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Verfahren und Vorrichtung zur Erstellung von
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Kernresonanzbildern Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtung
zur Erstellung von Kernresonanzbildern (= NMR-Bildern) nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1. Derartige (Nuclear-Magnetic-Resonance) NMR-Abbildungseinrichtungen
sind z.B. unter den Begriffen Zeugmatographie und Spin Imaging in der Literatur
beschrieben.
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In letzter Zeit haben Verfahren zunehmend Interesse gewonnen, bei
denen man zu einer bildlichen Darstellung der Kernspindichteverteilung in räumlich
ausgedehnten Objekten mittels Kernresonanzuntersuchungen gelangt.
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Solche Methoden wurden etwa von P. Lauterbur, "Nature" (London) 242,
190 (1973) (1), P. Mansfield et al.
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"J.Phys." C 10, L 55 (1977) (2) sowie A. Kumar, D.Welti und R. Ernst
"J. Magn. Res" 18, 69 (1975 (3) beschrieben.
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Nach den bekannten Methoden erhält man ein Maß für die räumliche
Verteilung der Kernspindichte dadurch, daß das Kernresonanzsignal in konstanten,
pulsierenden oder zeitlich variierenden Magnetfeldgradienten analysiert wird. Hierbei
vermittelt der Feldgradient eine unmittelbare Beziehung zwischen der Frequenzverteilung
des Kernresonanzsignals und der räumlichen Verteilung der Spindichte. Um die Frequenzverteilung
zu erhalten, wird im allgemeinen der zeitliche Verlauf des Kernresonanzsignals nach
der Einwirkung eines Hochfrequenzimpulses registriert und anschließend einer Fourieranalyse
unter-
worfen. Dabei ist es von entscheidender Bedeutung, daß für
die Dauer des NMR-Signals der anliegende Feldgradient zeitlich konstant ist bzw.
in definierter Weise verändert wird.
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Oft wird zur Anregung ein Hochfrequenzimpuls verwendet, der als "selektiver"
Hochfrequenzimpuls wirkt, d.h.
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auch während des HF-Impulses ist ein Feldgradient wirksam, der während
der Dauer des Impulses möglichst konstant zu sein hat; damit die durch das Spektrum
des HF-Impulses zur Kernresonanz angeregten örtlichen Bereiche im Meßobjekt nicht
schwanken.
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Der Aufwand an Elektronik zur Versorgung, Konstanthaltung, Schaltung
und Modulation der magnetischen Feldgradienten steigt erheblich an, wenn die Untersuchung
sich über ein räumlich ausgedehntes Volumen erstrecken soll. Dies ist insbesondere
bei der bildlichen Darstellung der Verteilung der Kernspindichte in Objekten, etwa
solchen von der Größe des menschlichen Körpers, der Fall.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vorrichtung
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, di-e es ermöglichen, den elektronischen
Aufwand bei der Erzeugung der magnetischen Feldgradienten auch bei Anwendung auf
größere Körper zu reduzieren und Bildverfälschungen zu vermeiden. Diese Aufgabe
wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen
Maßnahmen gelöst. Die Gegenstände der Unteransprüche sind zweckmäßige Ausbildungen
der Erfindung.
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Die Erfindung geht von dem Prinzip aus, daß man in einem dreidimensionalen
Objekt durch einen Hochfrequenz-Impuls
alle Kernspins um 900 aus
der Gleichgewichtsrichtung dreht und anschließend den freien Kerninduktionsabfall
in einem (im allgemeinen Fall zeitlich und örtlich variablen) Feldgradienten G (#,
t) beobachtet. So läßt sich das in der Empfängerspule induzierte Signal darstellen
durch
wobei # (r) Spindichte T2 Querrelaxationszeit # Gyromagnetisches Verhältnis Ho Grundfeld
entlang der z-Achse G (r,t) Feldgradient
r Ortsvektor (x, y, z) t Zeit bedeuten.
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Nach phasenempfindlicher Gleichrichtung mit Frequenz %%=#Ho stehen
an den beiden Ausgängen eines Senkrecht-Phasen-Detektors (quadrature detector)-
zwei Spannungen zur Verfügung, die sich als komplexe Funktion zusammenfassen lassen:
Gelingt es nun, dieses Signal, das als Funktion der Zeit vorliegt, als Funktion
dreier Variabler (Wellen-
vektoren) kx, ky, kz
also als
darzustellen, wobei term beschreibt, so
den Relaxationsdreidimensionale Fouriertransformation:
Dies stellt die mit der Linienfunktion g (x', y , z ) gefilterte gesuchte Spindichteverteilung
dar.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine abgewandelte,
für Zeugmatographie-Experimente übliche Kernresonanzstandardapparatur verwendbar.
Eine solche besteht bekanntlich aus einem Magneten zur Erzeugung eines homogenen
Grundfeldes, Magnetfeldgradientenspulen zur Erzeugung dreier unabhängiger, senkrecht
zueinander stehender Feldgradienten, einer Schaltelektronik zur Modulation dieser
Gradienten, einer Elektronik zur Erzeugung selektiver Hochfrequenzimpulse, einem
Kernresonanzempfänger mit phasenempfindlicher Gleichrichtung und einer Sende- und
Empfangsspule. Diese Apparatur ist in Abwandlung für die erfindungsgemäßen Zwecke
zu ergänzen, so daß die Ströme ix, 1y und iz, welche die Feldgradienten in.x-, y-
und z-Richtung erzeugen, als Funktion der Zeit gemessen und elektronisch integriert
werden können. Die so erhaltenen Signale sind ein Maß für die Komponenten kx, ky
und kz, Während des zeitlichen Ablaufs eines Zeugmatographieexperiments fallen also
zwei Signale als Funktion der Zeit an, das Kernresonanzsignal f (t) am Ausgang des
Senkrecht-Phasendetektors und die Wellenvektorkomponenten kx(t), ky(t), kz(t). Die
beiden Signale werden digitalisiert und in einen Prozeßrechner eingegeben, der das
Kernresonanzsignal nach den Wellenvektoren sortiert und über eine Fouriertransformation
ein Bild der (gefilterten) Kernspindichte erstellt. Voraussetzung ist lediglich,
daß während des Ablaufs des Experiments die Komponenten de.r magnetischen Feldgradienten
Gx(t), Gy(t), Gz(t) so variieren, daß der durch die Komponenten kx, ky, kz aufgespannte
Raum so vollständig mit Kernresonanzsignalwerten f(kx, ky, kz) aufgefüllt ist.
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wie es zur Darstellung eines ortsaufgelösten Bildes erforderlich ist.
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Im allgemeinen wird eine dreidimensionale Abbildung nicht erforderlich
sein. Schon die Darstellung eines Schnitts durch das interessierende Objekt wird
in der Regel zufriedenstellen. Diese Darstellung kann z.B.
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dadurch erfolgen, daß nur in der interessierenden Schicht die Kernmagnetisierung
aus der Gleichgewichtslage gekippt wird; das sich anschließende Kerninduktionssignal
wird dann nur von den, Kernspins aus der interessierenden Schicht herrühren. Diese
sogenannte selektive Anregung wird dadurch erreicht, daß während der Dauer des erregenden
HF-Impulses ein Feldgradient senkrecht zur interessierenden Schicht wirksam ist.
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Die Lage der interessierenden Schicht ist dann gegeben durch das Verhältnis
von Frequenz des HF-Impulses zu Gradientenstärke
#: : Kreisfrequenz des anregenden HF-Impulses Gz : magnetische Feldgradientenstärke
in z-Richtung Z : Lage der angeregten Schicht gyromagnetisches Verhältnis und die
Dicke der angeregten Schicht durch den Kehrwert des Produktes Gradientenstärke und
Dauer des HF-Impulses
t: Dauer des HF-Impulses #z : angeregte Schichtdicke
Die Hüllkurve
des HF-Impulses. bestimmt dabei die Schärfe der angeregten Schicht. Wenn während
der Dauer des elektiven HF-Impulses die Stärke des angeregten Gradienten schwankt,
sind weder Lage noch Stärke der angeregten Schicht genau definiert. Üblicherweise
bemüht man sich deshalb, während des Sendens des geformten HF-Impulses den Gradienten
zeitlich konstant zu halten.
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Die gewünschte Hüllkurve der anregenden Hochfrequenz moduliert man
zweckmäßigerweise in einem Einseitenbandmodulator einem kontinuierlichen, von einem
Oszillator stammenden HF-Signal auf. Dies geschieht z.B. dergestalt, daß die Hüllkurve
in einem Prozeßrechner in digitaler Form gespeichert vorliegt und über Digital-Analog-Wandler
(DACls) in ein Analog-Signal verwandelt wird, das zur Modulation der anregenden
Hochfrequenz verwendet wird. Die digital gespeicherten Stützstellen der Hüllkurve
entsprechen zeitlich äquidistanten Schritten des Modulationssignals; weshalb auch
die Triggerung der DAC's in zeitlich konstanten Schritten erfolgt. Zweckmäßigerweise
wird hierzu ein quarzstabiler Impulsgenerator verwendet.
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Da für die Lage und Dicke der ausgewählten Schicht das Produkt aus
Gradientenstärke und Zeitinkrement entscheidend ist, wird nach der Erfindung der
Aufwand zur Konstanthaltung des Gradienten gering gehalten, indem der zeitliche
Verlauf der Zeitsumme des Gradienten
dt gemessen und in äquidistante Schritte A k unterteilt wird, die zur Triggerung
des DAC benutzt werden. Dies kann z.B. so geschehen, daß man den Gradienten mißt
und den Meßwert einem elektronischen Integrator zuführt, dessen Ausgangssignal mit,
äquidistanten
Schwellwerten verglichen wird. Bei jeder Überschreitung eines Schwellwertes wird
ein Triggerimpuls abgegeben, der zur Taktung des DAC's benutzt wird. Statt den Gradientenstrom
zu messen, kann auch das magnetische Feld einer Gradientenspule genutzt werden,
z.B. indem man eine Hallsonde verwendet.
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Bezüglich des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses werden solche NMR-Abbildungsverfahren
als optimal angesehen, bei denen in den zum Aufbau des Bildes erforderlichen Einzelexperimenten
immer alle Kernspins insgesamt (unterscheidbar) beobachtet werden. Die bekannten
Methoden lassen sich auf drei Grundprinzipien zurückführen, die Projektionsrekonstruktionsmethode
(1), die Fourier-Zeugmatographie (3) und das Echoplanar-Imaging (2). Die enge Verwandtschaft
dieser Verfahren wird klar, wenn man sich den Aufbau der NMR-Bildsignale im k-Raum
veranschaulicht.
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Bei der Projektionsrekonstruktionsmethode wird der k-Raum radial abgetastet,
bei Fourier-Zeugmatographie zeilenweise und bei der Echo-Planar-Methode mäanderförmig
(zick-zack-artig). Damit die Abtastpunkte für einfache, artefaktfreie Verarbeitung
in Bildrekonstruktionsalgorithmen in k äquidistant werden, sind in bisherigen apparativen
Anordnungen die bei der Auslesung des Kernresonanzsignals wirksamen Gradienten zeitlich
konstant gehalten und die Triggerung der zur Digitalisierung des Kernresonanzsignals
verwendeten Analog-Digital-Wandler (ADC's) erfolgt quarzgenau in zeitlich äquidistanten
Schritten.
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Nach der Erfindung wird unter Verzicht auf besonderen Aufwand zur
Konstanthaltung der Gradienten der zeitliche Verlauf der Zeitsummen
ge-
messen und in äquidistante Schritte A k unterteilt, die dann
zur Triggerung der ADC's benutzt werden. Dies kann z.B. so geschehen, daß man den
Gradientenstrom abgreift und einem elektronischen Integrator zuführt, dessen Ausgangssignal
mit äquidistanten Schwellwerten verglichen wird. Bei jeder Überschreitung eines
Schwellwertes wird ein Triggerimpuls abgegeben, der zur Taktung der ADC's benutzt
wird. Statt den Gradientenstrom zu messen, kann man auch das magnetische Feld der
Gradientenspule nutzen, z.B. durch Verwendung einer Hallsonde.
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Vorliegende automatische Zuordnung des Kernresonanzsignals zu dem
zugehörigen Wellenvektor ermöglicht auch eine analoge Bildrekonstruktion. Benutzt
man nämlich die sich durch die Erfindung ergebenden Komponenten kx, ky des Wellenvektors
zur x- und y-Ablenkung eines Kathodenstrahloszillographen während die Intensität
des Kathodenstrahls durch das gleichzeitig anfallende Ausgangssignal des phasenempfindlichen
Gleichrichters moduliert wird, erhält man direkt ein Bild der Fouriertransformation
der Kernspindichte. Über eine Optik wird das Oszillographenschirmbild auf eine lichtempfindliche
Platte stark verkleinert abgebildet. Sobald dann die gesamte Fläche der Platte belichtet
ist, wird diese entwickelt und mit kohärentem Licht durchstrahlt. Die so ents-tehende
Beugungsfigur stellt die gesuchte örtliche Spindichteverteilung dar und kann mittels
einer Linse, in deren Brennebene sich der belichtete Film befindet, auf einem Schirm
oder einem weiteren Film abgebildet werden.
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Nach der Erfindung sind wegen der messenden Einbeziehung der Werte
der Feldgradienten in das Abbildungssystem auch bei nicht exakt eingehaltener zeitlicher
Konstanz
der Gradienten Bildverfälschungen vermieden.
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Darüber hinaus kann man mit Hilfe der Erfindung ohne Computer auf
analogem Weg aus den gemessenen Kernresonanzsignalen ein Bild der Kernspindichte
rückkonstruieren.
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Bei der Aufnahme des Oszillographenbildes kann man ohne Entwicklungsvorgang
auskommen, wenn statt der fotografischen Aufnahmeplatte eine direkt zu einem Bild
führende Maßnahme benutzt wird. Dies kann etwa so erhalten werden, daß man den im
Oszillographen an sich vorhandenen Elektronenstrahl, dessen Intensität durch das
Kernresonanzsigna bestimmt ist und dessen Ablenkung durch das Zeitintegral der Feldgradienten
gesteuert wird, einen Ölfilm bestrahlen läßt, ähnlich dem Eidophor-Verfahren. Das
auf dem Ölfilm gespeicherte Ladungsbild entspricht dem Fourier-Bild der Kernspindichte.
Infolge der elektrostatischen Kräfte wird der Ölfilm dann verformt. Bei Durchstrahlung
mit kohärentem Licht wirkt der verformte Ölfilm als Phasengitter, dessen Beugungsbild
dann der örtlichen Verteilung der Spindichte entspricht. Statt des Öles sind auch
andere deformierbare Stoffe, wie etwa Thermoplaste, anwendbar, wobei gerade letztgenannte
interessant sein können, wenn es darauf ankommt, das gespeicherte Bild aufbewahren
und etwa transportieren zu können.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend
anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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In der Fig. 1 ist eine NMR-Bild-Standardapparatur zur Erzeugung von
Kernspindichte-Bildern schematisch dargestellt, die erfindungsgemäß ergänzt ist,
in
der Fig. 2 ebenfalls schematisch eine Ergänzung der Apparatur nach Fig. 1 zur Sortierung
des Kernresonanzsignals nach Wellenvektoren kx, ky und zur analogen Darstellung
auf einem Oszillographenschirm und in der Fig. 3 ein Schema zur optischen Rekonstruktion
des Spindichte-Bildes.
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In der Fig. 1 befinden sich in einer HF-Abschirmung 1 Spulen 2 eines
mittels eines Netzgerätes 2' betriebenen Elektromagneten zur Erzeugung des für Kernresonanz-Experimente
erforderlichen Magnetfeldes. Diesem ist ein mit 4 bezeichnetes und aus einem Stromversorgungsgerät
4' gespeistes Magnetfeldgradienten-Spulensystem zur Erzeugung dreier unabhängiger,
in x-, y- und z-Richtung zueinander senkrecht stehender Feldgradienten zugeordnet.
Innerhalb des Elektromagneten befindet sich weiterhin ein System aus Hochfrequenzspulen
6, an das ein Kernresonanzempfänger, bestehend aus Signalvorverstärker 7 und phasenempfindlichem
Gleichrichter 8, angeschlossen ist. Ebenfalls angeschlossen ist ein Kernresonanz-Sender,
bestehend aus Hochfrequenz-Modulator 9 und Leistungsverstärker 10. Mit 11 ist ein
quarzstabiler Hochfrequenzoszillator bezeichnet, der ein Referenzsignal für den
phasenempfindlichen Gleichrichter 8 und den Träger für den Modulator 9 bereitstellt.
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Die gesamte Ablaufsteuerung des Kernresonanz-Experiments und die Auswertung
der Kernresonanz-Signale erfolgt durch einen Prozeßrechner 12, dem Kernresonanzsignale
durch einen Analog-Digital-Wandler 13 zugeleitet werden, und der über einen Digital-Analog-Wandler
14 Modulationssignale für den Hochfrequenz-Modulator 9 bereitstellt. Insoweit entspricht
die beschriebene An-
ordnung einer an sich bekannten Ausführung,
die jedoch erfindungsgemäß ergänzt wird durch Strommesser 15 in den Stromzuleitungen
der Gradientenspulen, an die Integratoren 16 (Fig. 2 16') angeschlossen sind. Das
Ausgangssignal dieser Integratoren 16 wird über Analog-Digital-Wandler dem Rechner
12 zugeleitet. Damit wird dieser befähigt, das Kernresonanzsignal dem zugehörigen
Wert der Zeitsummen der Gradienten zuzuordnen bzw.
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das Modulationssignal entsprechend auszugeben, ohne daß der Stromverlauf
in den Gradientenspulen 2 genau geregelt werden muß. In einem Bilddarstellungsgerät
17 kann schließlich das vom Prozeßrechner 12 aus den Kernresonanz signalen rekonstruierte
Bild auf einem Bildschirm 18 betrachtet werden.
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In der Fig. 2 ist eine Anordnung dargestellt, mit welcher die an sich
bekannte Apparatur nach Fig. 1 ergänzt wird, um in erfindungsgemäßer Weise eine
analoge Speicherung der Fourier-Transformierten des Kernspindichte-Bildes zu erzielen.
Dabei werden die Ströme und iy zur Erzeugung der Feldgradienten in x- und y-Richtung
über kleine Widerstände 19, 20 geleitet und der Spannungsabfall in elektronischen
Integratoren 16, 16' elektronisch integriert. Die so erhaltenen Signale, die ein
Maß für die Wellenvektoren kx und ky sind, werden auf die x- und y-Ablenkung einer
Kathodenstrahloszillographenröhre 21 gegeben. Dabei wird die Intensität des Kathodenstrahls
durch das gleichzeitige, am Ausgang des phasenempfindlichen Gleichrichters 8 anfallende
Kernresonanzsignal moduliert, indem man es auf den Wehneltzylinder 22 der Kathodenstrahlröhre
21 gibt, der der Kathode 22 vorgeschaltet ist. Über eine Optik 23 wird das auf dem
Leuchtschirm 24 der Röhre 20 erscheinende Muster auf eine lichtempfindliche Fotoplatte
25 projiziert.
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In der Fig. 3 ist angedeutet, wie der entwickelte Film 25 mit kohärentem
Licht aus einem Laser 26 durchstrahlt wird. Dabei ist die Durchstrahlungsoptik in
der Form zweier Linsen 27, 28 symbolisiert und die darauffolgende Abbildungsoptik
durch eine Linse 29.
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Die eigentliche Abbildung erfolgt auf einem Schirm 30.
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Dabei kann zur Fixierung der entstehenden Beugungsfigur, die der örtlichen
Spindichteverteilung entspricht, an die Stelle des Schirmes 24 eine Aufnahmeeinrichtung.treten,
die z.B. fotografisch wirksam ist.
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3 Figuren 10 Patentansprüche