DE3722443C2 - Verfahren zur Magnetresonanz-Spektroskopie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetresonanz-Spektrosko­ pieverfahren zum Messen (Erfassen) von Infor­ mationen, wie Spindichte, chemische Verschiebung usw., von bestimmten, in einem Untersuchungsobjekt vorhandenen Atom­ kernen auf der Grundlage der Magnetresonanz (MR) gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

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 Magnetreso­ nanz- 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 Fre­ quenzspektrum eines Resonanzsignals mittels MR-Spektrosko­ pie für medizinische Diagnose oder Untersuchung zu gewinnen.

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

Eine dieser Methoden ist als lokalisierte Kernmagnetreso­ nanz-Spektroskopie bekannt (vgl. US-PS 4 480 228). Nach dieser Methode wird gemäß Fig. 9 ein lokalisiertes gleich­ förmiges Feld Bo′ in einem statischen Magnetfeld oder Statikmagnetfeld Bo erzeugt, wobei zum Erfassen bzw. Ab­ greifen 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 auf die Oberfläche einer Zielregion eines Unter­ suchungsobjekts aufgelegt, wobei ein in Fig. 10 darge­ stelltes Signal von der Flächenspule erhalten oder abge­ nommen wird. Sodann wird nur ein intensives MR-Signal in einem einen Mittelteil D1 des gewonnenen Signals bei einer Tiefe in Richtung D einschließenden Bereich ausgezogen (extrahiert) und als MR-Signal eines lokalisierten Be­ reichs 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.

Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der GB 21 14 756 A bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Dephasierung bzw. die Beseitigung der Quermagnetisierung, die infolge der Anregung dadurch entstanden ist, daß im Resonanzfall die Präzessionsbewegungen der einzelnen Elementarmagnete synchronisiert werden, wodurch die präzedierende Gesamtmagnetisierung wie der sich drehende Magnet eines Dynamos wirkt, dadurch bewirkt, daß das Gradientenfeld nach dem selektiven Anregungsimpuls über eine bestimmte Zeitdauer aufrechterhalten wird. Diese Zeitdauer ist relativ lang, so daß im Hinblick auf die stattfindenden Relaxationen Ungenauigkeiten auftreten können und der Gesamtprozeß der Untersuchung verlangsamt wird.

Der Erfindung liegt im Hinblick auf den vorgenannten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren dahingehend zu verbessern, daß es auf einfache und schnelle Weise genaue Meßdaten liefert.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Er­ findung 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 zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

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

Fig. 3 bis 5 Darstellungen von Abtastformaten zur Er­ läuterung 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 Unter­ suchungsobjekt gewonnen wird,

Fig. 9 eine graphische Darstellung zur Verdeutlichung einer herkömmlichen lokalisierten Spektroskopie­ methode 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 Statik­ magnetfeldspule 2 zum Beaufschlagen eines in die Magnet­ anordnung 1 eingebrachten Prüflings oder Untersuchungs­ objekts mit einem Haupt(magnet)feld Bo einer konstanten Intensität, Gradient(feld)spulen 3A, 3B, 3C zum Beauf­ schlagen des Untersuchungsobjekts mit Gradient(magnet)­ feldern in x-, y- und z-Richtung, eine Hochfrequenz-Sende­ spule 4 zum Beaufschlagen des Untersuchungsobjekts mit Hochfrequenzimpulsen zum Anregen von Atomkernspins in die­ sem und eine Empfangsspule 5 zum Abgreifen eines Resonanz­ signals vom Untersuchungsobjekt. Eine Prozessoreinheit 11 ist mit einer Anzeigeeinheit 12 und einer Steuereinheit 13 verbunden.

Die Steuereinheit 13 ist an eine Gradientfeld-Steuerschal­ tung 14, einen Hochfrequenz-Oszillator 16 und eine Tor­ schaltung 17 angeschlossen. Die Gradient­ feld-Steuerschaltung 14 erzeugt Gradientfeldsteuersignale Gx, Gy, Gz, die an die betreffenden Gradientspulen 3A, 3B bzw. 3C der Magnetanordnung 1 angelegt werden. Der Hoch­ frequenz-Oszillator 16 ist mit der Torschaltung 17 ver­ bunden, die ihrerseits an einen Leistungsverstärker 18 angeschlossen ist, welcher wiederum ein Hochfrequenzsignal von der Torschaltung 17 verstärkt und das verstärkte Hoch­ frequenzsignal an die Hochfrequenz-Sendespule 4 der Magnet­ anordnung 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 Pro­ zessoreinheit 11 zugeführt.

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

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

Eine Statikfeld-Steuerschaltung 15 regelt einen der Statik­ feldspule 2 zugeführten Strom zum Beaufschlagen des Unter­ suchungsobjekts mit einem Statikmagnetfeld Bo.

Der Hochfrequenz-Oszillator 16 erzeugt ein Hochfrequenz­ signal, dessen Frequenz durch die Steuereinheit 13 ge­ steuert 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 Wellen­ formspeicher 21 speichert ein phasenerfaßtes Wellen­ form(ungs)signal.

Die Prozessoreinheit 11 steuert den Betrieb der Steuerein­ heit 13, empfängt Zeit-Taktinformationen von letzterer, liest ein gespeichertes Signal aus dem Wellenformspeicher 21 aus und verarbeitet Signale auf der Grundlage der be­ obachteten Magnetresonanz. Außerdem gibt die Prozessoreinheit 11 auf der Anzeigeeinheit 12 einen Opera­ tionsbefehl für die Bedienungsperson wieder.

Das Hochfrequenzsignal besitzt eine Mittenfrequenz f0 eines lokalisierten Bereichs oder Volumens sowie verschiedene oder unterschiedliche Frequenzen f1, f2, f3, f4 auf beiden Seiten der Mittenfrequenz f0. Diese Frequenzen werden durch die Steuereinheit 13 gewählt, und ihre (Frequenz-)Bänder werden durch die Torschaltung 17 gesteuert oder einge­ stellt.

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

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 Statik­ feld-Steuerschaltung 15 ein Strom durch die Statikfeldspule 2 geleitet, um ein in z-Achsenrichtung (Fig. 1) gleich­ förmiges Statikmagnetfeld zu erzeugen und damit (Kern-)Spins in z-Achsenrichtung zu orientieren. Sodann wird ein Signal hinzugefügt, um die Richtung der Spins und eine (Schnitt-)- Scheibenposition genau anzugeben. Auf ein rotierendes Koordinaten­ system x′, y′, z wird in der folgenden Beschreibung Bezug genommen:

Selektive Anregungsimpulse RF werden angelegt, um Spins um 90° in einer x′-Richtunq im rotierenden Koordinaten­ system zu drehen oder zu kippen bzw. umzuklappen. Gleichzeitig wird ein erstes (Scheiben-)Schnittgradientfeld Gy in y′-Achsenrichtung an­ gelegt. Die selektiven Anregungsimpulse RF enthalten zwei Träger f1, f2 unterschiedlicher Frequenzen. Genauer ge­ sagt: 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 f0 ist, müssen die Hochfrequenzimpulse zwei Frequenzen f1, f2 zum Wählen von der angeregten Zone zwischen sich einschließen­ den ersten Regionen 31, 32 (in Fig. 3 schraffiert) enthalten. f1, f2 geben jeweils Mittenfrequenzen an; die Breiten der Regionen 31, 32 werden durch Δf1, Δf2 bestimmt. Die Ver­ wendung unterschiedlicher Frequenzen für das Wählen einer gewünschten Region ergibt sich ohne weiteres aus der fol­ genden Gleichung:

f0 = γ/2π · Bo (1).

Darin bedeuten: γ = gyromagnetisches Verhältnis.

Das Gradientfeld Gy ist so gestaltet, daß nach dem Anlegen eines (Scheiben-)Schnittfelds (slicing field) eines nor­ malen Intensitätspegels für eine Zeitspanne τ1 für die Scheibenbildung (slicing) in der gewünschten Region ein Magnetfeld eines höheren Intensitätspegels während einer Zeitspanne τ2 angelegt wird. Das letztere Magnetfeld wird als "Dephasierer" SP (dephasierendes Magnetfeld zum Phasenverschieben der Spins) bezeichnet. Wenn der "Dephasierer" SP angelegt ist, werden laterale oder seitliche Spinkomponenten gestreut und die Quermagnetisierung beseitigt. Dies bedeutet, daß die lateralen Spinkomponenten durch das Gradientfeld Gy gestreut werden, wobei diese Streuung durch den "Dephasierer" schnell bewirkt wird, so daß die Quermagnetisierung beseitigt wird.

Die Scheibendicken Δt1, Δt2 der Regionen 31, 32 in y-Rich­ tung bestimmen sich nach folgenden Gleichungen:

Δt1 = Δf1/γGy (2)
Δt2 = Δf2/γGy (3).

Im folgenden ist die Anregung der seitlich beabstandeten zweiten Regionen 33, 34 (Fig. 4) nach den obigen Prinzipien er­ läutert. 90°-Impulse werden in x′-Richtung angelegt, um Spins um 90° in y′-Richtung im rotierenden Koordinaten­ system umzuklappen bzw. umzudrehen (zu kippen). Gleich­ zeitig wird ein zweites Schnittgradientfeld Gx angelegt. Die ver­ wendeten Hochfrequenzimpulse enthalten zwei Träger f3, f4 unterschiedlicher Frequenzen (mit Bändern Δf3 bzw. Δf4) um die Mittenfrequenz f0, die einen Zielbereich enthält oder einschließt, wie dies oben beschrieben worden ist. Das Gradientfeld Gx weist einen normalen (Scheiben-)Schnitt­ feldintensitätspegel während eines vorderen oder vorher­ gehenden Intervalls τ1 und einen höheren Intensitätspegel während eines hinteren Intervalls τ2 ("Dephasierer" SP) auf. Die einmal angeregte Quermagnetisierung der Re­ gionen 33, 34 wird daher letztlich beseitigt.

Schließlich werden gemäß Fig. 5 nach Ablauf einer vorge­ schriebenen Zeitspanne 90°-Hochfrequenzimpulse mit der Mittenfrequenz f0 (eines Bands Δf0) längs der y-Achse zum Anregen der zentralen Region 35 angelegt, und es wird ein drittes Gradientfeld Gz_y. Danach wird ein Wiederabbildungs-Gradientfeld -Gz_y angelegt, um ein Echosignal zu erzeugen. Insbesondere werden dabei die Spins durch ein Gradientfeld -Gz in ent­ gegengesetzter 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 Zeit­ punkt die Spinkomponenten in den anderen Regionen beim vorhergehenden Vorgang beseitigt worden sind, können Daten nur aus dem lokalisierten Bereich S1 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 wieder­ gegeben.

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°-Hochfrequenz­ impulse, 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 T2 beobachtet werden sollen, kann das Signal ohne Beein­ trächtigung des Rauschabstands gewonnen werden. Im Fall von Kernen einer langen Spin-Spin-Relaxation T2 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. 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 vor­ ausgesetzt und seine Mittenfrequenz mit f0 gewählt ist, kann auch ein außermittig versetzter Bereich als lokali­ sierter Bereich gewählt und seine Mittenfrequenz ent­ sprechend variiert werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Magnetresonanz-Spektroskopie, bei dem ein gleichförmiges statisches Magnetfeld (Bo) entlang der z-Achse eines Untersuchungsobjektes angelegt und ein Magnetresonanzsignal aus einem lokalisierten Bereich (S1) innerhalb einer zur z-Achse senkrechten Scheiben-Schnittebene empfangen und auf der Grundlage dieses Resonanzsignals ein Frequenzspektrum des Magnetresonanzsignals gewonnen wird,
wobei zunächst mittels eines ersten Gradientenfelds (Gy) und eines Anregungsimpulses (RF) zwei erste Regionen (31, 32), welche den lokalisierten Bereich einschließen, in der Schnittebene in Richtung einer ersten Koordinate (y′), welche die Achse (z) des statischen Magnetfelds (B₀) kreuzt, selektiv angeregt werden,
wobei anschließend die durch die selektive Anregung in den beiden ersten Regionen (31, 32) entstandenen Quermagnetisierungskomponenten beseitigt werden,
wobei sodann mittels eines zweiten Gradientenfelds (Gx) und eines Anregungsimpulses (RF) zwei zweite Regionen (33, 34), welche den lokalisierten Bereich einschließen, in der Schnittebene in Richtung der zweiten Koordinate (x′), welche die Achse (z) des statischen Magnetfelds (B₀) kreuzt, selektiv angeregt werden,
wobei anschließend die durch die selektive Anregung in den beiden zweiten Regionen (33, 34) entstandenen Quermagnetisierungskomponenten beseitigt werden,
wobei sodann mittels eines dritten Gradientenfelds (Gz, -Gz) und eines Anregungsimpulses (RF) der lokalisierte Bereich (S1) angeregt und
wobei schließlich das Magnetresonanzsignal aus dem lokalisierten Bereich (S1) des Untersuchungsobjektes abgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beseitigung der Quermagnetisierungskomponenten das Gradientenfeld (Gy, Gx) zwei Intervalle (τ₁,τ₂) aufweist, wobei während des zweiten Intervalls (τ2) ein Magnetfeld eines gegenüber dem ersten Intervall (τ₁) erhöhten Intensitätspegels angelegt ist, um die Beseitigung schnell zu bewirken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Anregung mit 90°- Impulsen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Anregung der Reihe nach in Richtung der y-Achse, x-Achse und y-Achse erfolgt, wobei die kreuzenden Koordinaten in der Schnittebene als x-Achse und y-Achse bezeichnet sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gradientenfeld (Gz) in Axialrichtung des Untersuchungsobjektes angelegt wird, und daß danach ein Wiederabbildungsgradientenfeld (-Gz) angelegt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Anregung zweier Regionen in einer Richtung dadurch durchgeführt wird, daß eine Mehrzahl von Signalen unterschiedlicher Mittenfrequenzen (f1, f2, f3, f4) als Träger angelegt werden, wobei die dem lokalisierten Bereich entsprechende Mittenfrequenz (f0) jeweils zwischen den Mittenfrequenzen (f1, f2 ) für die zwei ersten Regionen (31, 32) und den Mittenfrequenzen (f3, f4) für die zwei zweiten Regionen (33, 34) liegt.