DE4326045A1 - Kernspinresonanzgerät mit mindestens zwei Sendefrequenzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernspinresonanzgerät zur Untersu­ chung von ersten Atomkernsorten, die mit zweiten Atomkernsor­ ten kernmagnetisch gekoppelt sind.

Mit medizinischen Kernspinresonanzgeräten, insbesondere Kernspintomographiegeräten wird üblicherweise die Verteilung der in Wassermolekülen gebundenen Protonen untersucht. Diese kommen in Lebewesen häufig vor, und man erhält Bilder mit gutem Signal-Rausch-Verhältnis. Für bestimmte diagnostische Fragestellungen ist jedoch zum Beispiel die Untersuchung von Phosphor (31 P) oder Kohlenstoff (13 C) aussagekräftiger. Diese Atomkerne finden sich jedoch in biologischem Gewebe in wesentlich geringerer Konzentration. Sie sind mit den Proto­ nen kernmagnetisch gekoppelt, so daß zum Beispiel in der Spektroskopie die Linienbreite von Resonanzlinien erheblich vergrößert wird und damit die spektrale Auflösung leidet. Im allgemeinen werden daher während der Signalgewinnung der Protonen-Kernresonanzsignale sogenannte Entkopplungspulse auf der Resonanzfrequenz der Protonen eingestrahlt. Die hierbei verwendete Technik ist in dem Artikel P.R. Luyten "Broadband Proton Decoupling in Human 31 P-NMR Spectroscopy" in NMR in Biomedicine, Vol. 1, No. 4, 1989, Seiten 177 bis 183, be­ schrieben.

Ferner ist es bekannt, daß aufgrund des sogenannten Nuklear- Overhauser-Effekts durch Anregung von Protonen vor der Anre­ gung der Phosphoratome eine deutliche Signalanhebung der Protonen-Kernresonanzsignale erreicht werden kann. Diese Technik ist in dem Artikel von P. Bachert-Baumann "In Vivo Nuclear Overhauser-Effekt in 31P-1H Double Resonance Experi­ ments in a 1.5-T-Whole Body MR-System" in Magnetic Resonance in Medicine 15, (1990), Seiten 165 bis 172, beschrieben.

Sowohl bei der Entkopplung als auch bei Ausnutzen des Nu­ klear-Overhauser-Effekts muß das Untersuchungsobjekt nicht nur mit der Resonanzfrequenz der eigentlich zu untersuchenden Atomkernsorte (z. B. 31 P oder 13 c) beaufschlagt werden, sondern zusätzlich mit Hochfrequenzpulsen auf der Protonen- Resonanzfrequenz. In solchen Fällen wurde daher bisher das Kernspinresonanzgerät (wie z. B. in der zweitgenannten Litera­ turstelle explizit angegeben) mit einem zweiten Hochfrequenz- Kanal ausgestattet. Damit ist jedoch ein erheblicher Aufwand verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, diesen Aufwand zu vermei­ den.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 6 näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 bis 3 schematisch eine Pulssequenz mit Nuklear- Overhauser-Effekt-Pulsen und Entkopplungspul­ sen

Fig. 4 ein herkömmliches Kernspinresonanzgerät mit zwei vollständigen Sendekanälen nach dem Stand der Technik

Fig. 5 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei Umschaltern und

Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, das mit einem Umschalter im Sendekanal aus­ kommt.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen eine Pulssequenz zur Anregung von Phosphoratomen mit Anwendung des Nuklear-Overhauser-Effektes und mit kernmagnetischer Entkopplung zwischen Protonen und Phosphoratomen. Dabei wird mit einer zweiten Hochfrequenz HF2, die gleich der Resonanzfrequenz ω_H der Protonen im vorgegebenen Grundmagnetfeld ist, zunächst eine Folge von sogenannten NOE (Nuklear-Overhauser-Effekt)-Hochfrequenzpul­ sen eingestrahlt. Anschließend wird gemäß Fig. 2 mit einer ersten Hochfrequenz HF1, die gleich der Resonanzfrequenz ω_P von Phosphoratomen im vorgegebenen Grundmagnetfeld ist, ein Hochfrequenz-Anregepuls eingeschaltet. Schließlich folgt die Auslesephase, in der entsprechend Fig. 3 das entstehende Kernresonanzsignal S der Phosphoratome ausgelesen wird. Während der Auslesephase wird gemäß Fig. 1 eine Vielzahl von Entkopplungspulsen PE mit der zweiten Frequenz, also der Resonanzfrequenz ω_H der Protonen eingestrahlt. Bezüglich der genaueren Ausgestaltung der NOE-Pulse sowie deren Wirkungs­ weise wird auf den oben bereits genannten Artikel P. Bachert- Baumann et al. "In Vivo Nuclear-Overhauser-Effect in 31 P - 1 H Double Resonance Experiments in a 1.5 Whole-Body MR-System" in Magnetic Resonance in Medicine 15, Seiten 165 bis 172 (1990) sowie auf das US-Patent 5 189 390 verwiesen. Bezüglich der genaueren Ausgestaltung und Wirkungsweise der Entkopp­ lungspulse wird auf die ebenfalls bereits eingangs genannte Literaturstelle von P.R. Luyten verwiesen. Eine spezielle Pulssequenz für Entkopplungspulse ist ferner in dem Artikel von A.J. Shaka "An Improved Sequence for Broadband Coupling: WALTZ-16" in Journal of Magnetic Resonance 52, Seiten 335 bis 338 (1983) zu finden.

Selbstverständlich können in bekannter Weise zusätzlich zu den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Hochfrequenzpulsen auch Gradientenpulse geschaltet werden, um zum Beispiel Echosignale und/oder eine räumliche Auflösung zu erzeugen. Da die Erfindung jedoch ausschließlich den Hochfrequenzteil betrifft, wird auf die Gradientenpulse hier nicht näher eingegangen.

Zur Erläuterung der Problemstellung ist in Fig. 4 der Hoch­ frequenzteil eines Kernspinresonanzgerätes, mit dem auf zwei Frequenzen gesendet werden kann, schematisch dargestellt. Zur Darstellung eines Gesamtgerätes wird auf das Buch E. Krestel "Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik", 2. Auflage, 1988, Siemens AG, Seiten 479 bis 543, verwiesen.

Die Kurvenform der für die Erzeugung von Kernresonanzsignalen benötigten HF-Pulse wird von einer Sequenzsteuerung 18 digi­ tal als eine Folge komplexer Zahlen bereitgestellt. Der Betrag eines komplexen Zahlenwerts entspricht dabei der augenblicklichen Amplitude und die Phasenlage der Richtung des elektromagnetischen Feldes in einem mit der Resonanzfre­ quenz der jeweiligen Kernspins rotierenden Koordinatensystem. Die digitalen Werte (Real- und Imaginärteil) werden in zwei Digital-Analog-Umsetzern 15 in niederfrequente Spannungspulse umgesetzt und über Tiefpaßfilter 14 werden die durch die digitale Erzeugung der Pulsform entstehenden unerwünschten Oberwellen unterdrückt. Die so erzeugten niederfrequenten Signale, die die Pulsform der Hochfrequenzpulse vorgeben, werden einer Modulatoreinheit 13 zugeführt. Die Modulatorein­ heit 13 besteht aus dem eigentlichen Modulator 13a, der als Einseitenbandmodulator ausgeführt ist, und einem nachgeschal­ teten Mischer 13b. Der Einseitenbandmodulator 13a multipli­ ziert die komplexe Pulsform des am Ausgang des Tiefpaßfilters 14 anstehenden Niederfrequenzsignals mit einem komplexen Trägersignal. Ein Modulator läßt sich am besten realisieren, wenn die Frequenzbereich hinreichend schmalbandig ist. Da bei der Ausgangsfrequenz gewisse Variationen notwendig sind, verwendet man eine einheitliche Zwischenfrequenz ω_ZF als Träger. Diese Zwischenfrequenz ω_ZF wird in einem Synthesizer 17 erzeugt, wobei zwei um 90° versetzte Hochfrequenzsignale durch einen Phasensplitter 16 gewonnen werden.

Wenn die Frequenz der von der Sequenzsteuerung vorgebenen niederfrequenten Signale ω₁ ist, steht am Ausgang des Modu­ lators 13a damit ein moduliertes Signal mit der Frequenz ω_ZF - ω₁ an. Erst ein dem Modulator 13d nachgeschalteter Mischer 13b erzeugt ein Hochfrequenzsignal mit einer der Kernresonanzfrequenz entsprechenden Mittenfrequenz, im darge­ stellten Beispiel mit einer Mittenfrequenz, die der Resonanz­ frequenz ω_P von Phosphoratomen entspricht. Dazu wird dem Mischer zusätzlich zum Ausgangssignal des Modulators 13a mit der Frequenz ω_ZF - ω₁ vom Synthesizer 17 ein Signal mit der Frequenz ω_P + ω_ZF zugeführt. Damit erhält man die Differenz­ frequenz ω_P + ω₁. Der Modulator 13a und der Mischer 13b zusammen werden hier als Modulatoreinheit 13 bezeichnet.

Mit einem steuerbaren variablen Dämpfungsglied 8 wird die Sendeleistung unterschiedlichen Anforderungen der Anlage angepaßt. Eine Torschaltung 6 sperrt den Sendeweg, solange die Anlage im Empfangszustand ist. Damit wird vermieden, daß Rauschen und Trägersignal aus der Modulatoreinheit 13 über den Leistungsverstärker 4 in den Empfangskreis gelangen und das schwache MR-Signal stören. Das Hochfrequenzsignal wird anschließend mit einem Leistungsverstärker 4 verstärkt. Mit der nachgeschalteten Sende-Empfangs-Weiche 30 ist wahlweise der Sendekreis oder der nachfolgend noch erläuterte Empfangs­ kreis an eine Antenne 1 angeschlossen.

Wenn man, wie im vorliegenden Fall, zwei unterschiedliche Sendefrequenzen benötigt, so wird zur Entkopplung der Sende­ zweige untereinander dem Sendezweig mit der höheren Frequenz ein Hochpaß 21 und dem Sendezweig mit der niedrigeren Fre­ quenz ein Tiefpaß 3 nachgeschaltet. Ferner ist die Antenne 1 über eine Filterbox 2 angeschlossen, die die beiden Frequen­ zen voneinander trennt.

Der beschriebene Sendekreis B ist für die zweite Resonanz­ frequenz nochmals vollständig vorhanden, wobei der im zweiten Sendezweig B′ vorhandene Synthesizer 29 zwar zweckmäßiger­ weise mit derselben Zwischenfrequenz ω_zF arbeitet, jedoch eine variable Frequenz ω_H + ω_ZF erzeugt, die an die Reso­ nanzfrequenz der zweiten Atomkernsorte (in diesem Falle also der Protonen) angepaßt ist. Da Protonen eine höhere Resonanz­ frequenz als Phosphoratome haben, wird dieser Sendezweig B′ über einen Hochpaß 21 an den entsprechenden Eingang der Filterbox 2 angeschlossen.

Der Empfangszweig A ist nur einmal vorhanden, da immer nur das Kernresonanzsignal einer Atomkernsorte empfangen wird. Im Empfangszweig wird das Signal über einen Vorverstärker 5 einem Mischer 10a zugeführt, der das um die Kernresonanzfre­ quenz ω_p der untersuchten Phosphoratome liegende Frequenz­ band auf den Zwischenfrequenzbereich ω_ZF bringt, so daß von der Empfangsfrequenz unabhängige Abschwächer 10c und Demodu­ lator 10c verwendet werden können. Mischer 10a, Abschwächer 10b und Demodulator 10c zusammen werden hier auch als Demodu­ latoreinheit 10 bezeichnet. Im Demodulator 10c wird das empfangene Kernresonanzsignal phasenempfindlich demoduliert und Realteil und Imaginärteil werden über ein Tiefpaßfilter 11 und einen doppelt ausgeführten Analog-Digital-Wandler 12 einem Rechner 19 zugeführt, der aus dem empfangenen Signal je nach Anwendung ein Spektrum oder ein Bild der Verteilung der untersuchten Kernart berechnet und auf einem Monitor 20 darstellt.

Durch den im dargestellten Stand der Technik vorhandenen zweiten Sendekanal B′ wird ein erheblicher Mehraufwand verur­ sacht. Dieser Mehraufwand kann vermieden werden, wenn man entsprechend der Erfindung den Sendekanal für beide Sendefre­ quenzen, im Ausführungsbeispiel also zum Beispiel sowohl für die Anregung der Protonen als auch der Phosphoratome nutzt. Dies wird dadurch möglich, daß ein gleichzeitiges Senden auf beiden Resonanzfrequenzen z. B. bei NOE-Pulsen und Entkopp­ lungspulsen nicht nötig ist.

Ein erstes Ausführungsbeispiel hierfür ist in Fig. 5 darge­ stellt. Der Sendekanal B ist dabei identisch zum Sendekanal B nach Fig. 5. Es sind lediglich zwei Synthesizer 17a und 17b vorhanden, von denen einer (17a) die Resonanzfrequenz der Protonen plus die Zwischenfrequenz (ω_H + ω_ZF) und der andere (17b) die Resonanzfrequenz der Phosphoratome plus die Zwi­ schenfrequenz (ω_p + ω_ZF) erzeugt. Über einen Umschalter 32 wird beim Senden auf der Protonen-Resonanzfrequenz der Mischer 13b der Modulatoreinheit 13 im Sendekreis B mit der Frequenz ω_H + ω_ZF angesteuert, beim Senden auf der Phosphor­ atom-Resonanzfrequenz wird durch Umlegen des Umschalters 32 der Mischer 13b mit der Frequenz ω_p + ω_ZF beaufschlagt. Der Mischer 10a der Demodulatoreinheit im Empfangskreis A bleibt stets mit dem Synthesizer 17b verbunden und wird damit mit der Frequenz ω_p + ω_ZF beaufschlagt. Die Zwischenfrequenz ω_ZF bleibt in allen Fällen gleich.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist noch ein zweiter Umschalter 33 vorgesehen, der den Leistungsverstärker 4 des Sendekreises B je nach Sendefrequenz entweder über einen Hochpaß 21 mit dem Protonen-Eingang der Filterbox 2 oder über einen Tiefpaß 31 und die Sende-Empfangsweiche 30 mit dem Phosphor-Eingang der Filterbox 2 verbindet.

Die beiden Umschalter 32 und 33 werden über die Sequenzsteue­ rung 18 angesteuert.

Eine typische Messung nach den Fig. 1 und 2 läuft damit wie folgt ab: Der erste Synthesizer 17b mit der Ausgangsfre­ quenz ω_p + ω_ZF speist ständig den Mischer 10a des Empfangs­ zweigs A und in der dargestellten Stellung des Umschalters 32 auch den Mischer 13b des Sendekreises B. Für die NOE-Pulse nach Fig. 1 werden die Umschalter 32 und 33 betätigt und auf der Protonen-Resonanzfrequenz Hochfrequenzimpulse gesendet, deren Hüllkurve durch die Sequenzsteuerung 18 vorgegeben ist. Danach werden die Umschalter 32 und 33 wieder in die darge­ stellte Lage zurückgebracht und auf der Phosphor-Resonanzfre­ quenz wird ein Anregepuls nach Fig. 2 gesendet. Danach werden die Umschalter 32 und 33 erneut betätigt, so daß der Sendezweig wieder auf die Protonen-Resonanzfrequenz einge­ stellt ist. Während jetzt das entstehende Phosphorsignal nach Fig. 3 im Empfangsteil demoduliert wird, wird auf der Proto­ nenresonanzfrequenz die Entkopplungsfrequenz nach Fig. 1 gesendet.

Bei der dargestellten Anordnung ist also der Sendebetrieb mit zwei unterschiedlichen Frequenzen bei gleichzeitigem Empfang auf einer der beiden Frequenzen mit geringem Mehraufwand (nämlich zweiter Synthesizer und zwei Umschalter) möglich.

Wenn die Sende-Empfangsweiche 30 einen hohen Isolationsgrad aufweist, kann man auf den Umschalter 33 verzichten. Eine entsprechende Schaltung ist in Fig. 6 dargestellt.

Diese Schaltung unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 5 lediglich dadurch, daß der Leistungsverstärker 4 des Sendezweiges B direkt mit der Sende-Empfangs-Weiche 30 und über einen Hochpaß 21 mit dem Protoneneingang der Filterbox 2 verbunden ist. Auch die Ansteuerung läuft wie oben beschrie­ ben ab, wobei lediglich die Ansteuerung des zweiten Umschal­ ters wegfällt.

Claims (6)

1. Kernspinresonanzgerät zur Untersuchung von ersten Atom­ kernsorten, die mit zweiten Atomkernsorten kernmagnetisch gekoppelt sind, wobei in einem Grundmagnetfeld die erste Atomkernsorte eine erste Resonanzfrequenz (ω_p) und die zweite Atomkernsorte eine zweite Resonanzfrequenz (ω_H) auf­ weist, wobei die erste Atomkernsorte von Hochfrequenzfeldern mit der ersten Resonanzfrequenz (ω_p) angeregt und ein ent­ stehendes Kernresonanzsignal ausgelesen wird, und wobei zur Verbesserung der Untersuchung zusätzlich auch Hochfrequenz­ felder mit der zweiten Resonanzfrequenz (ω_H) auf das Untersuchungsobjekt eingestrahlt werden, mit folgenden Merk­ malen:

Das Kernspinresonanzgerät weist einen Empfangskanal (A) mit einer Demodulatoreinheit (10) und nur einen Sendekanal (B) für die beiden Resonanzfrequenzen (ω_p, ω_H) auf, wobei der Sendekanal (B) für jede Resonanzfrequenz je einen die Sende­ frequenz bestimmenden Synthesizer (17a, 17b) und eine für beide Resonanzfrequenzen (ω_H, ω_p) gemeinsame Modulatorein­ heit (13) enthält, wobei der jeweils aktive Synthesizer (17a, 17b) über einen ersten Umschalter (32) wählbar ist.

2. Kernspinresonanzgerät nach Anspruch 1 mit folgenden Merkmalen:

• a) Einer Hochfrequenzantenne ist eine Filterbox (2) für die beiden Resonanzfrequenzen (ω_H, ω_p) vorgeschaltet.
• b) Ein Anschluß der Filterbox (2) für die Resonanzfrequenz der ersten Atomkernsorte ist mit einer Sende-/ Empfangs­ weiche (30) verbunden.
• c) Der Sendekanal (B) weist einen HF-Endverstärker (42) auf, der über einen zweiten Umschalter (33) wahlweise mit dem Anschluß der Filterbox (2) für die zweite Reso­ nanzfrequenz oder mit der Sende-Empfangsweiche (30) ver­ bindbar ist.

3. Kernspinresonanzgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen zweitem Umschalter (33) und Filterbox (2) über einen Hochpaß (21) und die Verbindung zwischen zweiten Umschalter (33) und Sende-/Empfangsweiche (30) über einen Tiefpaß (31) erfolgt.

4. Verfahren zum Betrieb eines Kernspinresonanzgerätes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei vor Anregung der zu unter­ suchenden Atomkernsorte Overhauser-Pulse eingestrahlt werden, mit folgenden Schritten:

• a) Der die erste Resonanzfrequenz (ω_p) bestimmende Synthe­ sizer (17b) speist ständig die Demodulatoreinheit (10) des Empfangszweiges (A) und in einer ersten Stellung des ersten Umschalters (32) auch die Modulatoreinheit (13) des Sendezweiges.
• b) Zur Einstrahlung von Overhauser-Pulsen wird der erste Umschalter (32) in eine zweite Stellung gebracht, so daß die Modulatoreinheit (13) mit dem die zweite Resonanz­ frequenz (ω_H) bestimmenden Synthesizer (17a) verbunden ist.
• c) Auf der zweiten Resonanzfrequenz (ω_H) werden Over­ hauser-Pulse gesendet.
• d) Der erste Umschalter (32) wird wieder in die erste Stel­ lung gebracht und Anregepulse für die zu untersuchende Atomkernsorte eingestrahlt.
• e) Das entstehende Kernresonanzsignal wird über den Emp­ fangszweig (A) ausgelesen.

5. Verfahren zum Betrieb eines Kernspinresonanzgerätes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei während des Auslesens der Kernresonanzsignale Entkopplungspulse auf der zweiten Reso­ nanzfrequenz eingestrahlt werden, mit folgenden Schritten:

• a) Der die erste Resonanzfrequenz (ω_p) bestimmende Synthe­ sizer (17b) speist ständig eine Demodulatoreinheit (10) des Empfangszweiges und in einer ersten Stellung des er­ sten Umschalters (32) auch die Modulatoreinheit (13) des Sendezweiges.
• b) In der ersten Stellung des ersten Umschalters (32) wer­ den Anregepulse für die zu untersuchende Kernart einge­ strahlt.
• c) Der erste Umschalter (32) wird in eine zweite Stellung gebracht, so daß die Modulatoreinheit mit dem die zweite Resonanzfrequenz (ω_H) bestimmenden Synthesizer (17a) verbunden ist.
• d) Auf das Untersuchungsobjekt werden Entkopplungspulse auf der zweiten Resonanzfrequenz (ω_H) eingestrahlt, und gleichzeitig werden Kernresonanzsignale auf der ersten Resonanzfrequenz (ω_p) über den Empfangszweig (A) ausge­ lesen.