DE3722443A1

DE3722443A1 - Magnetresonanz-spektroskopiegeraet

Info

Publication number: DE3722443A1
Application number: DE19873722443
Authority: DE
Inventors: Masatoshi Hanawa
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-08-13
Filing date: 1987-07-07
Publication date: 1988-02-25
Anticipated expiration: 2007-07-08
Also published as: JPS6346146A; DE3722443C2; US4737714A; JPH0432653B2

Description

Die Erfindung betrifft ein(e) Magnetresonanz-Spektroskopiegerät oder -anordnung zum Messen (Erfassen) von Informationen, wie Spindichte, chemische Verschiebung usw., von bestimmten, in einem Untersuchungsobjekt vorhandenen Atomkernen auf der Grundlage der Magnetresonanz (MR).

Gemäß Fig. 8 wird mittels herkömmlicher Magnetresonanz- Spektroskopiegeräte das Schnittbild einer gewünschten planen Scheibe S eines Untersuchungsobjekts P gewonnen. Es hat sich zunehmend als nötig erwiesen, ein Magnetresonanz- oder MR-Signal für nur einen lokalisierten Bereich oder ein lokalisiertes Volumen (z. B. Herzmuskel, Armmuskel, Beinmuskel o. dgl.) der Scheibe S auszuziehen und das Frequenzspektrum eines Resonanzsignals mittels MR-Spektroskopie für medizinische Diagnose oder Untersuchung zu gewinnen.

Es sind zwei nachstehend beschriebene Methoden zum Ausziehen eines MR-Signals aus nur einem solchen lokalisierten Volumen bekannt.

Eine dieser Methoden ist als lokalisierte Kernmagnetresonanz- Spektroskopie bekannt (vgl. US-PS 44 80 228). Nach dieser Methode wird gemäß Fig. 9 ein lokalisiertes gleichförmiges Feld Bo′ in einem statischen Magnetfeld oder Statikmagnetfeld Bo erzeugt, wobei zum Erfassen bzw. Abgreifen eines MR-Signals eine Magnetresonanz nur in diesem lokalisierten gleichförmigen Feld hervorgerufen wird. Bei dieser Methode muß jedoch ein Spulenstrom variiert werden, um die Verteilung des Statikfelds zu ändern. Außerdem ist die entsprechende Anordnung komplex, und das Meßverfahren ist umständlich und zeitraubend, weil der Prüfling bzw. das Untersuchungsobjekt in seiner Lage variiert werden muß.

Die andere Methode ist als Flächenspulenmethode bekannt. Dabei wird eine Oberflächen- oder Flächenspule (surface coil) auf die Oberfläche einer Zielregion eines Untersuchungsobjekts aufgelegt, wobei ein in Fig. 10 dargestelltes Signal von der Flächenspule erhalten oder abgenommen wird. Sodann wird nun ein intensives MR-Signal in einem einen Mittelteil D 1 des gewonnenen Signals bei einer Tiefe in Richtung D einschließenden Bereich ausgezogen (extrahiert) und als MR-Signal eines lokalisierten Bereichs oder Volumens benutzt. Nach dieser Methode kann wirksam ein Signal von der Oberfläche des Objekts und ihrem benachbarten Bereich empfangen werden. Da jedoch die Signale aus tieferen Bereichen schwach sind, kann von diesen tieferen Bereichen kein zufriedenstellendes MR- Signal gewonnen werden.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines einfach aufgebauten Magnetresonanz-Spektroskopiegeräts, mit dem in einfacher Weise genaue Messungen durchführbar sind.

Die Erfindung bezweckt auch die Schaffung eines Magnetresonanz- Spektroskopiegeräts, bei dem ein MR-Signal von einem gewünschten lokalisierten Bereich oder Volumen in einer (bestimmten) Tiefe in einem Untersuchungsobjekt ausgezogen werden kann.

Die obige Aufgabe wird bei einem Magnetresonanz-Spektroskopiegerät zum Empfangen eines Magnetresonanzsignals aus einem lokalisierten Bereich in einer bestimmten (Schnitt-)- Scheibe eines Untersuchungsobjekts und zum Ableiten eines Frequenzspektrums des Magnetresonanzsignals auf der Grundlage des empfangenen Signals erfindungsgemäß gelöst durch eine Steuereinrichtung zum selektiven Anregen von Regionen, die zwischen sich eine den lokalisierten Bereich enthaltende Zone einschließen, in einer der x- und Y-Achsenrichtungen in der Scheibe, zum anschließenden Anlegen eines "Fälschers" (spoiler) zwecks Beseitigung von lateralen oder seitlichen Spinkomponenten aus den Regionen, zum selektiven Anregen von eine den lokalisierten Bereich enthaltende Zone zwischen sich einschließenden Regionen in der anderen der x- und y-Richtungen in der Scheibe, zum nachfolgenden Anlegen eines "Fälschers" zwecks Beseitigung lateraler Spinkomponenten aus den letztgenannten Regionen und zum anschließenden Anregen einer den lokalisierten Bereich enthaltenden Zone in einer z _y-Achsenrichtung für das Ausziehen eines Magnetresonanzsignals des lokalisierten Bereichs.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise in Blockschaltbildform gehaltene schematische Darstellung eines Magnetresonanz- Spektroskopiegeräts gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Zeitsteuerdiagramm einer beim Magnetresonanz- Spektroskopiegerät nach Fig. 1 erzeugten Impulsfolge,

Fig. 3 bis 5 Darstellungen von Abtastformaten zur Erläuterung der Arbeitsweise des Magnetresonanz- Spektroskopiegeräts,

Fig. 6 und 7 Zeitsteuerdiagramme anderer Impulsfolgen bei der Erfindung,

Fig. 8 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Art und Weise, auf welche ein Signal von einem lokalisierten Bereich oder Volumen in einem Untersuchungsobjekt gewonnen wird,

Fig. 9 eine graphische Darstellung zur Verdeutlichung einer herkömmlichen lokalisierten Spektroskopiemethode und

Fig. 10 eine graphische Darstellung zur Verdeutlichung einer herkömmlichen Flächenspulenmethode.

Die Fig. 8 bis 10 sind eingangs bereits erläutert worden.

Gemäß Fig. 1 umfaßt eine Magnetanordnung 1 eine Statikmagnetfeldspule 2 zum Beaufschlagen eines in die Magnetanordnung 1 eingebrachten Prüflings oder Untersuchungsobjekts mit einem Haupt(magnet)feld Bo einer konstanten Intensität, Gradient(feld)spulen 3 A, 3 B, 3 C zum Beaufschlagen des Untersuchungsobjekts mit Gradient(magnet)feldern in x-, y- und z-Richtung, eine Hochfrequenz-Sendespule 4 zum Beaufschlagen des Untersuchungsobjekts mit Hochfrequenzimpulsen zum Anregen von Atomkernspins in diesem und eine Empfangsspule 5 zum Abgreifen eines Resonanzsignals vom Untersuchungsobjekt. Eine Prozessoreinheit 11 ist mit einer Anzeigeeinheit 12 und einer Steuereinheit (controller) 13 verbunden.

Die Steuereinheit 13 ist an eine Gradientfeld-Steuerschaltung 14, einen Hochfrequenz-Oszillator 16 und eine Torschaltung (gate circuit) 17 angeschlossen. Die Gradientfeld- Steuerschaltung 14 erzeugt Gradientfeldsteuersignale Gx, Gy, Gz, die an die betreffenden Gradientspulen 3 A, 3 B bzw. 3 C der Magnetanordnung 1 angelegt werden. Der Hochfrequenz- Oszillator 16 ist mit der Torschaltung 17 verbunden, die ihrerseits an einen Leistungsverstärker 18 angeschlossen ist, welcher wiederum ein Hochfrequenzsignal von der Torschaltung 17 verstärkt und das verstärkte Hochfrequenzsignal an die Hochfrequenz-Sendespule 4 der Magnetanordnung 1 anlegt. Ein von der Empfangsspule 5 erzeugtes Signal wird einem Vorverstärker 19 eingespeist, der ein Ausgangssignal zu einem Phasendetektor 20 liefert, dessen Ausgangssignal zu einem Wellenformspeicher 21 geliefert wird. Das Ausgangssignal vom Wellenformspeicher 21 und das Ausgangssignal von der Steuereinheit 13 werden der Prozessoreinheit 11 zugeführt.

Die Steuereinheit 13 erzeugt ein Schritt- oder Zeit-Taktsignal für das Sammeln bzw. Gewinnen von Beobachtungsdaten eines MR-Signals und steuert den Betrieb der Gradientfeld- Steuerschaltung 14 und der Torschaltung 17, um damit die Gradientfelder Gx, Gy und Gz und eine Folge oder Sequenz, in welcher die Hochfrequenzimpulse erzeugt werden, zu steuern.

Die Gradientfeld-Steuerschaltung 14 regelt den durch die Gradientspulen 3 A, 3 B, 3 C fließenden Strom für die Beaufschlagung des Untersuchungsobjekts mit Gradient(magnet)feldern.

Eine Statikfeld-Steuerschaltung 15 regelt einen der Statikfeldspule 2 zugeführten Strom zum Beaufschlagen des Untersuchungsobjekts mit einem Statikmagnetfeld Bo.

Der Hochfrequenz-Oszillator 16 erzeugt ein Hochfrequenzsignal, dessen Frequenz durch die Steuereinheit 13 gesteuert oder eingestellt wird. Die Torschaltung 17 spricht auf das Taktsignal von der Steuereinheit 13 an, um das Hochfrequenzsignal vom Hochfrequenz-Oszillator 16 für die Erzeugung von Hochfrequenz-Impulsen zu modulieren. Der Leistungsverstärker 18 verstärkt die von der Torschaltung 17 gelieferten Hochfrequenzimpulse und legt diese an die Hochfrequenz-Sendespule 4 an.

Der Vorverstärker 19 verstärkt ein MR-Signal von der Empfangsspule 5. Der Phasendetektor 20 erfaßt die Phase des verstärkten MR-Signals vom Vorverstärker 19. Der Wellenformspeicher 21 speichert ein phasenerfaßtes Wellenform(ungs)signal.

Die Prozessoreinheit 11 steuert den Betrieb der Steuereinheit 13, empfängt Zeit-Taktinformationen von letzterer, liest ein gespeichertes Signal aus dem Wellenformspeicher 21 aus und verarbeitet Signale auf der Grundlage der beobachteten (observed) Magnetresonanz. Außerdem gibt die Prozessoreinheit 11 auf der Anzeigeeinheit 12 einen Operationsbefehl für die Bedienungsperson wieder.

Das Hochfrequenzsignal besitzt eine Mittenfrequenz f 1 eines lokalisierten Bereichs oder Volumens sowie verschiedene oder unterschiedliche Frequenzen f 1, f 2, f 3, f 4 auf beiden Seiten der Mittenfrequenz f 1. Diese Frequenzen werden durch die Steuereinheit 13 gewählt, und ihre (Frequenz-)Bänder werden durch die Torschaltung 17 gesteuert oder eingestellt.

Die Gradientfeldsignale Gx, Gy besitzen ein Signalmuster, das einen vorgeschriebenen Intensitätspegel für eine bestimmte Zeitspanne aufweist und dann auf einen höheren Intensitätspegel springt ("Fälscher").

Im folgenden ist die Arbeitsweise des Magnetresonanz- Spektroskopiegeräts nach Fig. 1 anhand der Fig. 2 bis 5 erläutert.

Für die Erzeugung eines Schnittbilds an einer bestimmten Stelle in einem Untersuchungsobjekt wird durch die Statikfeld- Steuerschaltung 15 ein Strom durch die Statikfeldspule 2 geleitet, um ein in z-Achsenrichtung (Fig. 1) gleichförmiges Statikmagnetfeld zu erzeugen und damit (Kern-)Spins in z-Achsenrichtung zu orientieren. Sodann wird ein Signal zur Bezeichnung der Richtung der Spins und einer (Schnitt-)- Scheibenposition hinzugefügt. Auf ein rotierendes Koordinatensystem x′, y′, z wird in der folgenden Beschreibung Bezug genommen:

Selektive Anregungsimpulse RF werden angelegt, um Spins um 90° in einer a-x′-Richtung im rotierenden Koordinatensystem zu drehen oder zu kippen bzw. umzuklappen (turn over). Gleichzeitig wird ein (Scheiben-) Schnittgradientfeld Gy in y-Achsenrichtung angelegt. Die selektiven Anregungsimpulse RF enthalten zwei Träger f 1, f 2 unterschiedlicher Frequenzen. Genauer gesagt: es sei angenommen, daß ein gewünschter lokalisierter Bereich zentral in einem Untersuchungsobjekt P vorhanden ist; wenn dabei eine Mittenfrequenz zum Anregen einer den lokalisierten Bereich enthaltenden Zone gleich f 0 ist, müssen die Hochfrequenzimpulse zwei Frequenzen f 1, f 2 zum Wählen von die angeregte Zone zwischen sich einschließenden Regionen 31, 32 (in Fig. 3 schraffiert) enthalten. f 1, f 2 geben jeweils Mittenfrequenzen an; die Breiten der Regionen 31, 32 werden durch Δ f 1, Δ f 2 bestimmt. Die Verwendung unterschiedlicher Frequenzen für das Wählen einer gewünschten Region ergibt sich ohne weiteres aus der folgenden Gleichung:

f 0 = γ/2π · Bo (1)

Darin bedeuten: γ = magnetisches Drehverhältnis (bzw. gyromagnetisches Verhältnis).

Das Gradientfeld Gy ist so gestaltet, daß nach dem Anlegen eines (Scheiben-)Schnittfelds (slicing field) eines normalen Intensitätspegels für eine Zeitspanne τ 1 für die Scheibenbildung (slicing) in der gewünschten Region ein Magnetfeld eines höheren Intensitätspegels während einer Zeitspanne τ 2 angelegt wird. Das letztere Magnetfeld wird als "Fälscher" (spoiler) SP (verfälschendes Magnetfeld zum Phasenverschieben der Spins) bezeichnet. Wenn der "Fälscher" SP angelegt ist, werden laterale oder seitliche Spinkomponenten gestreut und beseitigt. Dies bedeutet, daß die lateralen Spinkomponenten durch das Gradientfeld Gy gestreut (scattered) werden, wobei diese Streuung durch den "Fälscher" schnell bewirkt wird, so daß laterale Spinkomponenten beseitigt werden.

Die Scheibendicken Δ t 1, Δ t 2 der Regionen 31, 32 in y-Richtung bestimmen sich nach folgenden Gleichungen:

Δ t 1 = Δ f 1/γ Gy (2)
Δ t 2 = Δ f 2/γ Gy (3)

Im folgenden ist die Anregung der seitlich beanstandeten Regionen 33, 34 (Fig. 4) nach den obigen Prinzipien erläutert. 90°-Impulse werden in x′-Richtung angelegt, um Spins um 90° in y′-Richtung im rotierenden Koordinatensystem umzuklappen bzw. umzudrehen (zu kippen). Gleichzeitig wird ein Schnittgradientfeld Gs angelegt. Die verwendeten Hochfrequenzimpulse enthalten zwei Träger f 3, f 4 unterschiedlicher Frequenzen (mit Bändern Δ f 3 bzw. Δ f 4) um die Mittenfrequenz f 0, die einen Zielbereich enthält oder einschließt, wie dies oben beschrieben worden ist. Das Gradientfeld Gx weist einen normalen (Scheiben-)Schnittfeldintensitätspegel während eines vorderen oder vorhergehenden Intervalls τ 1 und einen höheren Intensitätspegel während eines hinteren Intervalls τ 2 ("Fälscher" SP) auf. Die einmal angeregten lateralen Spinkomponenten der Regionen 31, 34 werden daher letztlich beseitigt.

Schließlich werden gemäß Fig. 5 nach Ablauf einer vorgeschriebenen Zeitspanne 90°-Hochfrequenzimpulse mit der Mittenfrequenz f 0 (eines Bands Δ f 0) längs der y-Achse zum Anregen der zentralen Region 35 angelegt, und es wird (auch) ein Gradientfeld Gz _y angelegt. Danach wird ein Wiederabbildungs-Gradientfeld (re-imaging gradient field) -Gz _y angelegt, um ein Echosignal zu erzeugen. Insbesondere werden dabei die Spins durch ein Gradientfeld -Gz in entgegengesetzter Richtung gedreht, um Sättigung zu erreichen, wobei nach Ablauf einer Echozeit TE nach der Anlegung des Gradientfelds Gz ein Echo erzeugt wird. Da zu diesem Zeitpunkt die Spinkomponenten in den anderen Regionen beim vorhergehenden Vorgang beseitigt worden sind, können Daten nur aus dem lokalisierten Bereich S 1 gewonnen werden.

Die Daten werden durch die Empfangsspule 5 abgenommen und über den Vorverstärker 19 zum Phasendetektor 20 übertragen, in welchem das Spektrum der Daten ausgewertet wird. Danach wird durch die Prozessoreinheit 11 ein Bild (eine Abbildung) rekonstruiert und ggf. auf der Anzeigeeinheit 12 wiedergegeben.

Auf die oben beschriebene Weise können ohne weiteres Daten eines in einem Untersuchungsobjekt in einer gewünschten Tiefe befindlichen lokalisierten Bereichs oder Volumens einer gewünschten Dicke gesammelt oder gewonnen werden.

Beim erfindungsgemäßen Gerät werden nur 90°-Hochfrequenzimpulse, aber keine 180°-Hochfrequenzimpulse benutzt, so daß die Impulssequenz oder -folge vereinfacht ist. Wenn zudem Kerne (z. B. ³¹P, Na) einer kurzen Spin-Spin-Relaxation T 2 beobachtet werden sollen, kann das Signal ohne Beeinträchtigung des Rauschabstands gewonnen werden. Im Fall von Kernen einer langen Spin-Spin-Relaxation T 2 können jedoch 180°-Hochfrequenzimpulse angelegt werden, worauf ein Echo(signal) gewonnen oder abgenommen werden kann (vgl. Fig. 6). In diesem Fall wird das Signal gedämpft, weil die Echoabnahmezeit TE lang ist.

Bei der beschriebenen Ausführungsform wird die Zielregion zunächst in y′-Richtung und dann in x′-Richtung geschnitten (sliced). Gemäß Fig. 7 kann jedoch die Zielregion zuerst in x′-Richtung und dann in y′-Richtung geschnitten werden.

Obgleich vorstehend der (das) lokalisierte Bereich oder Volumen als zentral in der (Schnitt-)Scheibe liegend vorausgesetzt und seine Mittenfrequenz mit f 0 gewählt ist, kann auch ein außermittig versetzter Bereich als lokalisierter Bereich gewählt und seine Mittenfrequenz entsprechend variiert werden.

Claims

1. Magnetresonanz-Spektroskopiegerät zum Empfangen eines Magnetresonanzsignals aus einem lokalisierten Bereich in einer bestimmten (Schnitt-) Scheibe eines Untersuchungsobjekts und zum Ableiten eines Frequenzspektrums des Magnetresonanzsignals auf der Grundlage des empfangenen Signals, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung zum selektiven Anregen von Regionen, die zwischen sich eine den lokalisierten Bereich enthaltende Zone einschließen, in einer der x- und y-Achsenrichtungen in der Scheibe, zum anschließenden Anlegen eines "Fälschers" (spoiler) zwecks Beseitigung von lateralen oder seitlichen Spinkomponenten aus den Regionen, zum selektiven Anregen von eine den lokalisierten Bereich enthaltende Zone zwischen sich einschließenden Regionen in der anderen der x- und y-Richtungen in der Scheibe, zum nachfolgenden Anlegen eines "Fälschers" zwecks Beseitigung lateraler Spinkomponenten aus den letztgenannten Regionen und zum anschließenden Anregen einer den lokalisierten Bereich enthaltenden Zone in einer z _y-Achsenrichtung für das Ausziehen eines Magnetresonanzsignals des lokalisierten Bereichs.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regionen selektiv durch 90°-Impulse angeregt werden.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regionen selektiv in y- und x- und y-Achsenrichtung in der angegebenen Reihenfolge angeregt werden.

4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Zahl in z _y-Achsenrichtung durch +Gz-Impulse und sodann durch -Gz-Impulse angeregt wird.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regionen selektiv angeregt werden, während eine Anzahl von Signalen unterschiedlicher Frequenz, welche die den lokalisierten Bereich enthaltenden Zonen zwischen sich einschließen, als Träger dienen.