DE69029091T2 - Verfahren zur bilderzeugung mittels magnetischer kernresonanz - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf NMR-Abbildungsverfahren und findet besondere Anwendung in Verfahren zum Erhalten von NMR-Abbildungsinformationen von massiven Objekten.
• Die NMR-Abbildung massiver Objekte ist nicht bis zum gleichen hohen Entwicklungsstand wie die NMR-Abbildung flüssiger und quasi-flüssiger Materialien entwickelt worden. Die Hauptschwierigkeiten bei einer NMR-Abbildung in Festkörpern ergeben sich wegen der schnellen Zerfallsrate der transversalen Magnetisierung. Mit anderen Worten ist die gewöhnlich als T&sub2; bezeichnete charakteristische Spin-Spin-Relaxationszeit kurz. Um eine ausreichende räumliche Lokalisierung der ausgewählten Kernspins in einem Objekt zu erzeugen, müssen große Magnetfeldgradienten überlagert werden, die die Signalzerfallsrate sogar weiter erhöhen. Unter solchen Umständen wird ein Großteil des Signals in der Totzeit der Vorrichtung nach der Anwendung eines HF-Anregungsimpulses verloren. Der Anregungsimpuls selbst muß auch eine große Amplitude haben, um eine Resonanz anzuregen. Weil in Festkörpern die charakteristische Spin-Gitter-Relaxationszeit T&sub1; viel länger als T&sub2; ist, muß überdies ein beträchtliches Zeitintervall von mehreren T&sub1;'s verstreichen, bevor ein Experiment wiederholt werden kann. Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, bei dem die obigen Schwierigkeiten überwunden sind.
• Das US-Patent US-A-4833411 beschreibt ein NMR-Verfahren zum Abbilden von Festkörpern, in dem eine Sequenz eines Paares von HF-Impulsen (90Xº und 90Yº) auf einen Festkörper gerichtet bzw. angewandt wird, der mit einem Zeitintervall (τ) nach jedem Impuls abgebildet wird. Ein statisches Magnetfeld wird aufrechterhalten, und in den genannten Zeitintervallen wird ein magnetisches Gradientenfeld überlagert, wobei die Zeitintegrale der Gradientenbeträge der Gradientenfelder gleich sind. Ein Echosignal des Festkörpers mittels freier Induktion wird am Ende des zweiten Zeitintervalls detektiert. Die Sequenz wird für verschiedene Werte des Zeitintegrals wiederholt, um einen Satz von Signalen zu erhalten, und Fouriertransformationen werden dann bezüglich des Zeitintegrals an dem Satz ausgeführt, um eine eindimensionale Information zu erhalten. Eine zweidimensionale Information kann von mehreren Sätzen von Signalen erhalten werden, wobei jeder Satz bei Vorhandensein eines zusätzlichen orthogonalen Gradientenfeldes mit einem verschiedenen Wert für jeden Satz erhalten wird.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Erhalten von NMR-Abbildungsinformationen von einem massiven Objekt die Schritte, bei denen ein Objekt einem statischen Magnetfeld ausgesetzt wird, ein einzelner 90º-HF-Anregungsimpuls auf das Objekt bei Vorhandensein eines sich sinusförmig ändernden magnetischen Gradientenfeldes gerichtet wird, so daß Gradientenechos des freien Induktionssignals durch sukzessive Umkehrungen des Gradientenfeldes gebildet werden, und die so gebildeten Echosignale detektiert werden.
• Die Beziehung zwischen dem Anregungsimpuls und dem sich sinusförmig ändernden Gradientenfeld ist vorzugsweise derart, daß das Gradientenfeld zu dem Zeitpunkt im wesentlichen Null ist, zu dem der Anregungsimpuls angewandt wird. Der Anregungsimpuls ist vorzugsweise ein selektiver Impuls.
• Beim Ausführen der Erfindung können zusätzliche HF-Impulse zu den Zeitpunkten von Echospitzen angewandt werden. Diese zusätzlichen Impulse dienen dazu, die Amplituden der Echospitzen aufrechtzuerhalten. Die HF-Phase der zusätzlichen Impulse ist vorzugsweise um 90º gegen die HF-Phase des Anregungsimpulses phasenverschoben. Die zusätzlichen Impulse können nicht-selektiv sein.
• Damit die Erfindung vollständiger verstanden wird, wird nun auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen, in der:
• Figur 1 schematisch eine Wellenform eines Experiments veranschaulicht, das die Erfindung darstellt.
• In Figur 1 ist nun ein zeitabhängiges sinusförmiges magnetisches Gradientenfeld G dargestellt. Die Leistungsanforderung, um Gradientenspulen zu speisen, um die sinusförmige Wellenform G zu erzeugen, kann durch Einbauen einer Kapazität und Abstimmen des sich ergebenden Systems auf Resonanz reduziert werden. Die Zykluszeit der Wellenform G beträgt 2τ, und sie geht durch Nullstellen zu Zeitpunkten τ und Vielfachen davon, gemessen von einem Anfangspunkt 0 aus. Zur Zeit 0 wird ein selektiver 90º- HF-Anregungsimpuls P angewandt. Der Impuls P hat eine passende Frequenz, um Resonanzkerne in einer Scheibe in einem Objekt anzuregen. Ein freies Induktionszerfallssignal F wird erzeugt. Die Zeitspanne, während der das Signal F in Festkörpern nutzbar ist, bevor es zerfällt, ist extrem kurz. Die Zeitspanne wird ferner durch die 'Totzeit' D der Vorrichtung unmittelbar nach dem Impuls P reduziert. Es ist nicht möglich, die Vorrichtung in der Zeit D zu verwenden, um das Signal F zu detektieren.
• Infolge des Effekts der wiederholten Umkehrungen des Gradientenfeldes G wird das Anfangssignal F als eine Sequenz eines Echosignals E mit Spitzen zu dem Zeitpunkt 2τ und Vielfachen davon regeneriert werden&sub1; aber mit fortschreitend abnehmenden Spitzenbeträgen.
• Man wird erkennen, daß das erste Echo E und natürlich nachfolgende Echos weit nach dem Ende der Totzeit D auftreten. Weil der 90º-Impuls P auftritt, wenn die Amplitude des Feldgradienten G bei oder nahe Null liegt, ist überdies die Leistungsanforderung für den HF-Impuls minimal. Die Einhüllende des Echosignals E enthält eine räumlich codierte Information bezüglich der Spindichteverteilung von Resonanzkernen in dem massiven Objekt in der Richtung des Gradientenfeldes G. Das Signal muß jedoch, z.B. durch nichtlineares Abtasten, decodiert werden, indem man die Zeitabhängigkeit des magnetischen Gradientenfeldes G und seines Betrags berücksichtigt.
• Die Spitzen der Amplitude aufeinanderfolgender Echos zerfallen mit einer charakteristischen Zeit T&sub2;. Dieser Zerfall ist in einem Festkörper ziemlich schnell, aber die Zerfallsrate kann durch Anwenden zusätzlicher HF-Anregungsimpulse verlangsamt werden, die dahingehend wirken, daß sie die Echosignale E wiederauffrischen bzw. erneuern. Diese zusätzlichen Impulse werden zu den Zeiten von Echospitzen eingeführt und sind in der HF-Phase um 90º gegen den ursprünglichen Anregungsimpuls P phasenverschoben.
• Die Anwendung zusätzlicher Impulse erzeugt Totzeitprobleme, die einen Teil (oder Großteil) der zweiten Hälfte jedes Echos undeutlich machen bzw. verbergen. Optimale Ergebnisse werden durch Erfassen von allein der ersten Hälfte jedes Echos für eine Datenverarbeitung erzielt. Eine alternative Prozedur ist, die HF-Impulse anzuwenden, um mit alternierenden Echos übereinzustimmen, vorausgesetzt, daß die Impulstrennung noch kürzer als oder annähernd gleich T&sub2; ist. Die Zwischenechos werden zur Datenerfassung verwendet. Die Daten von jedem detektierten Echo werden summiert, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.
• Wenn ein Impuls bei der Spitze des Echos beginnt, ist die Magnetisierung spingebunden, und der Zerfall der transversalen Magnetisierung infolge des Feldgradienten wird bis nach dem Ende des Impulses nicht stattfinden, vorausgesetzt, daß die Amplitude B&sub1; des Impulses im Vergleich zu Gx groß ist, wo x die Abtastdimension in der Richtung des Feldgradienten G ist. Um den Zerfall infolge der dipolaren Wechselwirkungen zu minimieren, muß B&sub1; größer als das dipolare lokale Feld sei. Die Impulslänge sollte sehr viel kürzer als T1p, die charakteristische Spin-Gitter-Relaxationszeit in dem sich drehenden Bezugssystem, sein.
• Um nach einem Decodieren der Echo-Einhüllenden Effekte infolge der Zeitabhängigkeit des Feldgradienten zu entfernen, wird das decodierte Signal in der üblichen Weise einer Fouriertransformation unterzogen, um die räumliche Verteilung der Resonanzkerne aus einer Spin-Echo-Einhüllenden in einem angenommenen konstanten linearen magnetischen Feldgradienten zu erzeugen.
• Die durch die oben beschriebenen Verfahren erhaltenen Abbildungsinformationen beziehen sich auf die Spinverteilung der ausgewählten Kerne in dem Objekt in der Richtung des magnetischen Gradientenfeldes. Durch Ändern der Richtung des Gradientenfeldes in aufeinanderfolgenden Zyklen dieses Feldes können Abbildungsinformationen bezüglich entsprechender verschiedener Richtungen erhalten werden, und ein vollständiges zweidimensionales Bild kann dann durch eine Projektionsrekonstruktion erzeugt werden. Beim Decodieren der Abbildungsinformation muß der Zerfall der Einhüllenden der Echoamplitude berücksichtigt werden. Auf diese Weise wird die zweidimensionale Information in einer Zeit von der Größenordnung der Zerfallszeit der transversalen Magnetisierung ermittelt, die typischerweise viel kürzer als eine Sekunde ist.

Claims (7)

1. Verfahren zum Erhalten von NMR-Abbildungsinformationen von einem massiven Objekt, bei dem ein Objekt einem statischen Magnetfeld ausgesetzt und ein einzelner 90º-HF-Anregungsimpuls auf das Objekt bei Vorhandensein eines sich sinusförmig ändernden magnetischen Gradientenfeldes gerichtet wird, so daß Gradientenechos des freien Induktionssignals durch sukzessive Umkehrungen des Gradientenfeldes gebildet werden, und die so gebildeten Echosignale detektiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Gradientenfeld zu dem Zeitpunkt einer Anwendung des Anregungsimpulses im wesentlichen Null ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Anregungsimpuls ein selektiver Impuls ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin zusätzliche HF-Impulse zu den Zeitpunkten von Echospitzen angewandt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, worin die HF-Phase der zusätzlichen Impulse um 90º gegen die HF-Phase des Anregungsimpulses phasenverschoben ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, worin die zusätzlichen HF-Impulse nicht-selektiv sind.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Gradientenrichtung des sich sinusförmig ändernden magnetischen Gradientenfeldes in dessen aufeinanderfolgenden Zyklen geändert wird.