DE3233050C2 - Verfahren der hochauflösenden Impuls-Kernresonanzspektroskopie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die räumlich selektive Untersuchung des Inneren einer Probe mittels magnetischer Kernresonanz­ techniken (NMR), gemäß einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Das Gebiet der Erfindung unterscheidet sich von dem Verfahren der NMR-Abbildung, insbesondere biologischer Systeme, und zu diesem Zweck wird das Abbildungsverfahren kurz beschrieben. In dem mensch­ lichen Körper bildet Wasser 70-80% der Masse von weichem Gewebe und etwas mehr als 10% der Masse von Knochen, so daß die beiden in einem NMR-Versuch in der Form der Protonen­ signalstärke klar unterscheidbar sind. Um die Quelle von NMR-Signalen in der Probe zu lokalisieren, ist es üblich, dem herkömmlichen gleichförmigen statischen Magnetfeld andere Magnetfelder zu überlagern, welche sich rasch mit dem Abstand verändern und kombiniert werden, um einen klei­ nen Bereich zu isolieren, in welchem das Basisfeld fortbe­ steht. Ein Bild eines Bereichs oder eines Volumens kann dann durch Veränderung der Feldgradienten entwickelt werden, um zu bewirken, daß der interessierende Bereich durch die Probe hindurch abgetastet wird. Dieses Verfahren bildet eine Basis für eine nicht-eingreifende Abbildung eines menschlichen oder tierischen Körpers in vivo in der Form der Protonendichte. Weitere klinische Information ist er­ hältlich durch Aufzeichnen der Protonen-Spin-Gitter-Re­ laxationszeit, welche in bezug auf die besondere chemische Umgebung der Wassermoleküle empfindlich ist.

Bei der Untersuchung vieler biochemischer und physiologi­ scher Probleme der Organe, welche sich auf phosphorhaltige Metabolite beziehen, sind aber räumliche und spektrale Auflösung von Bedeutung. Im allgemeinen können die im vor­ herigen Absatz erwähnten Protonenabbildungsverfahren nicht die spektrale Auflösung zwischen Signalen von Phosphorato­ men verschiedener Kernabschirmung schaffen, welche erforder­ lich ist, um diese Metabolite zu unterscheiden. Außerdem können diese Verfahren normalerweise nicht dazu verwendet werden, nützliche Daten von Phosphor zu erhalten, da das in einem ³¹P-NMR-Abbildungsversuch induzierte Signal unzu­ länglich wäre. Hochauflösende Techniken sind also für das Studium solcher Probleme wesentlich.

Es ist ein Versuch mitgeteilt worden, in welchem eine Anregung in einem hoch­ auflösenden Impuls-NMR-System bewirkt wird unter Verwendung einer Hochfrequenzspule, die an die Oberfläche einer Probe angelegt wird, um auf diese Weise absichtlich ein ungleich­ förmiges Feld begrenzter Ausdehnung innerhalb der Probe zu erzeugen. Die Länge des Anregungsimpulses wird so ge­ wählt, daß eine 90°-Drehung für Kernspins erzeugt wird, welche an Punkten gelegen sind, wo die Komponente des HF-Magnetfeldes senkrecht zu dem statischen Magnetfeld einen bestimmten Wert hat; die Gesamtheit dieser Punkte bildet also einen ausgewählten Bereich, derart, daß der Großteil der Amplitude des nachfolgenden Abklingsignals Kernen in dem ausgewählten Bereich zugeordnet werden muß. Sehr nützliche Ergebnisse sind durch diese Technik erzielt wor­ den, aber das Signal enthält unvermeidlich auch Beiträge aus Bereichen benachbart zu dem ausgewählten Bereich, in welchem eine bedeutende Rotation erzeugt worden ist, die kleiner oder größer als 90° ist.

Aus der US-PS-3,932,805 ist ein NMR-Verfahren bekannt, bei dem ein statisches Magnetfeld ohne Pulse zur Zerstörung einer Phasenkohärenz verwendet wird.

Bull, T.E.: "Effect of rf field inhomogeneities on spin-echo measurements", Rev. Sci. Instrum., Vol. 45, No. 2, 1974, S. 232-242, beschreibt die Wirkung von unbeabsichtigten Inhomogenitäten des Magnetfeldes bei einem NMR-Verfahren hinsichtlich von Abbildungsfehlern und Artefakten.

Th. C. Farrar, E. D. Becker: "Pulse and Fourier Transform NMR", Academic Press, New York 1971, S. 5-7, S. 20-22, S. 31-33 und S. 43-45 beschreibt ein Verfahren zur hochauflösenden Impuls-Kernresonanz-Spektroskopie mit einem möglichst homogenen HF-Magnetfeld, wobei Inhomogenitäten des HF-Feldes als unerwünscht und fehlerverursachend beschrieben werden. Für bestimmte Sonderfälle wird ferner das Anlegen von 180°-Impulsen angewendet.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesser­ ten räumlichen Selektivität in einem Verfahren der hoch­ auflösenden Impuls-Kernresonanzspektroskopie, welches ein HF-Feldgradientensystem verwendet.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren der hochauflösenden Impuls-NMR-Spektroskopie geschaffen, bei welchem wenigstens ein Teil einer zu untersuchenden Probe in ein gleichförmi­ ges statisches Magnetfeld eingetaucht wird und ein Signal, das sich hinsichtlich der Resonanzfrequenz auf eine bestimmte Kernart bezieht, von der Probe gewonnen wird im Anschluß an eine Bestrahlung wenigstens des genannten Teils der Probe mit einem Hochfrequenzimpuls, derart, daß das HF-Magnetfeld in dem Teil der Probe inhomogen ist, wobei bei dem Verfahren vor der Bestrahlung der Teil der Probe einer vorbereiteten Handlung unterworfen wird, wel­ che das inhomogenisierende Bestrahlen der Probe mit wenigstens einem Impuls derselben Hochfrequenz umfaßt, der eine 180N°- Drehung der Magnetisierung für diejenigen Kerne der ge­ nannten Kernart veranlaßt, welche innerhalb eines ausge­ wählten Bereichs des Teils der Probe gelegen sind, wobei N eine ganze Zahl ist.

Die anfängliche Bestrahlung mit einem oder mehreren 180N°-Im­ pulsen hat die Wirkung, daß Kerne der gegebenen Art in dem ausgewählten Bereich in einer kohärenten Phasenbeziehung bei jedem solchen Impuls gehalten werden, während die von diesem Bereich entfernten fortschreitend weniger kohärent werden. Die gesamte transversale Kernmagnetisierung für Stellen außerhalb des ausgewählten Bereichs ist also stark reduziert, so daß das Ausgangssignal als Folge des Daten­ erfassungsimpulses vorwiegend auf Kernen in diesem Bereich beruht. Der ausgewählte Bereich nähert sich normalerweise an eine Fläche an, deren Form von der Geometrie des HF-Feldes abhängt. Diese Form kann beispielsweise im wesent­ lichen halbkugelförmig oder im wesentlichen eben gebildet werden durch angemessene Konstruktion der Spule, mittels welcher die HF-Bestrahlung bewirkt wird.

Vorzugsweise beinhaltet die vorbereitende Behandlung auch, daß der Teil der Probe während einer begrenzten Zeitspanne im Anschluß an den oder jeden 180N°-Impuls (oder eine Folge solcher Impulse) einem zusätzlichen Magnetfeld unterworfen wird, wobei das zusätzliche Feld eine zu dem gleichförmigen Feld parallele Komponente aufweist und in einer Richtung inhomogen ist, der sich von der Inhomogenität des HF-Feldes unterscheidet; dies kann dadurch bewirkt werden, daß ein Gleichstromimpuls durch ein geeignet geformtes und angeord­ netes Spulensystem geleitet wird. Die Wirkung des getakteten Gleichfeldes besteht darin, die Phaseninkohärenz für ansprechende Kerne außerhalb des ausgewählten Bereichs zu beschleunigen, um so jeglichen Nettobeitrag, den sie zu dem Ausgangssignal liefern, für eine gegebene Zeiteinstellung des Erfassungsimpulses im Anschluß an die vorbereitende Behandlung zu vermindern. Die Wirkung einer Wiederholung der Folge (180N°-Impuls - Gleichimpuls) besteht darin, die räumliche Auflösung zu verbessern.

Wie bei herkömmlichen Verfahren ist es normalerweise bei einer gegebenen Untersuchung wünschenswert, Daten von einer Serie von Signalgewinnungen zu sammeln, die auf ähnliche Art an derselben Probe durchgeführt werden. Aus Gründen, die nachfolgend vollständiger erläutert werden, ist es bei Verwendung von erfindungsgemäßen Verfahren häufig vorteil­ haft, es so einzurichten, daß eine Hälfte der Meßreihe unter Verwendung einer vorbereitenden Behandlung durchgeführt wird, die zu einer Netto-Magnetisierung derjenigen Kerne der Kernart führt, welche innerhalb des ausgewählten Be­ reiches gelegen sind und die parallel zur Richtung des gleichförmigen Feldes orientiert sind, und daß die andere Hälfte der Reihe unter Verwendung einer vor­ bereitenden Behandlung durchgeführt wird, welche zu der Netto-Magnetisierung derjenigen Kerne der Kernart führt, welche innerhalb des ausgewählten Bereiches gelegen sind und welche anti-parallel zur Richtung des gleichförmigen Feldes orientiert sind; gewöhn­ lich ist es angebracht, es so einzurichten, daß diese zwei Arten von vorbereitender Behandlung sich durch die Reihe hindurch abwechseln, aber das ist nicht wesentlich.

Es ist natürlich einzusehen, daß die benötigten NMR-Signale, die aus dem ausgewählten Bereich stammen, von unterschied­ lichen Vorzeichen für die beiden Hälften der Reihe sind, so daß die Datenansammlung eine Addition für eine Hälfte und eine Subtraktion für die andere Hälfte beinhalten muß; dies hat die Wirkung, daß in dem Gesamtergebnis mögliche unerwünschte Beiträge ausgelöscht werden, die aus bestimm­ ten Bereichen der Probe außerhalb des ausgewählten Berei­ ches stammen können.

Wo Gleichstromimpulse in der vorbereitenden Behandlung ver­ wendet werden, kann es in einigen Fällen auch vorteilhaft sein, es so einzurichten, daß die Dauer und/oder Intensität dieser Impulse sich in einer zufälligen Art von einer Operation zu einer anderen der Reihe verändert, um auf diese Weise die Möglichkeit einer koinzidenten Verstärkung eines unerwünschten Beitrags zu den Ausgangssignalen zu vermeiden.

In einigen Fällen kann es erwünscht sein, bekannte Techni­ ken anzuwenden, welche den Wechsel der HF-Phase für den Erfassungsimpuls von einem Meßvorgang der Reihe zur nächsten umfassen. In solchen Fällen ist es gewöhnlich günstig (aber nicht wesentlich), einen entsprechenden Wechsel in der HF-Phase bezüglich der in der vorbereitenden Behand­ lung verwendeten 180N°-Impulse vorzunehmen. Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 schematisch einen Teil einer Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung;

Fig. 2 schematischen Feldverlauf der in Fig. 1 ge­ zeigten HF-Spule;

Fig. 3 schematisch die Rotation der Kernmagnetisierung in dem Feld von Fig. 2; und

Fig. 4 eine experimentelle Zeitfolge bei der Durchfüh­ rung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Teil eines NNR-Spektrometers (Kern­ resonanzspektrometer), welches auch einen herkömmlichen Sender und Empfänger (nicht gezeigt) umfaßt. Das Spektro­ meter umfaßt einen großen Magnet, der nur durch gegenüber­ liegende Polstücke 10 angedeutet ist, zwischen welchen ein starkes und in hohem Maße gleichförmiges Feld B₀ erzeugt. Das Feld erstreckt sich parallel zu der vertikalen Achse der Zeichnungsebene, welche gemäß üblicher Übereinkunft als Z-Achse bezeichnet wird. Eine kreisförmige HF-Spule 12 ist zwischen den Polstücken 10 angebracht, wobei ihre Achse senkrecht zur Zeichenebene liegt. Die Spule 12 dient zum Anlegen eines Erregungssignals und zum Extrahieren eines Induktionsabklingsignals und besitzt Klemmen 14 zur äußeren Verbindung mit dem Sender und Empfänger. Ein Probenhalter 22 ist zum Anbringen einer inhomogenen Probe so angeordnet, daß der interessierende Bereich nahe der Spule 12 auf ihrer Achse und auch innerhalb des Feldes B₀ liegt. Die Hauptdimensionen der Homogenität der Probe erstrecken sich parallel zu der Papierebene, und die Richtung der Inhomo­ genität geht entlang der Achse der Spule 12. Um zu ermög­ lichen, daß die Probe einem getakteten Magnetfeldgradienten unterworfen wird, ist ein Paar koaxialer kreisförmiger Spulen 24 vorgesehen, die auf beiden Seiten des Probenhal­ ters 22 angebracht sind, wobei ihre Achsen entsprechend der horizontalen Zeichenebenenachse verlaufen, und wobei die Spulen 24 entgegengesetzt gewickelt sind und nach Er­ fordernis von einer getakteten Gleichstromenergiequelle (nicht gezeigt) über Anschlüsse 28 erregt werden. Das Mag­ netfeld, das erzeugt wird, wenn die Spulen 24 erregt werden, weist eine Komponente parallel zu dem Feld B₀ auf, welche einen Gradienten in Richtung der Achsen dieser Spulen be­ sitzt.

Der Sender arbeitet so, daß er HF-Impulse mit einer Hoch­ frequenz erzeugt, die nahe den Resonanzfrequenzen der inte­ ressierenden Kerne eingestellt ist, das heißt, einen Wert (als Winkelfrequenz ausgedrückt) von annähernd γB₀ besitzt, worin γ das relevante gyromagnetische Verhältnis ist. Die Impulse besitzen eine feste Amplitude, aber eine steuerbare Zeiteinstellung und Dauer, und es ist Vorsorge dafür ge­ troffen, daß die HF-Phase für einen gegebenen Impuls aus einem von vier möglichen Werten (relative Phasen 0°, 90°, 180° und 270°) auszuwählen ist; auf diese Weise kann durch geeignete Operation einer Programmiereinrichtung eine für einen gegebenen Versuch geeignete Folge von Impulsen von dem Sender an die Spule 12 angelegt werden. Die von der Spule 12 aufgenommenen resultierenden Signale werden dem Empfänger zugeführt, in welchen sie kohärent gleichgerich­ tet werden. Die gleichgerichteten Signale werden abgetastet, um Daten zu schaffen, aus welchen das gewünschte Spektrum durch herkömmliche Fourier-Transformation abgeleitet werden kann. Natürlich ist Vorsorge für die Sammlung von Daten von einer Reihe von Signalgewinnungen getroffen, welche auf ähnliche Art an derselben Probe ausgeführt werden. Vorzugs­ weise umfaßt das kohärente Gleichrichtungssystem in dem Empfänger ein Paar phasenempfindlicher Detektoren, die in Phasenquadratur arbeiten, das heißt, mit entsprechenden Bezugssignalen, welche in der Phase um 90° differieren; in diesem Fall ist es natürlich erforderlich, zwei getrennte Speichereinrichtungen in dem Datensammlungssystem vorzusehen.

Der Betrieb der Vorrichtung wird zunächst anhand von Fig. 2 betrachtet, welche die allgemeine Form (in der Ebene senkrecht zur Z-Achse, welche die Achse der Spule 12 enthält) des HF-Magnetfeldes zeigt, welches erzeugt wird, wenn die Spule 12 einen Erregungsimpuls erhält. Die Spule 12 dient dazu, ein Feld zu schaffen, welches eine Nutation der Spins magnetischer Kerne in der Probe bewirkt, ebenso wie es die HF-Spule eines herkömmlichen NMR-Spektrometers tut, welches zur Durchführung von Messungen an einer homogenen Probe verwendet wird. Bei dem letzteren Zusammen­ hang wäre aber die Spule normalerweise so konstruiert, daß die Probe einem gleichförmigen HF-Feld ausgesetzt ist. In dem vorliegenden Fall wird es absichtlich gefordert, einen Feldgradienten durch die Probe zu erzeugen. In Fig. 2 ist das Flußmuster durch Linien 30 angedeutet, und die Feld­ profile (das heißt die Linien konstanter Intensität) sind durch die Linien 32, 34 und 36 angedeutet. Obwohl das Feld rotationssymmetrisch bezüglich der Achse der Spule 12 ist, ist zu beachten, daß der interessierende Parameter der Wert der Komponente (B₁) des Feldes ist, welcher senkrecht zu der Z-Achse gerichtet ist, und diese zeigt nicht die gleiche Rotationssymmetrie, da für alle Punkte außerhalb der Ebene von Fig. 2 eine von Null abweichende Komponente des Feldes vorhanden ist, die parallel zur Z-Achse gerichtet ist. Die Oberfläche der Konstante B₁ (deren Spuren in der Ebene von Fig. 2 Linien wie beispielsweise 32 bis 36 entsprechen) besitzen also eine etwas verzerrte kugelförmige Gestalt. Die Lage der Probe ist durch die Linien 38 und 40 in Fig. 2 angedeutet, und es ist einzusehen, daß diese so gewählt ist, daß der interessierende Bereich annähernd mit einer besonderen Fläche der Konstante B₁ zusammenfällt; in der nachfolgenden Beschreibung wird angenommen, daß dies die der Linie 34 entsprechende Fläche ist. Praktisch ist es angebracht, die Operation in Beziehung zu Schichten finiter Dicke zu betrachten, die den Flächen der Konstante B₁ ent­ sprechen; zwei solche Schichten sind bei 42 und 44 in Fig. 2 angegeben.

Vor Betrachtung des experimentellen Vorgehens wird kurz die theoretische Basis besprochen, von der aus das Vorgehen entwickelt ist. Das Feld B₀ kann als Ausrichtungsfeld be­ zeichnet werden, da in dem Gleichgewichtszustand die Kern­ spins um die Richtung des Feldes herum mit der Larmor­ frequenz präzidieren und eine Netto-Magnetisierung in die­ ser Richtung erzeugen. Die Präzession tritt in zufälliger Phase auf, so daß die Komponenten der Quermagnetisierung (senkrecht zur Z-Achse) sich zu 0 summieren. Wie üblich kann die Wirkung des Anlegens eines HF-Impulses, der eine Magnetfeldkomponente B₁ senkrecht zu B₀ aufweist, am be­ quemsten in Form eines Bezugsrahmens betrachtet werden, der um die Z-Achse mit der Hochfrequenz rotiert, so daß B₁ durch einen Vektor wiedergegeben werden kann, der in einer gegebenen Richtung in der XY-Ebene orientiert ist, wobei diese Rich­ tung von der Hochfrequenzphase abhängt und üblicherweise als die X-Achse für die relative Nullphase genommen wird. In diesem rotierenden Rahmen präzessiert die nukleare Magnetisierung um die Richtung B₁ herum mit einer Winkel­ frequenz, die gleich γB₁ ist. Die Spins werden unter dem Einfluß des Hochfrequenzfeldes in der Phase geordnet, so daß bei Fortschreiten der Präzession über einen Winkel θ während des Impulses eine Nettokomponente transversaler Magnetisierung entwickelt wird, welche sich mit dem Sinus von θ verändert; diese transversale Komponente hat also einen Maximalwert, wenn θ = 90° ist, und ist Null, wenn θ = 180° ist. Ein besonderer Impuls ist (wie üblich) durch den relevanten Wert von θ bezeichnet (= γB₁t_p rad, worin t_p die Dauer des Impulses ist); beispielsweise ist ein 90°-Impuls ein solcher, für welchen gilt t_p = π/2γB₁.

Das freie Induktionsabklingsignal, welches im Anschluß an die Erregung mit einem HF-Impuls entsteht, hat natürlich eine maximale Stärke für einen 90°-Impuls, aber in der Praxis ist es oft angebracht, einen kleineren Wert von θ zu verwenden (möglicherweise nur 30°). Es ist auch wichtig zu bemerken, daß der Bereich von Frequenzen, über welche eine effektive Erregung für einen Impuls der Dauer t_p auf­ tritt, eine Breite in der Größenordnung von 1/t_p hat, und t_p muß natürlich ausreichend klein gemacht werden, um sicherzustellen, daß dies den vollen Bereich chemisch verschobener Resonanzfrequenzen bezüglich des interessie­ renden Kernes überdeckt, für welchen spektrale Daten be­ nötigt werden.

In dem vorliegenden Fall werden die vorgenannten allgemei­ nen Betrachtungen natürlich im Zusammenhang mit einer Si­ tuation angewandt, in welcher der Wert von B₁ absichtlich veranlaßt wird, sich durch die Probe hindurch zu verändern. Die Frage räumlicher Diskriminierung wird nun anhand von Fig. 2 in Beziehung zu der Schicht 44 (welche den ausge­ wählten Bereich bildet, von welchen man Signale zu erhalten wünscht) und zu der Schicht 42 (welche einen Bereich wieder­ gibt, von welchem unerwünschte Signale ausgehen können) betrachtet; die Werte von B₁ für die Schichten 44 und 42 werden als B₁(S) und B₁(U) bezeichnet, und eine ebensolche Übereinkunft wird bezüglich des Winkels θ verwendet. Es sei angenommen, daß bei anfänglichem Gleichgewichtszustand der Probe ein HF-Impuls so angelegt wird, daß θ(S) 90° beträgt, um auf diese Weise das Abklingsignal von der Schicht 44 zu maximieren. Dann wird θ (U) größer als 90°, da B₁(U) größer ist als B₁(S), da die Schicht 42 dem Zen­ trum der Spule 12 näher ist als die Schicht 44. Im allge­ meinen wird aber noch eine Reaktion von der Schicht 42 erhalten, da die Spins in der Schicht 42 während der Erre­ gung kohärent bleiben und das durch die Schicht 42 beige­ tragene Abklingsignal nur vermindert wird, weil θ 90° über­ schritten hat. Die Erfinder haben aber eingesehen, daß in der Schicht 44 Kohärenz bewahrt werden kann, während zuge­ lassen wird, daß sich in der Schicht 42 Inkohärenz ent­ wickelt durch ein Vorbereitungsstadium, das die Anwendung von wenigstens einem Impuls umfaßt, für welchen θ(S) 180° beträgt. Solch ein Impuls wird geeignet als ein 180°(S)-Impuls bezeichnet.

Anhand von Fig. 3 wird die Operationsfolge zunächst für einen Versuch angegeben, der einen Wert der effektiven transversalen Relationszeit T₂* umfaßt, welche klein ist relativ zu der Spin-Gitter-Relaxationszeit T₁. Es ist ein­ zusehen, daß solch ein Zustand von Natur aus die erzielbare spektrale Auflösung begrenzt und als extremes Beispiel des Anwendungsbereichs der Erfindung angesehen werden kann.

Eine anfängliche Ausrichtung der Spins in der Richtung +Z wird in den Schichten 42 und 44 angenommen. Bei Anlegen eines 180°(S)-Impulses auf der X-Achse in dem Rotationsrah­ men wird der Magnetisierungsvektor in der Schicht 44 in der YZ-Ebene von +Z nach -Z gedreht, und ein nachfolgender Ge­ winnungsimpuls (mit θ(S) im Bereich 30 bis 90°) erzeugt eine Querkomponente der Magnetisierung in der Richtung -Y und ein folgerichtiges freies Induktionsabklingsignal. In der Schicht 42 verursacht der erste Impuls eine Rotation des Magnetisierungsvektors über die Richtung -Z hinaus bis zu einem Winkel, der durch die Stellung Q wiedergegeben ist. Die Relaxation tritt dann in der Ebene 50 auf, welche den Punkt Q enthält und parallel zu der XY-Ebene liegt. Da T₂* klein ist, tritt die Phaseninkohärenz rasch auf, und bei Anlegen des Erfassungsimpulses ist jegliche Quermagnetisie­ rungskomponente, welche erzeugt wird, relativ klein. In dem Fall, in welchem θ(S) für den Erfassungsimpuls 90° beträgt, wird es weiter vermindert, da θ (U) für diesen Impuls größer als 90° ist. Wiederholungen des 180°(S)-Impulses vor der Erfassung (Akquisition) vermindern fortschreitend jeglichen Beitrag des Abklingsignals, welcher durch die Kerne der Schicht 42 geliefert wird, und typisch wäre es angebracht, insgesamt 4 oder 5 180°(S)-Impulse zu verwenden.

Allgemeiner besitzen die interessierenden Materialien für die hochauflösende Spektroskopie höhere natürliche Werte der Querrelaxationszeit T₂, und bei der experimentellen An­ ordnung ist große Sorgfalt anzuwenden, um sicherzustellen, daß der effektive Wert T₂* so groß wie möglich ist. Ein sehr geringer Verlust an Phasenkohärenz tritt dann während der Relaxation der Magnetisierung in der Ebene 50 auf, die die Schicht 42 darstellt, und wiederholte 180°(S)-Impulse sind nicht in der Lage, eine bedeutende Sättigung zu erzeugen. In dieser Situation wird vorgeschlagen, einen magnetischen Feldgradienten mittels eines Gleichstromimpulses an den Spulen 24 (Fig. 1) im Anschluß an jeden 180°(S)-Impuls an­ zulegen. Aus der auf Fig. 1 bezogenen Beschreibung leuchtet es ein, daß die Spulen 24 so angeordnet sind, daß bei ihrer Erregung Kerne bei verschiedenen Teilen der Schicht 42 unter­ schiedlichen Werten des Feldes parallel zu der Z-Achse aus­ gesetzt sind.

Um die Wirkung des gleichstromgetakteten Feldes zu betrachten, wird, wie vorher anhand von Fig. 3 beschrieben, angenommen, daß ein 180°(S)-Impuls die Magnetisierung von Kernen in der Schicht 44 in die Stellung -Z und diejenige für die Schicht 42 in die Stellung Q gedreht hat. Wenn jetzt der Feldgra­ dient angelegt wird, sind die Spins im Gleichgewicht bei -Z unbeeinflußt. Die Spins in der Schicht 42 präzessieren anfänglich in der Ebene 50 im wesentlichen mit der gleichen Geschwindigkeit, so daß sie in Phase bleiben. Derartige Spins werden nun einem Magnetfeld unterworfen, welches sich mit der Stellung in der Schicht 42 verändert, und ein rascher Verlust an Phasenkohärenz tritt auf, welcher aus­ reichend sein kann, den Beitrag zu dem Ausgangssignal im An­ schluß an einen Gewinnungspuls auf einen tolerierbar niedri­ gen Wert zu vermindern. Alternativ kann die Folge eines 180°(S)-Impulses und eines Gleichstromgradienten-Impulses vor der Gewinnung ein oder mehrere Male wiederholt werden.

Eine mögliche Komplikation kann in Fällen entstehen, in denen es in der Probe einen Bereich gibt, wo B₁ einen Wert der Größe 2B₁(S) hat, da für einen derartigen Bereich der 180°(S)-Impuls die Wirkung eines 360°-Impulses hat, so daß die Kohärenz erhalten bleibt. Dies ist von geringer Bedeu­ tung, wenn θ(S) so gewählt wird, daß es 90° für den Ge­ winnungsimpuls beträgt, da der Gewinnungsimpuls dann für den betroffenen Bereich ein 180°-Impuls ist, kann aber einen wesentlichen unerwünschten Beitrag zu dem Abklingsignal in Fällen herbeiführen, wo θ(S) für den Gewinnungsimpuls wesent­ lich von 90° abweicht. Wenn man aber die Differenz zwischen zwei Signalen nimmt, die jeweils nach vorbereitenden Behand­ lungen gewonnen sind, welche n und (n+1) 180°(S)-Impulse um­ fassen, verstärken die Beiträge zu den beiden Signalen von dem gewählten Bereich einander, wogegen die Beiträge von jedem Bereich B₁ einen Wert 2B₁(S) (und auch von jedem Be­ reich, wo B₁ klein ist) effektiv einander löschen. In der Theorie sollte man auch das mögliche Vorhandensein von Be­ reichen berücksichtigen, wo der Wert von B₁ ein größeres Vielfaches von B₁(S) ist, aber in der Praxis ist es norma­ lerweise möglich, die Geometrie des Hochfrequenzfeldes so anzuordnen, daß solche Bereiche innerhalb des Teils der Probe, welche dem Feld B₀ unterworfen wird, nicht auftreten.

Wo Daten von einer Reihe von Signalgewinnungen angesammelt werden, ist es natürlich erforderlich, angemessene Inter­ valle für die Relaxation zu dem Gleichgewichtszustand zwi­ schen aufeinanderfolgenden Operationen der Reihe zuzulassen. Die gleiche Hochfrequenzphase wird durch die gesamte Reihe hindurch verwendet, wo ein auf eine einzelne Phase empfind­ licher Demodulator in dem Empfänger verwendet wird, wenn aber das Demodulationssystem mit 90° Phasenverschiebung an­ gewandt wird, wird vorzugsweise ein bekanntes Verfahren angewendet, bei welchem die vier möglichen Werte der Hoch­ frequenzphase für gleiche Anzahlen der Signalgewinnungen verwendet werden, wobei die Daten den zwei Speichereinrich­ tungen angemessen zugeteilt werden. Wie in der GB-PS 1 496 886 erläutert, ermöglicht es dieses Verfahren, daß Fehler, die sich aus Ungleichheiten der Verstärkung ergeben, und ein Phasenverschiebungsfehler zwischen den zwei Kanälen des Empfängers kompensiert werden, und ermöglicht außerdem, daß das systematische Rauschen ge­ löscht wird. Bei Verwendung des 4-Phasenverfahrens in Ver­ bindung mit dem in dem letzten Absatz erwähnten Differenzier­ verfahren bringt dies insgesamt 8 verschiedene Operations­ typen mit sich, welche geeignet so angeordnet werden, daß sie in einer zyklischen Folge auftreten. Die relevanten Kennwerte für die 8 Operationstypen sind in der nachfolgen­ den Tabelle angegeben; bei Bezeichnung der zwei Demodula­ toren mit D₁ und D₂ und der zwei Speichereinrichtungen mit M₁ und M₂ gibt die Spalte (a) die relative Hochfrequenzphase an (von der angenommen wird, daß sie für die 180°(S)-Impulse in der vorbereitenden Behandlung und für den Gewinnungsimpuls gleich ist), die Spalte (b) gibt an, ob die Anzahl von 180°(S)-Im­ pulsen in der vorbereitenden Behandlung gerade oder unge­ rade ist, und die Spalte (c) und (d) geben an, an welche der Speichereinrichtungen die über die Demodulatoren D₁ und D₂ jeweils abgeleiteten Daten angelegt werden, zusammen mit den passenden Vorzeichen für das Anlegen der Daten.

Tabelle

Die allgemeinen Bedingungen und die gesamte Zeitskala einer geeigneten Form eines ³¹P-Versuchs wird anhand von Fig. 4 angegeben. Für ein Ausrichtungsfeld B₀ von etwa 40 kG liegt die Larmorfrequenz nahe bei 70 MHz, und die Hochfrequenz wird dementsprechend eingestellt. Für einen besonderen aus­ gewählten Bereich könnte die Dauer eines 180°(S)-Impulses geeignet mit 55 µs festgelegt werden. In Fig. 4 stellt die horizontale Achse die Zeit dar (aber nicht maßstabsgerecht), und die vertikale Achse gibt die Amplitude wieder. Die hori­ zontalen Stufen 60, 62, 64 geben jeweils die Operation des Senders, der Gleichstrom-Impulsquelle bzw. des Empfängers an. Eine vollständige Gewinnungsfolge nimmt eine Zeitspanne AE in Anspruch, die ein Vorbereitungsstadium AB umfaßt, ferner ein Gewinnungsstadium BC sowie ein Relaxationsstadium DE, welches die gesamte Abklingzeitspanne des Stadiums BC überlappt. Das Stadium AB beginnt mit einem 180°(S)-Impuls 66, auf welchen unmittelbar ein Gleichstromimpuls 68 von einigen ms Dauer folgt. Die Operation des Instruments kann das Vorsehen einer kurzen Verzögerung FB erforderlich machen. Um die räumliche Auflösung des ausgewählten Bereichs zu verbessern, sollte das Stadium AB mehrere Male wiederholt werden, aber diese Wiederholung sollte nicht bis zu dem Punkt durchgeführt werden, daß die Größe des ausgewählten Be­ reichs so klein ist, daß sie zu einem unbedeutenden Empfangs­ signal führt. In einigen Fällen kann auch die Spin-Gitter-Re­ laxationszeit der für die Wiederholung erhältlichen Zeit eine Grenze setzen. Angenommen, das Stadium AB wird n mal wiederholt. Ein Gewinnungsimpuls 70 von einer Dauer, die so gewählt ist, daß sie den gewünschten Wert von θ(S) in dem Bereich 30° bis 90° ergibt, wird dann angelegt, und ein freies Induktionsabklingsignal 72 wird in dem Empfänger über eine Zeitspanne DC beobachtet, welche sich typisch bis zu sagen wir 100 ms oder drei mal T₂* erstrecken könnte. Eine im wesentlichen vollständige Spin-Gitter-Relaxation muß stattfinden, bevor die Folge wiederholt wird, und das Sta­ dium DE hat eine Länge bis zu 3T₁ (etwa 1s oder mehr). Wenn jetzt eine zweite Gewinnungsfolge gefahren wird, welche (n+1) Ausführungen des Stadiums AB umfaßt, und die Differenz zwischen den zwei Ausgangssignalen von den zwei Folgen ge­ nommen wird, wird der Beitrag von Bereichen eliminiert, bei denen B₁ doppelt so groß wie B₁(S) ist. Die Wirkung von Be­ reichen mit kleinem B₁ wird ebenfalls eliminiert. Solch ein Paar von Gewinnungsfolgen wird für jede Reihe einer Reihe von Hochfrequenzphasenwerten genommen, die sich um 90° unter­ scheiden, um Systemfehler usw. zu kompensieren, wie oben er­ wähnt.

Auf der Basis der Erläuterung, welche für den physikalischen Mechanismus der Phasendekohärenz gegeben worden ist, die während der vorbereitenden Behandlung induziert wird, leuchtet es ein, daß gemäß der Erfindung die 180°(S)-Impulse durch Impulse oder Folgen von Impulsen äquivalenter Wirkung er­ setzt werden können. Zum Beispiel kann jeder 180°(S)-Impuls ersetzt werden durch einen 360°(S)-Impuls (oder einen Impuls für welchen θ(S) ein größeres Vielfaches von 180° ist) oder durch ein Paar aufeinanderfolgender 180°(S)-Impulse, die entlang der X-Achse bzw. der Y-Achse angelegt werden (das heißt, sich in der Hochfrequenzphase um 90° unterscheiden). In beiden Fällen würden für eine gegebene Wirkung weniger Gleichstromimpulse benötigt als bei Verwendung einfacher 180°(S)-Impulse. Die Zeitersparnis kann bedeutsam sein bei der Beobachtung eines Ereignisses, das eine kurze Lebens­ dauer hat, in einem Gegenstand mit kurzen nuklearen Spin- Gitter-Relaxationszeiten. Wenn es erwünscht ist, das Diffe­ renzierverfahren in diesen Fällen zu verwenden, sollte ein einzelner 180°(S)-Impuls (gefolgt von einem Gleichstrom-Impuls) der vorbereitenden Behandlung für eine des relevan­ ten Paares von Gewinnungsfolgen, aber nicht die andere, hinzugefügt werden.

Ein weiterer Grad an Lokalisierung wird dadurch ermöglicht, daß in den Versuch die bekannte Technik der Feldprofilierung des Ausrichtungsfeldes B₀ mitaufgenommen wird, bei welcher B₀ ein nicht gleichförmiges statisches Feld überlagert wird, um einen steilen Feldgradienten zu erzeu­ gen außer in einem begrenzten Volumen, das den ausgewählten Bereich umschließt.

In der beschriebenen Anordnung wird der Wert von θ(S) für einen gegebenen Hochfrequenzimpuls durch die Wahl der Dauer des Impulses bestimmt. Es wäre natürlich möglich, statt dessen Impulse fester Dauer zu verwenden und die Impulsampli­ tude zu verändern, um die geforderten Veränderungen von θ(S) zu bewirken, obwohl dies in der Praxis weniger günstig sein könnte.

Claims (3)

1. Verfahren der hochauflösenden Impuls-Kernresonanzspektroskopie, bei welchem wenigstens ein Teil einer zu untersuchenden Probe in ein gleichförmiges statisches Magnetfeld eingetaucht wird und ein Signal, das sich hinsichtlich der Resonanzfrequenz auf eine bestimmte Kernart bezieht, von der Probe gewonnen wird im Anschluß an eine Bestrahlung wenigstens des genannten Teils der Probe mit einem Hochfrequenzimpuls so, daß das HF-Magnetfeld in dem Teil der Probe inhomogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Bestrahlung der Teil der Probe einer vorbereitenden Behandlung unterworfen wird, die das inhomogenisierende Bestrahlen der Probe mit wenigstens einem Impuls derselben Hochfrequenz umfaßt, der eine 180N°-Drehung der Magnetisierung für diejenigen Kerne der genannten Kernart veranlaßt, die innerhalb eines ausgewählten Bereichs des Teils der Probe gelegen sind, wobei N eine ganze Zahl ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbereitende Behandlung auch einschließt, daß der Teil der Probe wenigstens einmal während einer begrenzten Zeitspanne im Anschluß an einen HF-Impuls einem zusätzlichen Magnetfeld unterworden wird, das dem gleichförmigen Feld ein Gradientenfeld überlagert, um die Phaseninkohärenz außerhalb des ausgewählten Bereichs zu beschleunigen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihe von Signalgewinnungen an der Probe auf die genannte Weise durchgeführt wird, wobei aber die vorbereitende Behandlung zwischen zwei Hälften einer Meßreihe sich so unterscheidet, daß für eine Hälfte die vorbereitende Behandlung zu einer Netto-Magnetisierung für die Kerne führt, die parallel zur Richtung des gleichförmigen Feldes orientiert sind, wogegen für die andere Hälfte die vorbereitende Handlung zu einer Netto-Magnetisierung für die Kerne führt, die antiparallel zur Richtung des gleichförmigen Feldes orientiert sind, wobei die von der Meßreihe abgeleiteten Daten angesammelt werden und dabei den Daten bezüglich der beiden Hälften der Meßreihe entgegengesetzte Vorzeichen zugeordnet werden.