FI65862C

FI65862C - Nmr-avbildningsapparat

Info

Publication number: FI65862C
Application number: FI823444A
Authority: FI
Inventors: Raimo Sepponen
Original assignee: Instrumentarium Oy
Priority date: 1982-10-11
Filing date: 1982-10-11
Publication date: 1984-07-10
Also published as: US4626784A; JPS5991345A; GB8327028D0; DE3336694C2; DE3336694A1; GB2129139B; FI823444A0; GB2129139A; FI65862B

Description

65862

NMR-KUVAUSLAITTEISTO - NMR-AVBILDNINGSAPPARAT

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 mukainen ydinspin- eli NMR-kuvauslaitteisto (NMR = Nuclear Magnetic Resonance; ydinmagneettinen resonanssi).

5 Ydinspinkuvaus on uusi materiaa rikkomaton tutkimus menetelmä, jonka eräänä tärkeimpänä sovellutusalueena on lääketieteellinen diagnostiikka. Ydinspihkuvauksen periaatteen esitti P. Lauterbur vuonna 1973. (Lauterbur:

Nature voi. 242, March 16, 1973, s. 190...191). Tätä 10 aikaisemmin oli R. Damadian esittänyt eräänlaisen NMR

ilmiöön perustuvan tutkimuslaitteiston toiminta-ajatuksen. (Damadian: US. PAT. 3,789,832). Ydinspinkuvausmene-telmiä on kehitetty monia, joita on kuvattu mm. viitteissä Ernst: US. PAT. 4,070,611, Garroway et ai: US. PAT.

15 4,021,726 ja Moore et ai: US. PAT. 4,015,196.

Ydinspinkuvaus, samoin kuin muut NMR-tutkimusmenetelmät, perustuvat siihen, että eräiden alkuaineiden ytimillä on 20 magneettinen momentti. Tällaisia alkuaineita ovat mm.

vety, fluori, hiili ja fosfori, joiden tietyillä isotoopeilla on ydinmagneettinen momentti. Tarkastellaan esimerkiksi vetyatomin ydintä eli protonia, joka on positiivisesti varautunut alkeishiukkanen. Protoni pyörii oman 25 akselinsa ympäri eli sillä on tietty spin. Pyöriminen synnyttää protonin magneettisen momentin ja myös pyörimisakselin suuntaisen huimamomentin.

Jos joukko vetyatomeja asetetaan ulkoiseen magneettikent-30 tään B0, enemmistö ytimien magneettisista momenteista asettuu ulkoisen kentän B0 suuntaiseksi ja siten vety-atomi joukkoon syntyy nettomagnetisaatio Mn, joka on suoraan verrannollinen ulkoiseen magneettikenttään B0. Kohteena olevan atamijoukon lämpötila vaikuttaa kuitenkin 35 siihen, miten suuri nettomagnetisäätiön synnyttävä enemmistö on verrattuna koko ydinjoukon suuruuteen. Kohteen ollessa esimerkiksi ihmiskehon lämpötilassa ydinjoukon enemmistön ja vähemmistön osuuksien määrällinen erotus on 65862 vain noin miljoonasosa kaikkien ytimieri lukumäärästä. Jos kohteen lämpötilaa voitaisiin alentaa, nettomagnetisaatio kasvaisi kääntäen verrannollisena kohteen absoluuttiseen lämpötilaan.

5

Puissi-NMR~tutkimuksissa poikkeutetaan syntynyt nettomagnetisaatio Mn voimakkaalla radiotaajuisella magneetti-pulssilla 90° ulkopuolisen magneettikentän B0 suunnasta. Ytimien spinin synnyttämien huimamomentin sekä magneettiko sen momentin ja ulkoisen kentän vuorovaikutuksesta johtuen joutuu syntynyt nettomagnetisaatio prekessioliikkee-seen. Prekessoivan magneettisen momentin kulmanopeus on suoraan verrannollinen ulkoiseen magneettikenttään kaavan 1 osoittamalla tavalla 15 (1) W0 - Y B0 missä γ on gyromagneettinen suhde B0 on ulkoisen magneettikentän voimakkuus WQ on nk. Larmor-taajuus 20

Jos kohteen ulkopuolelle asetetaan induktiokela ja kondensaattori, jotka muodostavat resonanssipiirin, indusoi prekessoiva magnetisaatio resonanssipiirin napoihin signaali jännitteen. Signaalijännitteen Vs amplitudi on suo-25 raan verrannollinen resonanssipiirin Q-arvoon eli hyvyys-lukuun .

Tärkeämpi suure kuin signaalijännite on signaali/kohina-suhde SNR. Ydinspinkuvaus samoin kuin muutkin NMR-tutki-2q mukset riippuvat saavutettavasta signaali/kohinasuhtees-ta. Jätettäessä tutkittavan kohteen sähköiset häviöt huomiotta saadaan signaali/kohinasuhteeksi: (2) SNR * kNAf(CW|/LB)l/2 35 missä k on kentästä riippumaton vakio N on detektiokelan kierrosluku A on kelan poikkipinta-ala f on täyttösuhde Q on kelan hyvyysluku W0 on Larmor-taajuus L on kelan induktanssi B on käytetty kaistaleveys 3 65802

Kuten kaavasta 2 havaitaan on NMR-kuvauksessa saavutettava signaali/kohina -suhde kääntäen verrannollinen kaistaleveyden neliöjuureen. Ydinspinkuvauksessa kohteen yli on asetettu signaalinkeruun ajaksi magneettikenttä-gradientti. Jos gradientin suuruus on g [τ/m] ja kohteen 5 projektio gradientin suuntaan on pituudeltaan 1 ( m] , kohteen signaalikelaan indusoivan NMR-signaalin taajuuskaistan leveys BW on (3) BM - 2? · g · 1 10

Tyypillisesti 1 * 0.2 m, jos kuvauskohteena on ihmisen pää, ja 1 3 0.5 n kuvauskohteen ollessa ihmiskehon rintakehän alue. Käytetyt gradientit ovat yleensä luokkaa g = 1 mT/m. Tällöin päänkokoisesta kohteesta saatavan signaa-15 Iin kaistaleveys on BW “ 8 kHz ja rintakehän alueesta BW * 20 kHz. Normaalissa toiminnassa sairaalaympäristössä joudutaan samalla laitteistolla suorittamaan peräkkäin kuvauksia eri kokoisista kohteista: välittömästi pääkuvauk-sen jälkeen suoritetaan vartalokuvaus. Jos molemmissa ku-20 vauksissa käytetettyjen gradienttien voimakkuus on vakio, signaalin kaistaleveys vartalokuvauksessa on noin kaksi kertaa suurempi ja tarvittava signaalin keruukaista on myös kaksi kertaa suurempi. Tällöin on edullista pää-kuvaukseen siirryttäessä pienentää signaalinkeruun kaista-25 leveyttä ja siten parantaa signaali/kohina -suhdetta.

Tekniikan tason mukaisesti on tunnettua käyttää eri taa-juuskaistaleveyksiä laitteiston ollessa viritettynä pää-kuvauksiin tai vartalokuvauksiin. Tällöin molemmissa ta-30 paukslssa käytetyt kaistaleveydet on mitoitettava siten, että kaikki kyseeseen tulevat kuvauskohteet voidaan kuvata. Tällöin käytetty kaistaleveys on useimmissa tapauksissa liian suuri ja siten signaali/kohina -suhde on pienempi kuin mitä se optimissaan voisi olla.

35

Julkaisussa US 4,184,110, on esitetty ydinspinkuvauslait-teen periaateratkaisu, jossa signaalin ilmaisun jälkeen on suodattimet, joiden kaistaleveyden määrää signaalin- 4 65862 keruujakson pituus eikä kohteen mitat. Mainittujen suodattimien kaistaleveyttä ei ole järjestetty muuttuvaksi kohteen mukaan, joten laitteiston signaali/kohina-suhde on tarpeettoman kaistaleveyden vuoksi optimaalista heikompi.

5

Hakemusjulkaisussa GB 2 091 884 on esitetty kuvauslaitteen toimintaperiaate, jossa vaiheilmaisimen jälkeisten ali-päästösuodattimien kiinteä kaitaleveys on määritelty siten, että se on hieman suurempi kuin suurimman mahdolli-10 sen kohteen synnyttämän signaalin taajuuskaista. Tässäkin tapauksessa signaali/kohina-suhde ei ole optimaalinen pienemmillä kohteilla.

Keksinnön tavoitteena on luoda ydinspinkuvauslait-15 teisto, jonka signaali/kohina -suhde voidaan optimoida kuvauskohteesta riippumatta.

Keksinnön tavoite saavutetaan patenttivaatimuksen 1 mukaisella suodatinjärjestelyllä. Keksinnön mukaisessa suoda-tinjärjestelyssä määritetään kohteen halkaisija ja sijoi-20 tus gradienttikenttiin nähden ja näiden perusteella muutetaan signaalinkeruussa käytettävää kaistaleveyttä.

Keksintöä kuvataan tarkemmin seuraavassa viitaten oheiseen piirustukseen, jossa 25 - kuvio 1 esittää erästä yleistä ydinspinkuvauslaitteis-ton lohkokaaviota, - kuvio 2 esittää keksinnön mukaisen ydinspinkuvauslait-30 teiston lohkokaaviota, - kuviot 3a ja 3b esittävät keksinnön mukaisen laitteiston toimintaa nk. Fourier-kuvausmenetelmissä, 35 - kuvio 4 esittää keksinnön mukaisen laitteiston toimin taa nk. projektiorekonstruktio menetelmissä, - kuvio 5 esittää yleisesti kohteen sijainnin määrittämistä gradienttikentässä, 5 65862 - kuvio 6 esittää kohteen sijainnin ja ulottuvuuksien määrityksen erilaisia toteutusperiaatteita, ja - kuvio 7 esittää erästä keksinnössä sovellettavaa ali-päästösuodattimen kytkentää.

5

Kuten kuviosta 1 käy ilmi tunnettuun ydispinkuvauslait-teistoon kuuluu magneetti 1 homogeenisen magneettikentän synnyttämiseksi radiotaajuisten signaalien lähettäjänä ja aikaansaatujen NMR-signaalien vastaanottimena toimivan signaalikelan 2 ympäröimälle kuvausalueelle, gradientti-kelastot 3 x-, y- ja z-suuntaisten magneettikenttägra-dienttien synnyttämiseksi sekä sovitinyksikkö 4 signaali-kelan sovittamiseksi etuvahvistimeen 5 ja radiotaajuus-lähettimeen 6. Etuvahvistin liittyy vahvistimeen 7, joka 15 vahvistaa signaalin riittäväksi kvadratuuri-ilmaisintä 8 varten. Ilmaistu signaali johdetaan alipäästösuodattimil-le 9 ja 10 ja suodatustulos muunnetaan digitaaliseksi muuntimisea 11 ja 12. Kerätty signaalitieto käsitellään prosessorissa 13, jolle käyttäjä päätteen 14 avulla antaa 20 kuvausparametrit. Kuvatulos esitetään videonäytöllä 15.

Prosessori ohjaa myös laitteiston gradienttivirtalähdettä 16, joka syöttää gradienttikelastoon 3 tarvittavat virrat gradienttikenttien synnyttämiseksi. Laitteistoon kuuluu lisäksi perustaajuuden antava, stabiili oskillaattori 17, 25 modulaattori 18 ja vaiheensiirtäjä 19.

Kuviosta 2 käy ilmi keksinnön mukaisen ydinspinkuvauslait-teiston lohkokaavio, joka kuvion 1 mukaisen laitteiston lohkokaavion osien lisäksi sisältää välineet 20 kohteen 30 ulottuvuuksien ja sijainnin määrittämiseksi kuvaustilassa sekä välineet 21 kohteen ulottuvuus- ja sijainti-informaation käsittelemiseksi ohjaamaan alipäästösuodattimia 9 ja 10.

35 Kuviossa 3A on sylinterin muotoinen kohde K sijoitettu gradienttikenttään GR, jonka voimakkuus on a Teslaa/m. Kuviossa 3B pienempi kohde K' puolestaan on sijoitettu gradienttikenttään GR.

6 ό5862

Eräissä ydinspinkuvausmenetelmissä kuvauskohde viritetään kohdistamalla siihen tehokas virityspulssi. Tämän jälkeen virittynyt ydinsysteemi koodataan vaihekoodausgradien-tilla tiettyyn suuntaan ja koodattu ydinspinsignaali luetaan lukugradientin vaikutuksen alaisena. Lukugradient-5 tien vaikutuksesta havainnoitavan signaalin taajuus- spektri riippuu kohteen mitoista. Kuten kuvioista 3 käy ilmi gradienttikenttään sijoitetusta kohteesta indusoitavan signaalin taajuuskaista on yhtälön 3 mukaisesti 10 ^ . 2x . a(Hz} eli . ax(Hz], Ύ kuvion 3A tapauksessa ja vastaavasti -n-’ax' kuvion 3B tapauksessa. Siten kuvion 3B kohteen kuvaamiseen tarvittava kaistaleveys on pienempi kuin kuvion 3Ά kohteen ku-15 vauksesea tarvittava kaistaleveys. Keksinnön mukaisesti määritetään nyt kohteen halkaisija ja sijainti gradientti-kentässä välineillä 20 ja saadun tuloksen perusteella säädetään välineiden 21 avulla alipäästösuodattimien 9 ja 10 kaistaleveyttä. Täten saavutetaan kuvion 3B tapauksessa 20 signaali/kohina -suhteen parannus, joka on luokkaa Vx/x^1.

Jos esimerkiksi x * 2x' , on keksinnön avulla saavutettava signaali/kohina -suhteen parannus noin 1,4-kertainen, mikä vastaa kokokehon kuvauksessa magneettikentän voimakkuuden nostamista 1,4-kertaiseksi eli magneetin kulutta-25 man tehon kaksinkertaistamista. Normaalisti kokokehon kuvauksiin soveltuva magneetti kuluttaa noin 50 kW eli te- e hon lisääminen aiheuttaisi huomattavat lisäkustannukset.

Projektiorekonstruktiomenetelmissä kohteesta muodostetaan 30 projektioita virittämällä kohdealue ja lukemalla syntyvä NMR-signaali tietyn suuntaisen gradienttikentän ollessa kytkettynä. Virityssignaalin keruujakso toistetaan monta kertaa muuttamalla joka kerta lukugradientin suuntaa. Kerätyille signaaleille suoritetaan spektrianalyysi ja saa-35 duista projektioista muodostetaan tunnettujen rekonstruktiot ekniiko iden avulla kuva kohteen sisäisestä rakenteesta.

7 65862

Kuviossa 4 on havainnollistettu keksinnön toimintaperiaatetta projektiorekonstruktiomenetelmässä. Kuvauskohde ei käytännössä ole sylinterisymmetrinen, joten signaalia kerätessä on edullista käyttää kaistaleveyttä, joka vastaa kohteen projektion ulottuvuutta lukugradientin suuntaan 5 nähden. Näin ollen esimerkiksi kuvion 4 tapauksessa, jossa ihmiskehon muotoinen kohde K‘ ' on sijoitettu muuttuvaan gradienttikenttään, jonka aiheuttamat magneettikentän muutokset ovat Δ E^, Δ ja Δ B^, kuvioon piirretyissä suunnista, kaistaleveyden on oltava suurin 10 lukugradientin GR1 ollessa kytkettynä eli ^. ΔΒ^, missä siis Δ B* on gradientin GR1 kohteen yli aiheuttama GR ~ magneettikentän muutos. Vastaavasti GR* tapauksessa V 2 o V 3 kaistaleveys on . Δ BGR ja GR·3 tapauksessa yp ΔΒ^, 15 Kuvion 4 mukaan pätee, että "2π ·ΔΒ^> ^ . ΔΒ^> ^ .ΔΒ^#

Keksinnön mukaisesti välineet 20 määrittävät kohteen projektion ulottuvuuden gradientin suuntaan nähden ja välineet ohjaavat suodattimia 9 ja 10 siten, että niiden kais-20 taleveys on optimoitu*

Kuviossa 5 on esitetty yleisempi tapaus kohteen sijoittumisesta epäsymmetrisesti gradienttikenttään. Jos tällöin NMR-signaali ilmaistaan vaiheilmaisimessa 8 käyttäen ver-25 tailutaajuutena magneetin 1 synnyttämää magneettikenttää vastaavaa resonanssitaajuutta, suodattimien kaistaleveydeksi on asetettava kohteen suurinta ulottuvuutta gradienttikenttään nähden vastaava taajuus eli kuvion 5 tapauksessa taajuus (2£-e)aHz.

30

Keksinnön mukaisesti välineet 20 määrittävät paitsi kohteen projektion ulottuvuuden myös kohteen sijainnin gradient tike n tässä ja välineet 21 asettavat suodattimien 9 ja 10 kaistaleveyden optimiinsa.

35

Kuvioissa 6A - 6C on esitetty eri tapoja kohteen ulottuvuuksien ja paikan määräämiseksi automaattisesti. Kuviossa 6A välineisiin 20 kuuluu valolähde 22, joka lähettää 8 65862 hyvin kollimoidun valonsäteen valokennoon 23. Valolähde ja valokenno on järjestetty liikkuvaksi ohjaimia 25 pitkin niin, että kohteen paikka gradienttikenttään nähden saadaan selville. Vastaavasti kuviossa 6B on välineet 20 toteutettu ultraäänitutkalla 26, 27. Kuviossa 6C on 5 puolestaan esitetty kohteen K koon ja sijainnin määrittä minen gradienttikentässä käyttämällä valolähdettä ja valo-kennoa. Kussakin yllä mainitussa tapauksessa on antureiden pyyhkäisysuunta tai anturirivin suuntaus suoritettava siten, että se vastaa magneettikenttägradientin suuntaa.

10 Näin ollen projektiokuvausmenetelmää käytettäessä on antu-rijärjestelyn oltava suunnattavissa aina eri gradientin suunnan mukaan. Kuitenkin on myös mahdollista tyytyä määrittämään kohteen ulottuvuus ja sijainti vain esimerkiksi kahdessa toisiinsa nähden kohtisuorassa suunnassa ja käyt-15 tää näin saatua tulosta hyväksi suodattimien 9 ja 10 kaistaleveyden ohjaamiseksi.

Eräs edullinen suoritusmuoto on käyttää hyväksi ydinspin-kuvauslaitteistoa tarvittavan kaistaleveyden määrittämi-20 seen: kohde viritetään radiotaajuisella sähkömagneettisella pulssilla ja lukugradientin ollessa kytkettynä indusoituva signaali analysoidaan. Prosessori 13 analysoi indusoituneen signaalin spektrin ja asettaa suodattimen 9 ja 10 kaistaleveyden optimiinsa. Tarkkuuden paranta-25 miseksi voidaan viritys ja havainnointisekvenssi toistaa tarvittavan monta kertaa. Projektiomenetelmässä voidaan muodostaa ensin kohteesta karkea kuva käyttämällä esimerkiksi 4...32 projektiota ja määrittää prosessorin 13 avulla tarvittava kaistaleveys.

30

Myös voidaan tarvittava kaistanleveyden säätö toteuttaa ohjaamalla suodattimien 9 ja 10 kaistaleveyttä signaali-kelan halkaisijaa vastaavalla signaalilla: signaalikelan halkaisijaa voidaan muuttaa kohteen kokoa vastaavasti, 35 jos kela on toteutettu suomalaisessa patenttihakemuksessa n:o 822406 (kelajärjestely) esitetyllä tavalla. Tällöin kelan halkaisijan muuttamiseen liittyviin välineisiin voidaan liittää välineet kelan halkaisijaa vastaavan

Claims

6 5 8 6 2 9 signaalin synnyttämiseksi ja tämän signaalin avulla voidaan suodattimien 9 ja 10 kaistaleveyttä muuttaa. Tunnetusti tarvittava näytteenottotaajuus signaalin 5 rekonstruoimiseksi on kaksi kertaa suurempi kuin signaa lin sisältämä suurin taajuus. Keksinnön mukaisesti voidaan esimerkiksi edellä kuvatuin tavoin saatua tietoa signaalin kaistaleveydestä käyttää A/D-muuntimien 11 ja 12 näytteenottotaajuuden määräämiseksi. Suodattimet 9 ja 10 voidaan toteuttaa käyttämällä esimerkiksi National Semiconductorin (USA) valmistamaa, taajuus-ohjattavaa aktiivisuodatinpiiriä MF10. Kuviossa 7 on esitetty neljännen asteen alipäästösuodatin, joka soveltuu 15 keksinnön mukaiseen käyttötarkoitukseen. Alipäästösuoda-tuksen rajataajuus fr voidaan määrätä ohjaussignaalin CLK taajuudella fcLK seuraavasti fr fCLK/50 20 fcLK saadaan välineistä 20 saatavan kohteen paikka- ja * ulottuvuustiedon perusteella. Välineet 21 on edullista toteuttaa mikroprosessorilla, joka käsittelee saadun informaation ja muodostaa sen perusteella signaalin CLK. 25 Keksintö ei millään tavoin ole rajoitettu edellä esitettyihin sovellusmuotoihin, vaan useita muunnelmia on ajateltavissa oheisten patenttivaatimusten puitteissa. 30 PATENTTIVAATIMUKSET 1 Ydinspin- eli NMR-kuvauslaitteisto, johon kuuluu välineet (1) homogeenisen magneettikentän aikaansaami-35 seksi tutkittavan kohteen kuvausalueelle, gradientti-kelastot (3) yhden tai useamman keskenään kohtisuoran magneettikenttägradientin aikaansaamiseksi mainittuun homogeeniseen magneettikenttään, kuvausaluetta ainakin pääasiallisesti ympäröivä signaalikela (2) kuvausalueen 10 65862 virittämiseksi radiotaajuisilla pulsseilla ja synnytettyjen NMR-signaalien vastaanottamiseksi kuvausalueelta, vahvistinvälineet (5, 7) ja suodatinvälineet (9, 10) ilmaistuja NMR-signaaleja varten sekä tietojenkäsittelyväli-5 neet ja näyttölaitteet kerätyn informaation kuvantamista varten, tunnettu siitä, että signaalikelan (2) sisään sijoitetun, tutkittavan kohteen kuvausalueen käsittävän kuvattavan osan ulottuvuudet ja sijainti on järjestetty määritettäväksi ainakin yhden gradienttikentän 10 suunnassa, ja että mainittujen suodatinvälineiden (9, 10) taajuuskaistan leveys on järjestetty säädettäväksi mainitun kuvauskohteesta määritetyn ulottuvuus- ja sijainti-informaation perusteella signaali/kohina -suhteen kannalta optimaaliseen arvoon. 15
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ydinspinkuvauslait- teieto, tunnettu siitä, että mainitut suodatinvälineet (9, 10) ovat alipäästösuodattimia, jotka on varustettu välineillä rajataajuuden säätämiseksi ku- 20 vauskohteen määrätyssä gradienttikentässä olevan kuvattavan osan ulottuvuuden ja sijainnin mukaisesti.
3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen ydinspinkuvauslait- teisto, tunnettu siitä, että laitteistoon 25 kuuluvat kuvauskohteen määritysvälineet (20) käsittävät yhden tai useampia valolähde-vaiokenno -pareja.
4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen ydinspinkuvauslait- teisto, tunnettu siitä, että laitteistoon 30 kuuluvat kuvauskohteen määritysvälineet (20) käsittävät ultraäänilähetin-vastaanotin - järjestelyn.
5. Patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukainen ydinspinkuvaus-laitteisto, tunnettu siitä, että siihen kuuluu välineet mainittujen kuvauskohteen määritysväli- 35 neiden (20) suuntaamiseksi gradienttikentän kulloisenkin suunnan mukaisesti. 12 6 5 8 6 2 mainitujen suodatinvälineiden (9, 10) kaistaleveys on järjestetty muutettavaksi ulkoisen kellotaajuuden (CLK) avulla. 5