnetfeldgradienten zu dem statischen Magnetfeld ein- und ausschalten.
Anfangs wird durch den ersten Triggerimpuls des
bei a gezeigten Verlaufes ersten Magnetfeldgradient als Bestrahlungsgradient Gz eingeschaltet,
bei dem es sich um einen Magnetfeldgradienten
in der z-Richtung handelt, und gleichzeitig damit wird ein
selektiver 90°-Hochfrequenzimpuls angelegt, wie es in einem bei e
gezeigten Verlauf zu sehen ist. Die Kombination von diesen
beiden Vorgängen veranlaßt die anfängliche Auswahl einer
Scheibe in der XY-Ebene in der Materialprobe. Der Hochfrequenzimpuls und der erste
Magnetfeldgradient Gz werden dann abgeschaltet, wie es in dem bei a
gezeigten Verlauf durch einen zweiten Triggerimpuls dargestellt
ist. Wie man dem bei c dargestellten Verlauf entnehmen
kann, wird gleichzeitig für eine begrenzte Zeitdauer τ,
wie oben erwähnt, ein Filtergradient GX eingeschaltet.
Diese Zeitdauer endet beim Auftreten eines dritten
Triggerimpulses, woraufhin der Filtergradient Gx abgeschaltet
wird und durch einen Auslesegradient Gy ersetzt wird, der
während einer Abtastdauer oder Abtastperiode aufrechterhalten
wird. Der Auslesegradient Gy ist bei dem bei d gezeigten
Zeitverlauf zu sehen. Die Abtastdauer endet beim Auftreten
eines vierten Triggerimpulses, und es schließt sich
dann eine Zeitverzögerung t d an, bevor der nächste Zyklus
beginnt. Das an der Probe abgenommene Kernspinresonanzsignal ist
bei dem mit f bezeichneten Verlauf zu sehen. Derjenige Teil
dieses Signals, der während der Abtastperiode verfügbar
ist, wird ausgelesen und nach Fourier transformiert, wobei
man das Absorptionsprofil eines dünnen Streifens innerhalb
der ausgewählten Scheibe erhält. Der Anfangsteil des
Kernspinresonanzsignals, der vor der Abtastperiode auftritt, wird
nicht verwendet.
Bei der Ausführung der Erfindung ist es erwünscht,
das Eingangstor zum Empfänger während der Zeit zu schließen,
während der der selektive 90°-Hochfrequenzimpuls anliegt. Dies kann
man mit Hilfe von Empfängerschutzimpulsen erreichen, die
mit dem Gradiententriggerimpuls synchronisiert sind und
bei dem bei g gezeigten Zeitverlauf zu sehen sind. Diese
Impulse trennen den Empfänger, wie es bei dem bei h gezeigten
Verlauf dargestellt ist.
Das oben erläuterte Verfahren arbeitet für eine homogene
Spinverteilung genau. Wenn jedoch die anfängliche
Spinverteilung längs der x-Achse der Probe nicht homogen
ist, erhält man als Gegenstück zur Fig. 1 das in der
Fig. 5a gezeigte anfängliche Absorptionsprojektionsprofil,
das asymmetrisch ist. Die Evolution oder Entwicklung dieser
asymmetrischen Verteilung ist dem symmetrischen freien Induktionsabklingsignal
nach der Fig. 3 ähnlich, jedoch durch
die tatsächliche Verteilungsgewichtung modifiziert, wie es
in der Fig. 5b dargestellt ist. Die Auswirkung einer nicht
symmetrischen Gewichtung besteht neben anderen Dingen darin,
den Massenmittelpunkt oder Schwerpunkt der Verteilung (in
diesem Fall) zu niedrigeren Frequenzen zu verschieben. Dies
entspricht in dem bei Resonanz ω₀ umlaufenden Referenzbild
einer Phasenverschiebung des Signals.
Die Fig. 6a zeigt die Evolution oder Entwicklung der Spinmagnetisierung
in dem rotierenden Resonanzbild,
wenn die Spinverteilung symmetrisch ist, wie es
in der Fig. 1 der Fall ist. In der Fig. 6b ist hingegen
der Fall für eine nicht symmetrische Verteilung entsprechend
der Darstellung nach der Fig. 5 gezeigt. Es tritt
eine Phasenverschiebung R zwischen der effektiven Magnetisierung
und der x-Achse im rotierenden Referenzbild auf.
Um diesen Phaseneinfluß zu überwinden, ist es erforderlich,
die effektive Spinverteilung zu symmetrieren. Dies
kann dadurch erreicht werden, daß (a) abwechselnde freie
Induktionsabklingvorgänge in abwechselnden Filtergradienten
Gx und -Gx beobachtet werden oder daß (b) die Hälfte der
gemittelten freien Induktionsabklingvorgänge in +Gx aufgezeichnet
werden und dazu eine gleiche Anzahl von freien
Induktionsabklingvorgängen in -Gx hinzugezählt werden. Der
Vorteil von (b) ist, daß Gx nur einmal umgekehrt wird. Die
Beobachtung kombinierter freier Induktionsabklingvorgänge
in Gx ist jedoch in beiden Fällen einer Symmetrierung der
Absorptionslinie äquivalent. Die Fig. 7a zeigt eine asymmetrische
Verteilung in +Gx, und die Fig. 7b zeigt dieselbe
Verteilung mit nach -Gx umgekehrtem Magnetfeldgradienten.
Die Fig. 7c zeigt die Fouriertransformierte der kombinierten
freien Induktionsabklingvorgänge nach den Fig. 7a und
7b. In diesem Fall wird die Phasenverschiebung wieder auf
Null gebracht.
Bei einer nichthomogenen Verteilung ist noch ein weiterer
Umstand in Betracht zu ziehen, und zwar insbesondere
bei der Entwicklung des Spinsystems im Anschluß an den
Filtervorgang, wenn Gx=0 und Gy eingeschaltet wird.
Es wird angenommen, daß das effektive Absorptionsprofil
symmetriert worden ist und daß die Scheibe an Spins
(nichthomogen) so ist, wie es in der Fig. 8a dargestellt
ist. In dieser Scheibe sollen drei Ebenen betrachtet werden.
Eine Ebene (I), wenn symmetriert, entwickelt sich
in der Zeit entsprechend der Darstellung nach der Fig. 8b,
um eine eingeengte gefilterte Breite von ±b1 zu definieren.
Eine Ebene (II) von unterschiedlicher Verteilung und somit
unterschiedlicher Gewichtung, ergibt, wenn symmetriert,
nach der gleichen Entwicklungszeit τ eine eingeengte Verteilung
±b2. In ähnlicher Weise führt eine Ebene (III)
zu einer eingeengten Verteilungsbreite ±b3.
Somit wird ein Streifen konstanter Breite ±b durch
diesen Prozeß nicht definiert, allerdings unter Ausnahme
des Falles, daß die ursprüngliche räumliche Verteilung in
jeder Ebene identisch ist. Ist jedoch a viel größer als
die durchschnittliche eingeengte Breite <b<, wird ein Streifen
der durchschnittlichen Breite <b<
definiert, die jedoch in einer nicht voraussagbaren Weise
unduliert oder sich wellenförmig bewegt, weil die Spindichteverteilung
ρ (xz) für eine gegebene Ebene senkrecht zu
y für jeden Wert von y verschieden ist.
Selbst wenn man durch selektive Bestrahlung Δ z klein
macht, so daß ρ (z) konstant ist, treten immer noch beträchtliche
Schwankungen von ρ (x) mit x innerhalb einer gegebenen
Ebene und zwischen den Ebenen auf.
Dieses Verfahren definiert somit nicht einen genauen
ebenen oder glatten Streifen an Spins. Der verschwommene
Streifen hält jedoch eine Verteilung längs x aufrecht. Jede Ebene
weist daher Präzession bei ihrer Mittenfrequenz auf, die
durch Wy=Δ y γ Gy gegeben ist. Wenn somit das Verschwimmen
nicht zu wichtig ist, ist das Verfahren in der Scheibe und
längs eines Streifens selektiv.
Eine Frage von gewisser Wichtigkeit besteht darin, was
genau <b< bestimmt. Um diese Frage zumindest teilweise zu
beantworten, wird die homogene Verteilung betrachtet. Der
Verlust des Signals zur Zeit τ in der Kurve 3 der Fig. 2
entspricht der Auslöschung im Integral.
Dabei ist g± ( ω )=1, und + und - betreffen die Richtung des
angelegten Gradienten Gx. Wenn nun g± ( ω ) nicht konstant
ist, wird die Gewichtung des Integrals so, daß I=0 für
jede Ebene bei y gemacht wird, wobei die Integrationsgrenzen
±b in geeigneter Weise geändert werden müssen. Es
ist dieser Umstand, der den definierten Streifen in der Dicke
undulieren läßt. Die Filterzeit kann man im allgemeinen so
wählen, daß <b<=b₀, mit einer Schwankung von ±Δ b. Diese
Schwankung ist auf die Inhomogenität der Spindichteverteilung
ρ (xyz) zurückzuführen und kann ohne die vorherige
Kenntnis von p (xyz), also derjenigen Größe, die gemessen
werden soll, nicht leicht als vorbekannt betrachtet werden.
Claims (4)
1. Kernspinresonanzverfahren zum Anzeigen der Kernspindichteverteilung
in einer Kernspins enthaltenden Materialprobe,
bei dem die Probe längs einer Achse einem statischen
Magnetfeld ausgesetzt wird und welches folgende Sequenz von
Verfahrensschritten aufweist: Anlegen eines ersten Magnetfeldgradienten
zu dem statischen Magnetfeld und Anlegen
eines frequenzselektiven 90°-Hochfrequenzimpulses bei eingeschaltetem
ersten Magnetfeldgradienten, um Spins in einer
ausgewählten Scheibe der Probe zu erregen, wobei sich diese
Scheibe senkrecht zu der Richtung des ersten Magnetfeldgradienten
erstreckt, Ausschalten des ersten Magnetfeldgradienten,
Anlegen eines zweiten Magnetfeldgradienten zu
dem statischen Magnetfeld, der in einer Richtung in der
Ebene der ausgewählten Scheibe variiert, Ausschalten des
zweiten Magnetfeldgradienten, Anlegen eines dritten Magnetfeldgradienten
zu dem statischen Magnetfeld als Auslesegradient,
der in einer Richtung in der Ebene der ausgewählten
Scheibe senkrecht zur Richtung des zweiten Magnetfeldgradienten
variiert und Auslesen des resultierenden freien
Induktionsabklingsignals, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Magnetfeldgradient als Filtergradient (G x ) zur
Beschränkung des freien Induktionsabklingsignals auf das
aus einem Streifen in der ausgewählten Scheibe stammende
Signal nur für eine Zeitdauer angelegt wird, die kürzer
ist als diejenige bis zum Auftreten des ersten Nulldurchgangs
des freien Induktionsabklingsignals.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die aufgezählte Sequenz von Verfahrensschritten zyklisch
wiederholt wird, und zwar unter Einschaltung einer Zeitverzögerung
zwischen aufeinanderfolgenden Zyklen.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Filtergradient (G x ) in aufeinanderfolgenden Zyklen
in seiner Richtung umgekehrt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sequenz für eine vorbestimmte Anzahl von Zyklen
wiederholt wird und dann für eine entsprechende Anzahl von
Zyklen, aber mit umgekehrtem Filtergradienten (G x ) wiederholt
wird.
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