DE3545391A1

DE3545391A1 - Verfahren zum erzeugen magnetischer kernresonanz eines gegenstandes und eine vorrichtung zu dessen durchfuehrung

Info

Publication number: DE3545391A1
Application number: DE19853545391
Authority: DE
Inventors: Kazutoshi Katsuta Ibaraki Higuchi; Munetaka Mito Ibaraki Tsuda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1984-12-21
Filing date: 1985-12-20
Publication date: 1986-07-03
Anticipated expiration: 2005-12-21
Also published as: DE3545391C2; JPS61148357A; US4757260A; GB8530899D0; JPH0738849B2; GB2169413B; GB2169413A

Description

Hitachi, Ltd. 20. Dezember 1985

6, Kanda Surugadai 4-chome, H 6720 Al/ke

Chiyoda-ku, Tokyo, Japan

Beschreibung

Verfahren zum Erzeugen magnetischer Kernresonanz eines Gegenstandes und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung magnetischer Kernresonanz eines Gegenstandes und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung magnetischer Kernresonanz in einer Vielzahl von Scheiben eines Gegenstandes und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung.

Das Phänomen magnetischer Kernresonanz ist für die Strukturanalyse von organischen Verbindungen und zum Studium der physikalischen Eigenschaften auf dem Gebiet der Physik verwendet worden und findet zur Zeit Anwendungen selbst auf dem Gebiet der medizinischen Diagnose. Insbesondere ist berichtet worden, daß Datensignale, bezogen zur Relaxationszeit T (oft auch Spin*Gitter Relaxationszeit oder longitudinale Relaxacionszeit genannt), welche als magnetische Kernresonanzsignale dienen, sehr wirksam zum Nachweis von Krebs sind.

Eine Vorrichtung, welche so aufgebaut ist, daß sie magneti-

\ sehe Kernresonanzsignale für die medizinische Diagnose verwendet, wird normalerweise magnetische Kernresonanz-Abbildungsvorrichtung oder magnetische Resonanzabbildungsvorrichtung genannt. Magnetische Kernresonanz-Abbildungstechnologie ist in der US-PS 4 458 203 offenbart, entsprechend v/elcher magnetische Kernresonanzsignale von einer oder mehreren Scheiben innerhalb einer T. Relaxationszeit einer Scheibe eines Gegenstandes erhalten werden. Die Meßzeit kann daher stark reduziert werden im Vergleich zu einer Situation, bei \q welcher magnetische Kernresonanzsignale anderer Scheiben erhalten werden, nachdem die T₁-Relaxationszeit einer Scheibe abgelaufen ist.

Entsprechend dieser Technologie werden jedoch eine Reihe von selektiven Hochfrequenz-Tr/2-Impulsen aufeinanderfolgend dem Gegenstand zugeführt, nachdem die nicht selektiven Hochfrequenz- ''V-Impulse dem Gegenstand zugeführt worden sind. Daher geht die Homogenität unter den magnetischen Kernresonanzsignalbi.ldern der Scheiben des Gegenstandes, ausgewählt durch 2Q die selektiven Kochfrequenz-TT/2-Impulse verloren. Das heißt, Bilder der einzelnen Scheiben besitzen verschiedene T_-1-Relaxationszeit-Steigerungswerte. Dies ist vom Standpunkt der medizinischen Diagnose nicht wünschenswert.

2g Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zum Erzeugen magnetischer Kernresonanz eines Gegenstandes , welches geeignet ist, homogene

magnetische Kernresonanzsignalbilder einer Vielzahl von Scheiben des Gegenstandes zu erzielen, und eine Vorrichtung

OQ hierfür zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 7 gelöst. Gemäß der vorliegenden Erfindung gc wird ein statisches Magnetfeld in einem Raum geformt, in welchem der Gegenstand anzuordnen ist. Dem statischen Magnetfeld wird ein Magnetfeldgradient auferlegt. Auf den Gegenstand wird eine Vielzahl von selektiven Hochfrequenzimpul-

sen aufgebracht in Anwesenheit des Magnetfeldgradienten, um eine Vielzahl von Scheiben des Gegenstandes entsprechend den selektiven Hochfrequenzimpulsen gemäß einer vorbestimmten Ordnung auszuwählen. Von diesen ausgewählten Scheiben

5,werden magnetische Kernresonanzsignale in einer solchen Weise erzeugt, daß das Zeitintervall zwischen der Auswahl einer Scheibe und der Erzeugung eines magnetischen Kernresonanzsignals im wesentlichen für alle Scheiben konstant ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigen:

IQ Figur 1 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Erzeugen magnetischer Kernresonanzsignale eines Gegenstandes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Figur 2 ein Blockdiagramm eines Hochfrequenzbestrahlungssystems der Figur 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und

Figur 3 ein Diagramm, welches eine Folge von selektiven, dem Gegenstand der Figur 1 auferlegten Hochfrequenzimpulsen illustriert.

Unter Bezugnahme auf Figur 1 wird ein statisches Magnetfeld, in welches ein Patient 1, welcher ein Gegenstand ist, pla-

oQ ziert wird, durch eine statische Magnetfeldspule 3 erzeugt, welche durch eine Magnet-Energiequelle 2 gespeist wird. Dem statischen Magnetfeld wird der Magnetfeldgradient der X-, Y- und Z-Richtung durch Magnetfeldgradientenspulen 4 auferlegt, wobei die Aufbringung des Magnetfeldgradienten

ge- durch ein Rechner- und Steuergerät 8 gesteuert wird, das die Energiequellen 5, 6 und 7, welche die Magnetfeldgradientenspulen 4 betreiben, des X-, Y- und Z-Magnetfeldgradienten

steuert.

Dem Gegenstand 1 wird mit Hilfe eines Hochfrequenzbestrahlungssystems 9 durch eine Hochfrequenzspule 10 Hochfrequenzenergie zugeführt, wobei die Zufuhr von Energie durch das Rechner- und Steuergerät 8 gesteuert beziehungsweise geregelt wird. In Figur 2 ist ein Blockdiagramm des Hochfrequenzbestrahlungssystems 9 gezeigt. In einem Frequenzgenerator 9A, gezeigt in Figur 2, werden eine Hochfrequenz f_Q, erzeugt

IQ durch einen Hochfrequenzoszillator 9-1, und Niederfrequenzen fm. , fm_o und fm-,, erzeugt durch Niederfrequenzoszillatoren 9-2, 9-3, 9-4, in einen doppelsymetrischen beziehungsweise doppelabgeglichenen Mischer 9-6 über einen Schaltkreis 9-5 eingeführt. Der Schaltkreis 9-5 arbeitet so, daß er (1) die Hochfrequenz f. nur zum Mixer 9-6, (2) die Hochfrequenz f» und die Niederfrequenz fm. zu dem Mixer 9-6, (3) die Hochfrequenz f und die Niederfrequenz frru zu dem Mischer 9-6 und (4) die Hochfrequenz f„ und die Niederfrequenz fm^ zum Mischer 9-6 führt. Der Schaltvorgang des Schaltkreises 9-5 wird durch das Rechner- und Steuergerät 8 gesteuert.

Wenn nur die Hochfrequenz f_Q dem Mischer 9-6 zugeführt wird, wird die Hochfrequenz f- zum Impulsmodulator 9B über den Mischer 9-6 und ein Filter 9-7 geführt. Der Impulsmodulator 9B moduliert die Hochfrequenz f_ unter Verwendung von Modulationsimpulsen, um sie in eine impulsartige Hochfrequenz umzuwandeln. Die impulsartige Hochfrequenz wird in einen Amplitudenmodulator 9C eingeführt, welcher die Amplitude d-er impulsartigen Hochfrequenz moduliert in Abhängig-

go keit von einer Sinus-Funktion. Die amplitudenmodulierte irapulsartige Hochfrequenz, wird dem Gegenstand 1 über einen Hochfrequenzverstärker 9D zugeführt. Die impulsartige Hochfrequenz, welche dem Gegenstand zugeführt wird, besteht aus selektiven Hochfrequenzimpulsen. Wenn die Amplitude in geeigneter Weise verändert wird, verwandeln sich die selektiven Hochfrequenzimpulse in selektive Hochfrequenz-TT-Impulse oder selektive Hochfrequenz-Ti/2-Impulse. Die Amplitude der impulsartigen Hochfrequenz wird durch den Amplitudenmodulator 9C ausgewählt, um Hochfrequenz-Tf-Impulse oder Hochfrequenzir/2-Impulse zu erhalten, und die Zeit-

einstellung der Auswahl wird durch das Rechner- und Steuergerät 8 gesteuert. Darüberhinaus wird das Resonanzfrequenzband der selektiven Hochfrequenz-TT-Impulse und der selektiven Hochf requenz-TT/2-Impulse durch die Breite der Modulati-

5 onsimpulse bestimmt.

Wenn die Hochfrequenz f~ und die Niederfrequenz fm. in den Mischer 9-6 eingeführt sind, werden die Hochfrequenz f_Q und die Niederfrequenz fm. zusammengemischt. Das heißt, im Mischer 9-6 wird die Hochfrequenz f.. durch die Niederfrequenz fm. moduliert, und nur die Hochfrequenz der ersten oberen Seitenwellen f_Q + fm. passiert das Filter 9-7, wobei die selektiven Hochfrequenz-TT-Impulse oder die selektiven Hochfrequenz-ir/2-Impulse von f + fm. dem Gegenstand 1 zugeführt werden. Das gleiche gilt auch dann, wenn dem Mischer 9-6 die Hochfrequenz f_n und die Niederfrequenz fm„ zugeführt werden und die Hochfrequenz f_n und die Niederfrequenz fm_ dem Mischer 9-6 zugeführt werden. Im ersteren Fall werden die selektiven Hochfrequenz-TT-Impulse oder die selektiven Hochfrequenz-TT/2-Impulse von f_ + fm„ dem Gegenstand zugeführt und im letzteren Fall werden die selektiven Hochfrequenz- Tr-Impulse oder die selektiven Hochfrequenz-^/^-Impulse von f„ + firu dem Gegenstand 1 zugeführt.

Figur 3 zeigt eine Folge von selektiven Hochfrequenzimpulsen, wenn vier Scheiben des Gegenstandes 1 ausgewählt werden und die magnetischen Kernresonanzsignale von diesen ausgewählten Scheiben erzeugt werden. Die selektiven Hochfrequenzimpulse werden dem Gegenstand zugeführt, während

QQ dem statischen Magnetfeld der Magnetfeldgradient der Z-Richtung zugeführt wird. Die ersten vier selektiven Hochfrequenz-TV -Impulse bewirken ein Umkehren von Kernspins in den Scheiben, derart, daß vier Scheiben des Gegenstandes 1 ausgewählt werden, wobei die Scheiben senkrecht zur Z-Achse

ge und parallel zueinander angeordnet sind. Die Intensität des statischen Magnetfeldes ist auf 1500 Gauss eingestellt worden. Da die Resonanzfrequenz des Wasserstoffkerns 6,375 MHz ist, wird die Hochfrequenz der ersten selektiven Hochfre-

quenz-τΓ-Impulse auf 6,375 MHz eingestellt. Dies wird durch Einstellen der Hochfrequenz f_Q auf 6,375 MHz erreicht. Frequenzen der zweiten, dritten und vierten selektiven Hochfrequenz- TT-Impulse, welche dem Gegenstand 1 unter Einhaltung eines Zeitintervalls von 50 msec zugeführt werden, sind jeweils 6,3763 MHz, 6,3776 MHz und 6,3789 MHz. Dies wird erreicht durch Einstellen der Frequenzen fm. auf 1,3 KHz, fm₂ auf 2 χ 1,3 KHz und fitu auf 3 χ 1,3 KHz.

Nachdem 400 msec von den ersten selektiven Hochfrequenz-Impulsen abgelaufen sind, werden vier Impulssätze dem Gegenstand 1 unter Einhaltung eines Zeitintervalls von 50 msec zugeführt. Jeder der vier Impulssätze besteht aus einem selektiven Hochfrequenz-Tf/2- Impuls und einem nachfolgenden selektiven Hochfrequenz- π-Impuls. Die Frequenz der selektiven Hochf requenz-Tf - und Hochf requenz-Tf/2-Impulse in dem ersten Impulssatz ist 6,375 MHz, die Frequenz der Impulse des zweiten Impulssatzes ist 6,37 63 MHz, die Frequenz der Impulse des dritten Impulssatzes ist 6,3776 MHz und die Frequenz der Impulse des vierten Impulssatzes ist 6,3789 MHz Dies wird dadurch erreicht, daß die Frequenzen f« auf 6, 375 MHz, fir^ auf 1,3 KHz, fm₂ auf 2 χ 1,3 KHz undftt^vauf 3 χ 1,3 KHz eingestellt werden.

Die erste durch den ersten selektiven Hochfrequenz-TT-Impuls ausgewählte Scheibe erzeugt ein Spinechosignal, welches ein auf den ersten Impulssatz ansprechendes magnetisches Kernresonanzsignal ist. D.h.,· der Kernspin in der ersten Scheibe kreist um 90° aufgrund des selektiven Hochfrequenz-ir/2-Impulses in dem ersten Impulssatz. Der Kernspin wird allmählich phasenverschoben. Danach wird der slektive Hochfrequenz-Tf-Impuls so zugeführt, daß der Kernspin umgekehrt wird. Der Spin kommt dann allmählich wieder in Phase. Wenn der Kernspin wieder in Phase ist, wird ein freies Induktionsabfallsignal maximal, welches ein magnetisches Kernresonanzsignal ist, das von der ersten Scheibe erzeugt wird. Dieses maximale Signal ist ein Spinechosignal.

Die zweite von dem zweiten selektiven Hochfrequenz-TT-Impuls ausgewählte Scheibe erzeugt ein auf den zweiten Impulssatz ansprechendes Echosignal. Ähnlich erzeugt die durch den dritten selektiven Hochfrequenz-Tr -Impuls ausgewählte Scheibe ein auf den dritten Impulssatz ansprechendes Echosignal und die vierte von dem vierten selektiven Hochgrequenz-Ή"-Impuls ausgewählte Scheibe ein auf den vierten Impulssatz ansprechendes Echosignal. Die Messung wird innerhalb T,-Relaxationszeit der ersten Scheibe ausgeführt.

Der oben erwähnte Betrieb wird dann vielfach, zum Beispiel 256 mal mit einer Periode von 1 400 msec als Zyklus wiederholt.

Die Bilder der Scheiben können durch die Abbildungsmethode der zweidimensionalen Fouriertransformation erhalten werden. Wenn die erste Scheibe zu beachten ist, wird dem statischen Magnetfeld der Magnetfeldgradient der Y-Richtung in dem ersten Zyklus zugeführt, nachdem z.B. der erste Impulssatz zugeführt ist, aber bevor das Echosignal erzeugt ist. Das danach erzeugte Spinechosignal wird erfaßt, während dem statischen Magnetfeld der Magnetfeldgradient der X-Richtung zugeführt wird, und einer Fouriertransformation unterworfen. Das fouriertransformierte Signal wird das Projektionssignal genannt. Der oben erwähnte Betrieb wird in den nachfolgenden Zyklen wiederholt, während die Amplitude des Magnetfeldgradienten in der Y-Riehtung oder die Dauer seiner Anwendung nach und nach geändert wird. Die Projektionssignale, die durch Wiederholung des oben erwähnten Betriebes er-

gg halten werden, werden einer anderen Fouriertransformation unterworfen, bezogen auf den Magnetfeldgradienten der Y-Richtung, wobei ein Bild der ersten Scheibe erhalten wird. Das gleiche gilt für die anderen Scheiben.

gg Das Aufbringen der Magnetfeldabstufung wird durch das Rechner und Steuergerät 8 gesteuert, welches die Energiequellen 5, 6 und 7 des X-, Y- und Z-Magnetfeldgradienten steuert.

Unter erneuter Bezugnahme auf Figur 1 wir das vom Gegenstand 1 erzeugte magnetische Kernreaonanzsignal durch einen Detektor 11 erfaßt, durch einen Vorverstärker 12 und einen Hochfrequenzverstärker 1.3 verstärkt, bezüglich seiner Phase durch einen Phasendetektor 14 mit der Hochfrequenz des Frequenzgenerators 9A als Bezugssignal erfaßt und in ein Niederfrequenzsignal umgewandelt. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 14 wird durch einen Niederfrequenzverstärker 15 verstärkt, durch einen Analog/Digital-Wandler 16 in ein digitales Signal umgewandelt und in das Rechner- und Steuergerät 8 eingeführt. Das Rechner - und Steuergerät 8 führt notwendige Verarbeitungsschritte wie Signalmittelwertbestimmung und Fouriertransformation durch. Als Ergebnis der Verarbeitung zeigt ein Monitor 17 ein magnetisches Kernresonanzsignalbild der Scheibe des Gegenstandes 1 an.

Bei dem im Vorhergehenden erwähnten Ausführungsbeispiel bleibt das Zeitintervall zwischen der Auswahl der Scheibe und der Erzeugung des magnetischen Kernresonanzsignals für alle Scheiben konstant. Daher werden homogene·'Bilder der Scheiben erhalten. D.h. die Scheibenbilder haben den gleichen T.- Relaxationssteigerungswert.

Bei dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der Scheiben 4. Die Anzahl der Scheiben kann jedoch erhöht oder erniedrigt v/erden in Abhängigkeit von den Anforderungen.

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Claims

PATENT- UND RECHTSANWÄLTE BARDEHLE · PAGENBERG · DOST · ALTENBURG · FROHWITTER & PARTNER RECHTSANWÄLTE PATENTANWÄLTE - EUROPEAN PATENV AFTORNENS JOCHEN PAGENBERG dr.jur.ll.m. harvard·· HEINZ BAROEi-iLE dipl-inu. BERNHARD FROHWITTER dipl.-ing.·· WOLFGANG A. DOST dr.. dipl.-chem. GÜNTER FRHR. v. GRAVENREUTH dipl-ing. cfh>· UDO W. ALTENBURG dipl.-phys. JÜRGEN KROHER dr. jur. ll. μ oueen's univ.· BERNHARD H. GEISSLER dipl.-phys. DR. JUR. MCL(GWU) RECHTSANWALT·. US ATTORNEY AT LAW" POSTFACH 8606 20 8000 MÜNCHEN 86 TELEFON (089)98 03 61 TELEX 522 791 padd TELEFAX (089)9897 63 HYPOBANK MUC 6860130600 (BLZ 70020001) PGA MUC 387 37-808 (BLZ 70010080) BÜRO GALILEIPLATZ 1,8000MUNCHEN 80 datum 20. Dezember 19 85 H 6720 Al/ke Patentansprüche

1. Verfahren zum Erzeugen magnetischer Kernresonanz eines Gegenstandes gekennzeichnet durch folgende Schritte:

(1) Erzeugen eines statischen Magnetfeldes, in welchem der Gegenstand anzuordnen ist,

(2) Aufbringen eines Magnetfeldgradienten auf das statische Magnetfeld,

(3) Aufbringen einer Vielzahl von selektiven Hochfrequenzimpulsen auf den Gegenstand in Anwesenheit des Magnetfeldgradienten, um hierdurch eine Vielzahl von Scheiben des Gegenstandes entspechend den selektiven Hochfrequenzimpulsen in einer vorbestimmten Ordnung auszuwählen und

(4) Erzeugen von magnetischen Kernresonanzsignalen von den ausgewählten Scheiben, derart, daß das Zeitintervall zwischen der Auswahl der Scheibe und der Erzeugung des

magnetischen Kernresonanzsignals im wesentlichen für alle Scheiben konstant bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von selektiven Hochfrequenzimpulsen aus selektiven Hoch-it' -Impulsen besteht, welche Kernspins in der Vielzahl von Scheiben umkehren.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Kernresonanzsignale aus Spinechosignalen bestehen, welche durch Aufbringen von Impulssätzen auf den Gegenstand erzeugt werden, wobei jeder Impulssatz aus einem selektiven Hochfrequenz-ir/2-Impuls und einem nachfolgenden selektiven Hochfrequenz-if-impuls besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulssätze in Anwesenheit des Magnetfeldgradienten aufgebracht werden.

5. Verfahren anch Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von selektiven Hochfrequenz -Tf- Impuls en dem Gegenstand zugeführt werden, um die Scheiben auszuwählen, und daß die Vielzahl der Impulssätze dem Gegenstand zugeführt werden, um Spinechosignale von den ausgewählten Scheiben zu erzeugen, während einer T.-Relaxationszeit der Kernspins in der Scheibe, die zuerst ausgewählt worden ist.

6. Vorrichtung zum Erzeugen magnetischer Kernresonanz eines Gegenstandes, gekennzeichnet durch

(1) eine Einrichtung zum Erzeugen eines statischen Magnetfeldes, in das der Gegenstand zu plazieren ist,

(2) eine Einrichtung zum Aufbringen eies Magnetfeldgradienten auf das statische Magnetfeld,

* (3) eine Einrichtung zum Aufbringen einer Vielzahl von selektiven Hochfrequenzimpulsen auf den Gegenstand in Anwesenheit des Magnetfeldgradienten, um hierdurch in einer vorbestimmten Ordnung eine Vielzahl von Scheiben des Gegenstandes entsprechend den ausgewählten Hochfrequenzimpulsen auszuwählen, und

(4) eine Einrichtung zum Erzeugen von magnetischen Kernresonanzsignalen von den ausgewählten Scheiben, derart, daß das Zeitintervall zwischen der Auswahl der Scheibe und der Erzeugung des magnetischen Kernresonanzsignals für alle Scheiben im wesentlichen konstant bleibt. ^!

7. -Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der selektiven Hochfrequenzimpulse aus slektiven Hochf requenz-'Tf -Impulsen besteht, welche Kernspins in der Vielzahl von Scheiben umkehren.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen eines magneti- * sehen Kernresonanzsignals eine Einrichtung aufweist, welche eine Vielzahl von Impulssätzen dem Gegenstand zuführt, so daß von den ausgewählten Scheiben Spinechosignale erzeugt werden, wobei jeder Impulssatz aus einem selektiven Hochfrequenz-ny2-Impuls und einem nachfolgenden 'selektiven Hochf requenz-7/ -Impuls besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Impulssätzen in Anwesenheit des Magnetfeldgradienten aufgebracht .-werden.