DE3336694C2

DE3336694C2 - Kernspin- oder NMR-Darstellungseinrichtung

Info

Publication number: DE3336694C2
Application number: DE3336694A
Authority: DE
Inventors: Raimo Sepponen
Original assignee: Picker Nordstar Oy
Current assignee: Philips Medical Systems MR Technologies Finland Oy
Priority date: 1982-10-11
Filing date: 1983-10-08
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2003-10-09
Also published as: GB2129139A; FI65862C; GB8327028D0; GB2129139B; FI65862B; US4626784A; DE3336694A1; JPS5991345A; FI823444A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine NMR-Darstellungs einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Das Prinzip der Kernspin-Darstellung wurde von P. Lauterbur 1973 vorgestellt (Lauterbur: "Nature", Band 242, 16. März 1973, Seiten 190, 191). Eine Vielzahl von Kernspin- Darstellungsmethoden sind daraufhin entwickelt und bspw. in folgenden US-PS beschrieben worden: 4,070,611, 4,021,726, 4,051,196.

So beschreibt die US-PS 4,021,726 ein NMR-Darstellungsgerät, welches mit zwei Übertragungskanälen ausgestattet ist, wobei der eine Übertragungskanal mit einer Festfrequenz beaufschlagt ist, während im anderen Übertragungskanal eine variable Frequenz übertragen wird. Beide Kanäle werden über eine Anpaßeinheit sowie einen Duplexer auf eine Signalspule geführt, die sich innerhalb eines homogenen Magnetfeldes des Darstellungsbereiches befindet.

Bei NMR-Untersuchungen wird die durch das polarisierende Magnetfeld B₀ hervorgerufene Nettomagnetisierung eines Untersuchungsobjektes mit einem starken Hochfrequenz magnetimpuls der Frequenz ω = ω₀ z. B. 90° aus der Richtung des Magnetfeldes B₀ abgelenkt. Die Frequenz ω₀ ist die sog. LARMOR-Frequenz. Sie ist direkt proportional dem Magnetfeld B₀ gemäß der Formel (1)

ω₀ = γ · B₀ (1)

wobei
γ = gyromagnetisches Verhältnis und
B₀ = Stärke des äußeren Magnetfeldes sind.

Nach dem Abschalten des 90°-HF-Anregungsimpulses präzediert die Nettomagnetisierung in der zur Richtung von B₀ senkrechten Ebene. In der Empfangsspule wird ein sinusförmiges Spannungs signal, das sog. FID-Signal, induziert. Die Amplitude der Signalspannung V_s ist direkt proportional dem Q-Faktor ("Güte") des die Empfangsspule enthaltenden Resonanzkreises. Wenn die elektrischen Verluste am zu untersuchenden Gegenstand vernachlässigt werden, so ist das sich ergebende Signal-/ Rauschverhältnis gleich:

SNR = kNAf (Q ω₀ ³/LB)^1/2 (2)

Darin ist:
k ein unabhängiger Feldkoeffizient,
N die Windungszahl der Detektorspule,
A die Querschnittsfläche der Spule,
f der Füllfaktor,
Q die Güte der Spule,
L die Induktanz der Spule und
B die verwendete Bandbreite.

Wie aus Formel (2) erkennbar, ist das Signal-/Rausch verhältnis, das bei einer NMR-Darstellung erhalten wird, umgekehrt proportional der Quadratwurzel der Bandbreite. Bei der NMR-Darstellung wird das Untersuchungsobjekt einem magnetischen Feldgradienten ausgesetzt. Wenn dieser Gradient den Wert g (T/m) und die Projektion des Untersuchungsobjekts in Richtung des Gradienten die Länge l (m) hat, so ist die Frequenzbandbreite BW eines NMR-Signals, das in der Signalspule induziert wird

Typischerweise ist l = 0,2 m, wenn das darzustellende Objekt ein menschlicher Kopf ist und l = 0,25 m, wenn das Untersuchungsfeld der Toraxbereich des menschlichen Körpers ist. Die benutzten Gradienten liegen im allgemeinen in der Größenordnung von 1 mT/m. Demgemäß ist die Bandbreite eines Signals, das von einem Untersuchungsfeld in Kopfgröße erhalten wird, etwa 8 kHz und vom Toraxbereich 20 kHz.

Unter normalen Krankenhausbedingungen wird von einem NMR-Dar stellungsgerät gefordert, sukzessiv Bilder von Untersuchungs gegenständen verschiedener Größe machen zu können: Bspw. soll eine Körperdarstellung unmittelbar nach einer Kopfdarstellung ausgeführt werden können. Die Bandbreiten, die in beiden Darstellungsfällen angewendet werden, müssen entsprechend dimensioniert sein. Demgemäß ist die benutzte Bandbreite in den meisten der Fälle zu groß, und deshalb ist das Signal-/ Rauschverhältnis niedriger als es im Idealfall sein könnte.

Demgemäß ist es ein Gegenstand der Erfindung eine Kernspin- Darstellungseinrichtung zu schaffen, deren Signal-/Rausch verhältnis optimiert werden kann und zwar in Abhängigkeit vom darzustellenden Gegenstand.

Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die erfindungsgemäße Anordnung wird verwendet, um den Durchmesser und die Lage eines Gegenstandes relativ zum Gradientenfeld zu bestimmen und die für die Signalaufnahme verwendete Bandbreite dementsprechend anzupassen.

Die erfindungsgemäße Einrichtung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert: Es zeigt

Fig. 1 ein allgemeines Blockschaltbild einer Kernspin- Darstellungseinrichtung;

Fig. 2 das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Kernspin- Darstellungseinrichtung;

Fig. 3A, B eine Operationsdarstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung nach der sogenannten Fourierdarstel lungsmethode;

Fig. 4 verdeutlicht die Operation der erfindungsgemäßen Einrichtung nach der sogenannten Projektions- Rekonstruktionsmethode;

Fig. 5 verdeutlicht allgemein die Bestimmung der Gegen standsposition in einem Gradientenfeld;

Fig. 6 A, B, C verdeutlicht verschiedene Prinzipien bezüglich der Bestimmung der Gegenstandspositionen und Dimen sionen und

Fig. 7 verdeutlicht das Beispiel einer Tiefpaßfilter kopplung gemäß der Erfindung.

Wie aus Fig. 1 erkennbar, umfassen die vorbekannten Kernspin-Darstellungseinrichtungen einen Magneten 1 für die Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes in der Darstellungsregion, die umgeben ist von einer Signalspule 2, welche als Transmitter von HF-Signalen dient und als Aufnehmer für resultierende NMR-Signale, einen Satz von Gradientenspulen 3 für die Erzeugung von x-, y- und z-gerichteten Magnetfeldgradienten und aus einer Adaptereinheit 4 für die Anpassung der Signalspule an einen Vorverstärker 5 und Hochfrequenztransmitter 6. Der Vorverstärker 5 ist mit einem Verstärker 7 verbunden, um ein Signal ausreichend für einen Quadraturdetektor 8 zu verstärken. Ein erfaßtes Signal läuft durch Tiefpaßfilter 9, 10 und das Filterergebnis wird in Umsetzern 11, 12 digitalisiert. Die gesammelte Signalinformation wird in einem Prozessor 13 weiterverarbeitet, in den die Bedienperson ggf. noch andere Darstellungsparameter durch ein Terminal 14 eingibt. Das Darstellungsergebnis wird auf einer Videotafel 15 angezeigt. Der Prozessor 13 steuert auch eine Gradientenstromquelle 16 der Einrichtung für die Speisung eines Satzes von Gradientenspulen 3 mit den Strömen, die für die Erzeugung der Gradientenfelder erforderlich sind. Die Einrichtung umfaßt ferner einen stabilen Basisfrequenzausgabeoszillator 17, einen Modulator 18 und einen Phasenschieber 19.

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm für eine Kernspin-Darstellungs einrichtung gemäß der Erfindung, wobei zusätzlich zu den beschriebenen Elementen gemäß Fig. 1 Elemente 20 für die Bestimmung der Objektdimension und Position im Darstellungsraum und ferner Elemente 21 für die Verarbeitung der Dimensions- und Positionsinformationen zur Steuerung der Tiefpaßfilter 9, 10 vorgesehen sind.

In Fig. 3A ist ein zylindrischer Gegenstand K in einem Gradientenfeld GR positioniert dargestellt, dessen Stärke a T/m beträgt. In Fig. 3B ist ein kleinerer Körper K′ in einem Gradientenfeld GR verdeutlicht.

Bei NMR-Darstellungsverfahren wird ein darzustellender Körper durch einen Anregungsimpuls erregt. Dann wird das angeregte Kernsystem mit einem Phasencodiergradienten in einer bestimmten Richtung codiert, und es wird das codierte Kernspin-Signal unter Einfluß eines Auslesegradienten gelesen. Das Frequenzspektrum des Signals, das unter der Wirkung des Auslesegradienten beobachtet werden kann, hängt ab von den Dimensionen des Gegenstandes. Wie durch die Fig. 3A, 3B verdeutlicht wird, ist das Frequenzband eines von einem Gegenstand herrührenden Signals im Gradientenfeld gemäß Formel (3)

im Falle der Fig. 3A und korrespondierend · ax′ im Falle der Fig. 3B.

Demgemäß ist die erforderliche Bandbreite für die Darstellung des Gegenstandes gemäß Fig. 3B kleiner als die, die erforderlich ist für die Darstellung des Gegenstandes gemäß Fig. 3A. Nun wird der Gegenstandsdurchmesser und seine Position im Gradientenfeld durch die Elemente 20 bestimmt und, basierend auf dem erhaltenen Resultat, wird die Bandbreite der Tiefpaßfilter 9, 10 unter Verwendung der Elemente 21 eingestellt. Demgemäß wird im Falle der Fig. 3B eine Verbesserung im Signal-/Rauschverhältnis in der Größenordnung von erreicht. Wenn beispielsweise x=2x′ beträgt, so beträgt die erreichbare Verbesserung im Signal-/ Rauschverhältnis angenähert das 1,4fache, was bei der Darstellung eines ganzen Körpers mit einem Anwachsen der Magnetfeldstärke um das 1,4fache korrespondiert.

Bei Projektions-Rekonstruktionsverfahren wird ein Gegenstand dadurch abgebildet, daß man die Gegenstandsebene erregt und ein daraus resultierendes NMR-Signal mit einem sich in verschiedener Richtung erstreckenden Gradientenfeld ausliest. Der Aufnahmezyklus wird verschiedene Male wiederholt, wobei jedesmal die Richtung eines Auslesegradienten gewechselt wird. Die gesammelten Signale werden einer Spektralanalyse unterworfen, und die sich ergebenden Darstellungen werden benutzt, um ein Bild der inneren Struktur eines Körpers durch Anwendung vorbekannter Methoden zu erzeugen.

Das Arbeitsprinzip der erfindungsgemäßen Einrichtung bei der Projektions-Rekonstruktionsmethode ist in Fig. 4 dargestellt. Ein darzustellender Körper K′′ ist in der Praxis nicht zylindrisch-symmetrisch; aus diesem Grund wird beim Empfang der NMR-Signale vorzugsweise eine Bandbreite verwendet, die der längsten Projektion des Gegenstandes relativ zur Richtung eines der Auslesegradienten entspricht. Die Bandbreite muß · ΔB¹_GR betragen, worin ΔB¹_GR die Änderung im Magnetfeld ist, verursacht durch den Gradienten GR¹ über dem Körper. Korrespondierend ist im Fall GR² die Bandbreite · ΔB²_GR und bei GR³ ist sie · ΔB³_GR. Gemäß Fig. 4 ergibt sich

Die Elemente 20 gemäß der Erfindung bestimmen die Dimension eines Körpers relativ zur Gradienteneinrichtung, und diese Elemente steuern die Filter 9, 10 derart, daß die Bandbreite optimiert wird.

Fig. 5 verdeutlicht einen allgemeinen Fall hinsichtlich der Positionierung eines Gegenstandes asymmetrisch zu einem Gradientenfeld. Die Bandbreite der Filter 9, 10 muß in diesem Fall (2 l-e) a Hz betragen.

Die Elemente 20 bestimmen nicht nur die Dimension oder die Ausdehnung der Projektion eines Körpers, sondern auch die Position eines Körpers in einem Gradientenfeld und die Elemente 21 stellen die Bandbreite der Filter 9, 10 auf ihr Optimum ein.

Die Fig. 6A bis 6C zeigen verschiedene Möglichkeiten zur automatischen Bestimmung der Dimension und Position eines Körpers. Gemäß Fig. 6A umfaßt das Element 20 eine Lichtquelle 22, die einen kollimierten Lichtstrahl auf eine Fotozelle 23 wirft. Die Lichtquelle und die Fotozelle sind auf Führungen 25 verstellbar angeordnet, um die Position eines Körpers relativ zum Gradientenfeld auffinden zu können. Korrespondierend dazu bestehen gemäß Fig. 6B die Elemente 20 aus einem Ultraschallradar 26, 27, während Fig. 6C die Bestimmung der Größe und Position eines Körpers K in einem Gradientenfeld durch Verwendung einer Lichtquelle und einer Fotozelle verdeutlicht. In jedem der oben erwähnten Fälle muß die Abtastrichtung von Sensoren oder die Anordnung einer Reihe von Sensoren so bewirkt werden, daß sie mit der Richtung eines Magnetfeldgradienten übereinstimmt. Demgemäß muß, wenn eine Projektionsdarstellungsmethode angewendet wird, die Reihe von Sensoren ausgerichtet werden können gemäß der Richtung eines jeden gegebenen Gradienten. Es ist jedoch auch möglich, nur die Dimension und Lage eines Körpers in zwei Richtungen zu bestimmen, die senkrecht zueinander stehen und das erhaltene Resultat zu benutzen, um die Bandbreite der Filter 9, 10 zu steuern.

Die notwendige Handbreiteneinstellung kann auch bewirkt werden durch Steuerung der Bandbreite der Filter 9, 10 mittels eines Signals, das mit dem Durchmesser einer Signalspule korrespondiert: der Durchmesser einer Signalspule kann entsprechend der Größe eines Gegenstandes geändert werden, wenn die Spule im Sinne der DE-OS 33 23 657 verstellbar ausgebildet ist. Demgemäß können die Elemente zur Veränderung des Spulendurchmessers mit Elementen zur Erzeugung eines Signals kombiniert werden, das mit dem Durchmesser einer Spule korrespondiert, und dieses Signal kann benutzt werden, um die Bandbreite der Filter 9, 10 zu ändern.

Es ist bekannt, daß eine erforderliche Abtastfrequenz für die Rekonstruktion eines Signals zweimal so hoch ist wie die höchste Frequenz, die im Signal enthalten ist. So ist es bspw. möglich, die Information, die wie oben beschrieben erhalten wurde, für die Bestimmung der Abtastfrequenz der A/D-Umsetzer 11, 12 zu benutzen.

Die Filter 9, 10 können aufgebaut werden bspw. durch Verwendung eines frequenzgesteuerten Aktivfilterschaltkreises (z. B. NSC MF 10). Fig. 7 zeigt ein Tiefpaßfilter 4. Ordnung, welches für den hier vorgesehenen Gebrauch geeignet ist. Die Grenzfrequenz f_r des Tiefpaßfilters kann bestimmt werden durch die Frequenzelemente f_CLK eines Steuersignals CLK wie folgt:

f_r = f_CLK/50

f_CLK wird auf der Basis der Information gefunden, die bezüglich der Position und Dimension von dem Element 20 erhalten wurde. Die bzw. das Element 21 ist vorzugsweise als Mikroprozessor ausgebildet, der die erhaltene Information verarbeitet und basierend darauf das CLK-Signal bildet.

Claims

1. NMR-Darstellungseinrichtung, bestehend aus Elementen (1) zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes in einem räumlichen Darstellungsbereich, in dem sich ein zu untersuchendes Objekt befindet, und Mitteln (3) zur Erzeugung von einem oder mehreren, senkrecht zueinander stehenden Magnetfeldgradienten innerhalb des homogenen Magnetfeldes sowie einer HF-Spule (2), die zumindest den Darstellungsbereich umgibt, der der Erregung des Untersu chungsobjekts und zum Empfang der NMR-Signale aus dem Objekt dient, bestehend desweiteren aus Verstärkern (5, 7) und Filtern (9, 10) die der HF-Spule nachgeordnet sind zum Detektieren der NMR-Signale des Objekts sowie Signal wandlungs- (11, 12) und Signalverarbeitungsmittel (13), dadurch gekennzeichnet, daß Elemente (20) als Sensoren zur Ermittlung der Dimension und der Position des Teils des darzustellenden Objekts in Richtung des jeweiligen zur Darstellung verwendeten Feldgradienten vorgesehen sind und daß den Sensorelementen (20) Steuerelemente (21) zugeordnet sind, welche weiterhin mit den Filtern (9, 10) verbunden sind, wobei die Filter (9, 10) über eine veränderbare Bandbreite verfügen, die in Abhängigkeit der seitens der Sensorelemente (20) ermittelten Dimensions- und Positionsergebnisse mittels der Steuerelemente (21) eingestellt wird.

2. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (20) über Mittel zur größenmäßigen Einstellung der Signalspule (2) gemäß DE-OS 33 23 657 verfügen.

3. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (9, 10) als Tiefpaßfilter ausgebildet sind.

4. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (20) zur Bestimmung der Position und Dimension eines darzustellenden Objekts eine oder mehrere Lichtquellen (22) und Fotozellen (23) enthalten.

5. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (20) zur Bestimmung der Position und Dimension eines darzustellenden Objekts eine Ultraschall-Transmitter-Aufnehmeranordnung (26, 27) umfassen.

6. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Elemente zur Einstellung der Sensorelemente (20) vorgesehen sind, zur Bestimmung der Position und Dimension eines darzustellenden Objekts in jeder gegebenen Richtung eines Gradientenfeldes.

7. Einrichtung gemäß Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das aufgenommene und über die Filter (9, 10) gefilterte Signal Analog/Digital-Umsetzern (11, 12) zugeordnet ist, deren Abtastfrequenz in Abhängigkeit von der Bandbreite der Filter (9, 10) für eine optimale Signalverarbeitung veränderbar ist.

8. Einrichtung gemäß Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet. daß die Filter (9, 10) derart ausgebildet sind, daß deren Bandbreite durch eine äußere Taktfrequenz veränderbar ist.