DE3008337C2

DE3008337C2 -

Info

Publication number: DE3008337C2
Application number: DE3008337A
Authority: DE
Inventors: Peter Chilwell Nottingham Gb Mansfield
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1979-03-07
Filing date: 1980-03-05
Publication date: 1987-07-09
Also published as: CA1108233A; JPS6218012B2; NL191321B; NL191321C; JPS55126850A; DE3008337A1; US4318044A; NL8001363A

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

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.