FI81204C - Foerfarande foer kartlaeggning av de materiella egenskaperna hos objekt som skall undersoekas. - Google Patents

Description

1 81204

Menetelmä tutkittavan kohteen materiaalisten ominaisuuksien kartoittamiseksi. - Förfarande för kartläggning av de materioita egenskaperna hos objekt som skall understfkas.

Keksinnön kohteena on'patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä tutkittavan atomin ytimen kytkentävakion J paikallisen jakautumisen selvittämiseksi kolmiulotteisessa kohteessa kuten esim. ihmiskehossa tai puunrungossa.

5 Menetelmää voidaan soveltaa esimerkiksi kohteen aineenvaihdunnan# kohteessa tapahtuvan virtauksen ym. dynaamisten ominaisuuksien kartoittamiseen ja tutkimiseen käyttäen merkkiaineena ominaisen kytkentävakion omaavaa ainesosaa. Ydinmagneettisen resonanssi-ilmiön (YMR-ilmiö) olemassaolo 10 todistettiin kokeellisesti vuonna 1946 kahden tutkimusryhmän toimesta (Pound, Purcell# Torrey ja Bloch, Hansen, Packard). Tämä havainto johti nopeasti ilmiön laajaan soveltamiseen fysiikan ja orgaanisen kemian aloilla.

15 Kaikilla ytimillä, joilla on pariton lukumäärä protoneja tai neutroneja, on nollasta poikkeava impulssimomentti eli spin. Ytimillä on myös positiivinen sähköinen varaus, joka yhdessä ytimen spinin kanssa synnyttää ytimelle magneettisen momentin, jonka suunta yhtyy ytimen spinin akselin 20 suuntaan. Ytimen magneettisen momentin synnyttämää kenttää voidaan approksimoida magneettisen dipolin kentällä. Jos näyte, joka sisältää suuren määrän ytimiä asetetaan staattiseen magneettikenttään, pyrkivät ytimien magneettiset momentit suuntautumaan ulkoisen magneettikentän suuntai-25 siksi ja näytteelle syntyy ulkoisen magneettikentän suuntainen nettomagnetisaatio. Nettomagnetisaation suuruus on verrannollinen näytteessä olevien ytimien lukumäärään ja ulkoisen magneetikentän voimakkuuteen. Ytimien suuntautumista häiritsee ytimien lämpöliike, joten magnetisaation 30 suuruuteen vaikuttaa myös näytteen lämpötila. Lämpötilan noustessa magnetisaatio pienenee. Kvanttimekaanisesti voidaan tapahtumia kuvata siten, että ulkoinen magneettikenttä synnyttää ytimen spinkvanttiluvusta (1) riippuvan määrän energiatasoja, joille ydin voi tietyllä todennäköi-35 syydellä asettua. Vetyatomin ytimen eli protonin βρΐη-kvanttiluku I » 1/2, joten protoni voi asettua kahteen 2 81204 energiatasoon joko siten, että sen magneettisen momentin suunta on sama kuin ulkoisen magneettikentän suunta tai tämän suunnan vastainen. Näistä kahdesta ensinmainittu on todennäköisempi ja energiatasojen miehityssuhteet noudattavat nk. Boltzmanin jakautumaa.

5

Siirtyäkseen energiatasolta toiselle ydin joko vastaanottaa tai luovuttaa energiakvantin tietyn taajuisena sähkömagneettisena säteilynä. Säteilyn taajuuden määrää energiatasojen välinen erotus, joka on suoraan verrannollinen ulkoisen 10 magneettikentän voimakkuuteen. Tätä energiavaihtoon liittyvää taajuutta kutsutaan Larmor-taajuudeksi ja tätä ytimen ja ympäristön välistä energianvaihtoa ydinmagneettiseksi resonanssi-ilmiöksi. Ydinmagneettisen resonanssin perusteita on käsitelty mm. seuraavissa viitteissä: Abragam A.; 15 The Principles of Nuclear Magnetism. London Oxford

University Press., 1961 ja Slichter C.P.; Principles of Magnetic Resonance, Berlin, Springer Verlag, 1981.

Ydinmagneettista resonanssi-ilmiötä on tutkittu nk. jatkuva 20 säteilytys- (CW, Continuous Wave) ja pulssimenetelmällä.

Pulssimenetelmät on todettu CW-menetelmiä tehokkaammiksi ja ovat näinollen käytössä YMR-spektroskopiassa ja nk. ydin-spinkuvauksessa.

25 Pulssimenetelmissä näytteeseen kohdistetaan Larmor-taajui-nen sähkömagneettinen pulssi, jonka pituus on määrätty siten, että näytteen ydinmagneetisaatio kiertyy halutun kulman (Θ) verran ulkoisen magneettikentän suuntaan nähden. Yleensä valitaan sähkömagneettisen pulssin amplitudi ja 30 kesto siten, että (Θ) on 90°:een moninkerta. Yleisesti puhutaan 90°-een ja 180°-een jne. pulsseista. Viritys-tapahtuman jälkeen perusmagneettikentän B0-suunnasta poikkeutettu nettomagnetisaatio Mn prekessoi Larmor-taajuudella WQ B0:n suunnan ympäri. Tämä on todettavissa 35 asettamalla näytteen ulkopuolelle kela siten, että sen magneettinen akseli on kohtisuorassa B0:n suuntaan nähden.

li 3 81204

Prekessoiva nettomagnetisaatio indusoi kelaan nk. FID-signaalin (Free Induction Decay), joka on Larmor-taajuinen ja jonka amplitudi on verrannollinen näytteen ydinmagneti-saation voimakkuuteen eli ytimien lukumäärään ja ulkopuo-5 lisen magneettikentän voimakkuuteen.

Ydinmagneettisiin resonanssikokeisiin liittyviä pulssimene-telmiä on käsitelty mm. seuraavissa viitteissä: Farrar T.C., Becker E.D.; Pulse and Fourier Transform NMR -10 Introduction to Theory and Methods. New York, Academic

Press, 1971 ja Ernst R.R., Anderson W.A.; Application of Fourier Spectroscopy to Magnetic Resonance, Rev Sci Instrum, Vol. 37, No 1, 1966. Erityisesti NMR:n biologisia sovellutuksia on kuvattu viitteessä Gadian D.G.: Nuclear 15 magnetic resonance and its applications to living systems, Oxford University Press, Oxford 1984.

Virityksen yhteydessä ydinsysteemi vastaanottaa ulkopuolista energiaa virittävästä radiotaajuisesta kentästä ja 20 virityksen jälkeen luovuttaa sen ympäristöönsä. Energian luovutus voi tapahtua koherenttina säteilynä, joka voidaan havaita ulkoisella kelalla, tai energia voi siirtyä näytteen rakenteeseen lämpöliikkeeksi. Energian luovutuksen yhteydessä palaa näytteen nettomagnetisaatio lepoarvoonsa. 25 Tämä prosessi on luonteeltaan eksponentiaalinen ja sitä karakterisoi relaksaatioaika Τχ. Tämä relaksaatioaika on riippuvainen tutkittavan aineen rakenteesta, esimerkiksi nestemäisillä aineilla Τχ on suhteellisen lyhyt (milli-« sekunneista sekunteihin) kun taas kiinteillä aineilla Τχ on 3Q pitkä (minuuteista viikkoihin).

Näytteen lähettämän säteilyn koherenttisuus heikkenee virityksen jälkeen nopeudella, jonka määrää mm. tutkittavan aineen ominaisuudet ja ulkoisen magneettikentän homogeeni-35 suus. Tämä aiheuttaa signaalin eksponentiaalisen vaimenemisen nopeudella, jota karakterisoi relaksaatioaika T2* (T2 tähti).

4 81204 l/T2* - ΐ/τ2 + γΔ Β0/(2Π)/ (1) missä Τ2 on näytteen spin-spin relaksaatioaika γ on gyromagneettinen suhde 5 ΔBo on polarisoivan magneettikentän epähomogeenieuue näytteen yli

Kaikki yllämainitut relaksaatioajät ovat riippuvaisia ytimien välittömästä ympäristöstä ja sen vaikutuksesta. Kuten edellä mainittiin, näytteen olomuoto vaikuttaa 10 relaksaatioaikoihin, mutta myös ulkoisen magneettikentän voimakkuus ja näytteen lämpötila muuttavat relaksaatio-aikoja .

15 Vetyatomin ytimen eli protonin käyttökelpoisuus lääketieteellisessä' diagnostiikassa perustuu vedyn runsauteen pehmeässä kudoksissa, joissa se on pääasiassa vesimole-kyyleihin sitoutuneena. Vesimolekyyli vuorostaan polaari-suutensa ansiosta sitoutuu eri tavoin eri proteiini* 20 ketjuihin ja tämä sitoutuminen muuttuu monesta eri syystä, kuten esimerkiksi kudokseen kohdistuvan patologisen prosessin ansiosta.

Relaksaatioaikoja ja niiden muutoksia on käsitelty mm.

25 seuraavissa viitteissä: R. Damadian US PAT 3,789,832 ja Nuclear Magnetic Resonance of Intact Biological Systems, Phil Trans R Soc Lond, 289, June 1980, R. Mathur de Vr£; Progress in Biophysics and 30 Molecular Biology, Vol. 35, 103-134, 1979.

Kiinnostus YMR-ilmiön hyväksikäyttöön lääketieteessä heräsi 1970-luvun alussa. Tällöin R Damadian julkaisi tutkimustulokset, joiden mukaan pahanlaatuisen kasvainkudoksen 35 relaksaatioaika Τχ on jopa kaksi kertaa pidempi kuin vastaavan normaalikudoksen. Julkaisussa R. Damadian, US PAT 3,789,832 on kuvattu menetelmä pahanlaatuisen kasvain-kudoksen tunnistamiseksi siten, että mitattua kudoksen s 81204 relaksaatioaikaa verrataan taulukoituihin relaksaatio-aika-arvoihin ja siten päätellään näytteen mahdollinen pahanlaatuisuus.

5 Myöhemmät tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, ettei relakeaatioaikojen muuttuminen ole millekään erityiselle patologiselle tilalle spesifinen. Yleisesti voidaan kuitenkin todeta, että relaksaatioajät muuttuvat herkästi eri sairaustilojen vaikutuksesta ja niitä voidaan siis 10 käyttää lääketieteellisessä diagnostiikassa.

Julkaisussa US PAT 3,789,832 on kuvattu myös eräänlainen keilauslaitteisto ihmiskehon tutkimiseen YMR:n avulla. Tätä esitettyä ratkaisua ei voi kuitenkaan pitää minään spin-15 kuvauslaitteena. Ydinspinkuvauksen perusajatuksen julkaisi 1973 P.C· Lauterbur viitteessään P.C. Lauterbur; Nature, 242, 190, 1973. Tässä julkaisussa hän esitti myös ajatuksen relaksaatioajän Τχ kartoittamiseen. Relaksaatioaikojen mittaamiseen on kehitetty useita pulssisekvenssejä, joista 20 mainittakoon nk. Saturation Recovery- ja Inversion Recovery -sekvenssit T^:n mittaamiseksi ja Spin-Echo-sekvenssi T2:n mittaamiseksi. Näitä sekvenssejä on käsitelty esimerkiksi viitteessä: Farrar T.C., Becker E.O.; Pulse and Fourier Transform NMR - Introduction to Theory and Methods, 25 Academic Press, New York, 1971.

Ydinspinkuvausmenetelmät voidaan jaotella karkeasti kolmeen luokkaan: 1. piste-, 2. viiva- ja 3. tilavuuskuvausmenetel-mät. Pistekuvausmenetelmissä tutkittava kohdealue kartoite-30 taan liikuttamalla kohdetta tai eri teknisin tavoin aikaansaatua pistemäistä YMR-herkkää aluetta toisiinsa nähden. Pietekuvausmenetelmien suurin haitta on niiden hitaus, eikä niitä näin ollen käytetä lääketieteellisessä kuvantamisessa. Erikoisjärjestelyin voidaan kuitenkin pistekuvaus-35 menetelmillä saada aikaan enemmän kudosinformaatiota kuin esimerkiksi tilavuuskuvausmenetelmillä. Pistekuvausmene-telmiä on käsitelty viitteissä: Tanaka et ai: Proc. IEEE, 6 81204

Voi. 66, No. 11, 1582-1583, 1978, Damadian: Offenlegung-schrift 2946847, Moore et ai: US PAT 4,015,196, Abes US PAT 3,932,805, Garroway etal: US PAT 4,021,726, Crooks et ai: US PAT 4,318,043, Young: UK PAT APPL. GB 2122753 A.

5

Yhdistämällä hidas pistekuvausmenetelmä ja nopea ultraääni-kuvausmenetelmä siten kuin viitteessä Sepponen; FI PAT 64282 on esitetty voidaan pistekuvausmenetelmiä käyttää hyväksi lääketieteellisessä diagnostiikassa.

10

Viivakuvausmenetelmiä on käsitelty mm. seuraavissa viitteissä: Moore et ai: US PAT 4,015,196, Sepponen: FI PAT 58868, Garroway et at: US PAT 4,021,196, Crooks et ai: US PAT 4,318,043, Hutchison et ai: US PAT 4,290,019. Myöskin 15 viivakuvausmenetelmät ovat liian hitaita lääketieteelliseen kuvant sutii seen ja niiden käyttö rajoittuukin vain tiettyihin erikoistapauksiin.

Kolmiulotteisen kohteen kuvaaminen on edullisinta suorittaa 20 käyttämällä tilavuuskuvausmenetelmiä. Kohteesta voidaan nk. selektiivisen virityksen avulla rajata tutkittava kohdealue ja suorittaa tarkempi YMR-parametrien jakautuman kartoitus.

Selektiivinen viritys voidaan suorittaa kytkemällä kohteen 25 yli viritettävän kohdealueen tasoon nähden kohtisuora magneettikenttägradientti ja moduloimalla virittävä radiotaajuinen pulssi siten, että sen taajuuskaistaleveys ja gradienttikentän voimakkuus vastaavat halutun kohdealueen leveyttä. Toinen tapa rajoittaa kohdealue on käyttää 30 hyväksi ajallisesti muuttuvaa magneettikenttägradienttia kuten viitteessä: Moore et ai; US PAT 4,015,196 on kuvattu. Myöskin on tunnettua käyttää hyväksi gradienttia virittävässä radiotaajuisessa pulssissa siten, että peräkkäisillä virityskerroilla gradientin suunta muuttuu, jolloin 35 stabiili YMR-signaali syntyy vain tasossa, jossa pulssin amplitudi on vakio.

Il 7 81204

Huomattavasti epätarkempi menetelmä on käyttää hyväksi lähetin- ja vastaanotinkelojen geometrisia.ominaisuuksia kohdealueen rajaamiseksi ja tätä menetelmää onkin käytetty hyväksi vain silloin kun halutaan suorittaa kohteesta YMR- 5 spektroskopisia tutkimuksia. Tämän menetelmän soveltamista on kuvattu viitteissä: Ackerman et ai: Nature 283, 167, I960, Haase et ai: J. Magn. Reson. 56, 401-412, 1984,

Bottomley et ai: Radiology, 150, 441-446, 1984.

10 Tilavuuskuvausmenetelmiä on kuvattu mm. viitteissä:

Lauterbur; Nature, 242, 190-191, 1973, Ernst: US PAT 4,070,611, Hutchison et ai: International Patent Application WO 81/02788, Sepponen: FI hak. 824343.

15 Kuvauksen nopeuttamiseksi voidaan soveltaa menetelmiä, joita on kuvattu viitteissä: Edelstein et ai: GB Application 2079463, Mansfield; US PAT 4,165,479, Hinshaw:

Physics Letters 48A, No. 2, June 3, 87-88, 1974. Likes: US PAT 4,307,343.

20

Ydinspinkuvausmenetelmistä voidaan erityisesti mainita nk. Fourier-kuvausmenetelmät, joiden eräs versio on kuvattu viitteessä Ernst: US PAT 4,070,611. Viitteessä kuvatun menetelmän haittapuolena on se, että kerätään viritys- 25 pulssin jälkeen syntyvä FID-signaali. Kerättävän FID- signaalin vaiheeseen koodataan yhden tai kahden kohtisuoran suunnan paikkainformaatio vakioamplitudisilla mutta vaihtelevan pituisilla gradienttipulsseilla. Tämän menetelmän haittapuolena on mm. keräyshetken muuttuminen 30 eri signaalinkeruukerroilla, mikä aiheuttaa menetelmän herkkyyden polarisoivan magneettikentän B0 epähomogeeni-suuksille ja näytteen T2 vaikuttaa siten myös kerättävään signaaliin.

35 Viitteesä Hutchison et ai: WO 81/02788 on esitetty eräs

Fourier-kuvausmenetelmän muunnos, jossa synnytetään eräänlainen spinkaiku magneettikenttägradientin suuntaa vaihtamalla.

8 81204 Tämä spinkaiku talletetaan ja sen vaiheeseen on koodattu paikkainformaatio lukugradientin suuntaan nähden ortogonaa-lisella gradienttipulssilla, jonka amplitudia muutetaan eri toistokerroilla. Edullisempi tapa synnyttää spinkaiku on 5 käyttää hyväksi nk. 180°reen refokusointipulssia, jolla on kyky kompensoida peruskentän epähomogeenisuuksien vaikutusta lopulliseen kuvaan. Tämän menetelmän sovellutuksia- on kuvattu viitteissä: Edelstein et ai: EP 91008, Bottorniey et ai: EP 98426, Hutchison et ai: Proceedings of 18^ Ampere 10 Congress, Nottingham, 1974, 283-284 ja Sepponen: FZ hak. 824343.

Viitteestä Brunner P. et.ai.: Journal of Mag. Res. 33, 83-106 (1979) on tunnettua nopeuttaa kolmiulotteisen 15 kohteen tutkimista ydinspinkuvausmenetelmillä siten, että viritys- ja detektointivaiheet kohdistetaan ajallisesti peräkkäin kohteen eri osiin. Tällöin vältetään ydinsys-teemin toipumisajan aiheuttama tutkimuksen pitkä kestoaika.

20 Varsinaisesti YMR-ilmiön laajempaan hyväksikäyttöön vaikutti nk. kemiallisen siirtymän havaitseminen (chemical shift) tämä julkaistiin ensimmäisenä viitteessä Proctor et ai.: Phys. Rev. Lett., voi. 77, p. 717, 1950. Kemiallinen siirtymä syntyy kemiallisen sitoutumisen muuttaessa ytimen 25 elektroniverhoa ja siten myös ytimen "näkemää" ulkoista magneettikenttää. YMR-spektroskopia onkin nykyisin eräs kemiallisen analyysin tärkeimpiä työvälirfeitä. Viitteessä Aue et ai.: Journal of Chem. Phys., voi. 64, 2229...2246 on kuvattu nk. kaksidimensionaalisen Fourier-spektroskopian 30 periaate, joka mahdollistaa YMR-spektrin hienorakenteen selvittämisen. Tällä menetelmällä on mahdollista tutkia nk. kytkentävakioiden suuruutta. Kytkentävakio kuvastaa kahden ytimen keskinäistä vuorovaikutusta ja on riippumaton ulkoisen megneettikentän voimakkuudesta. Kytkentävakion 35 symboli on usein J ja laatu taajuuden laatu eli Hertzi (Hz). Viitteissä Sukumar et ai.: J, Magn. Reson., voi. 50, 161...164, 1982, Sepponen et ai.: J. Comput. Assist. Tomogr., voi. 8, 585...587, 1984, Cox et ai.: J. Magn.

9 81204

Reson., voi. 40, 209...212, 1980, Mansfiel: Magn. Reson, in Medicine, voi. 1, 370...386, 1984, Mansfield: EP 105700, Burl et al.: GB 2057142A, Bottomley: FI 833219, Sepponen: FI 832326, Sepponen: FI 833807, Maudsley et al.: Siemens 5 Forsch.u. Entwickl.-Ber. Bd. 8, 326...331, 1979, Bendel et al.: J. Magn. Reson. Vol. 38, 343...356, 1980 ja Pykett et al.: Radiology, vol. 149, 197...201, 1983 on esitetty menetelmiä YMR-spektrin paikallisen jakautuman selvittämiseksi mutta tiettävästi ei ole julkaistu menetelmiä kyt-10 kentävakion J paikallisen jakautuman kartoittamiseksi.

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä kytkentävakion J paikallisen jakautuman kartoittamiseksi ja tämän menetelmän soveltamiseksi mm. kohteen 15 dynaamisten ominaisuuksien tutkimiseksi.

Kytkentävakion ja kemiallisen siirtymän tarkastelu

Kemiallisessa yhdisteessä oleva ydin on yhdisteen elektro-20 niverhon sisällä. Tämä verho pyrkii suojaamaan ydintä ulkoista magneettikenttää vastaan. Ydin siis havaitsee ulkoisesta magneettikentästä B0 vain osan Beff:

Bgff=Bq(l~s), 25 missä s on nk. suojaustekijä, joka riippuu yhdisteestä.

Tämä suojausilmiö on nk. kemiallisen siirtymän ja kemiallisen spektrin lähtökohta. Suojaustekijän vaikutuksesta ytimen YMR resonanssitaajuus poikkeaa hieman ulkoista 30 magneettikenttää vastaavasta resonanssitaajuudesta.

w=g*Beff=g*B0(l-s)=w0(l-s), missä wQ on nk Larmor taajuus, g on gyromagneettinen 35 suhde.

Kytkentävakiolla puolestaan ymmärretään kahden yhdis- 10 81 204 teessä olevan esim. saman alkuaineen ytimen välistä magneettista vuorovaikutusta (YMR aktiivisten ytimien voidaan ajatella olevan pieniä sauvamagneetteja). Näiden kahden vuorovaikutuksen ero voidaan havaita mm. spinkai-5 kutekniikalla.

Kemiallisen siirtymän vaikutus ydinmagneettisen signaalin vaiheeseen kumoutuu täysin silloin kun toteutuu ehto: 10 90“-T-180 °-T-Signaali eli kun signaali kerätään ajankohtana, jona täyttyy ajallinen symmetria kaiun muodostamaan 180° pulssiin nähden. Tämä johtuu siitä, että 180° pulssi ei vaikuta elektroni-15 verhoon, vaan kääntää ytimen magnetisäätiön suunnan päinvastaiseksi, jolloin suojauksen vaikutus ytimen lähettämään signaaliin muuttuu vastakkaiseksi kuin ennen 180° pulssia.

20 Ydinten välisen vuorovaikutuksen suhteen tilanne on toinen. 180° pulssin jälkeen molempien ydinten magneti-saatio kiertyy 180° ja kytkennän vaikutus signaalin vaiheeseen säilyy samana.

25 Keksinnön mukaisessa pulssijärjestelyssä signaali kerätään sellaisena ajan hetkenä, että kemiallisten suojaus-tekijöiden vaikutukset ovat kumoutuneet (symmetria, esim. kuva 5B), mikäli halutaan kartoittaa vain suojaustekijän jakautumaa.

30 Tätä ajoitusta muutetaan symmetria säilyttäen siten, että signaalin keruun etäisyys virityspulssista muuttuu. Täten signaalin alkuvaiheeseen koodautuu kytkentävakion vaikutus. Mikäli halutaan lisäksi kartoittaa kemiallisen siir-35 tymän jakautuma on kutakin ajoitusta kohden muutettava pulssien ja signaalinkeruun ajallista epäsymmetriaa (kuva 5A).

li n 81204

Keksintöä selvennetään oheisilla kuvioilla, joista kuvio 1 esittää erästä keksinnön mukaista pulssisekvens-siä, jossa lopullinen kuva muodostetaan nk.

5 projektiorekonstruktiomenetelmällä.

Kuvio 2 esittää erästä keksinnön mukaista pulssisekvens-siä, jossa lopullinen kuva muodostetaan nk. Fourier-menetelmällä.

10

Kuvio 3 esittää erästä keksinnön mukaista pulssisekvens-siä, jossa lopullinen kuva muodostetaan nk. pro-jektiorekonstruktiomenetelmällä ja virityksessä sovelletaan nk. selektiivistä viritystä.

15

Kuvio 4 esittää erästä keksinnön mukaista pulssisekvens-siä, jossa lopullinen kuva muodostetaan nk. Fourier-menetelmällä ja virityksessä sovelletaan nk. selektiivistä viritystä.

20

Kuvio 5A esittää erästä keksinnön mukaista sovellutusta, jossa kerätään kytkentävakio- ja spektri-informaatiota ja 25 kuvio 5B esittää toista sovellutusta, jossa kerätään vain kytkentävakioinformaatio ilman spektri-informaatiota.

Kuvion 1 vaiheessa 1 kohdealueeseen suunnataan viritys- 30 pulssi (ensimmäinen virityspulssi), joka kiertää ydin-magnetisaatiota mieluummin 90°. Tämän jälkeen kohdealueen yli kytketään magneettikenttägradientti, jonka voidaan ajatella syntyvän kolmen ortogonaalisen gradienttikentän GXf Gy ja Gz resultanttina (vaihe 2). Tämän jälkeen ydin-

35 magnetisaatioon vaikuttaa viiveen (-N /2 + m) taul + nTAU

o ajan (vaihe 3) mm. kemiallinen siirtymä ja kytkentävakiot. Kohteeseen suunnataan vaiheessa 4 nk. toinen virityspuls- 12 81 204 sl, joka kiertää magnetisaatiota mieluummin 180°

Ng = resoluutio kemiallisen siirtymän δ suuntaan m = niiden toistokertojen indeksi, jossa muutetaan sekvenssin ajallista epäsymmetriaa aika-akse-5 leissa taul TAU * aika-askel, jolla muutetaan virityspulssin (vaihe 1) ja signaalikeruun (vaihe 6) välistä aikaa kytkentävakion aiheuttamien vaihe-erojen selvittämiseksi 10 δ = kemiallinen siirtymä Tämän jälkeen ydinmagnetisatioon vaikuttaa jälleen mm. kemiallinen siirtymä ja kytkentävakiot viiveen (Ng/2-m) taul + nTAU ajan (vaihe 5). Vaiheessa 6 kohdealueen yli kytketään jälleen magneettikenttägradientti kohteen yli.

15 Tällä gradientilla on oltava nollasta poikkeava komponentti, joka on samansuuntainen kuin vaiheessa 2 kytketty gradientti. Vaiheen 6 aikana kerätään syntyvä spinkaiku SE, mieluiten siten, että peräkkäisten näytteenottohet-kien välinen gradientin aikaintegraali on vakio. Akseli D 20 osoittaa datan keruun ajankohdan. Yllä kuvattu sekvenssi toistetaan tietyn viiveen (vaihe 7) kuluttua riittävän monta kertaa, jotta haluttu paikkaresoluutio, haluttu resoluutio kemiallisen spektrin eli δ-suuntaan ja haluttu resoluutio kytkentävakion eli J-suuntaan saavutetaan.

25 Käytännössä esim. NxxNyxNzxNgxNj kuvan muodostamiseksi tarvitaan NyNzNgNj toistokertaa. Kuvan muodostamiseksi on mainitun vaiheessa 6 kytkettynä olevan magneettikenttägra-dientin suuntaa muutettava ensin NyNz kertaa ja tämä on toistettava muuttaen vaiheissa 3 ja 5 m:n arvoa välillä 30 0...Ng-l ja edellä oleva on toistettva muuttaen vaiheissa 3 ja 5 n:n arvoa välillä 0...Nj-l. Tämä muutosjärjestys voidaan valita myös toisinkin. Kuviossa 2 on esitetty menetelmän soveltaminen nk. Fourier-menetelmien yhteydessä. Periaatteessa toiminta on aivan sama kuin kuvion 1 yhtey-35 dessä on selostettu, mutta vaiheessa 2 muutetaan esimerkiksi gradienttipulssien Gy ja Gz aikaintegraaleja mieluiten tasavälein sekvenssiä toistettaessa ja lopullinen li 13 81 204 kuva muodostetaan monidimensionaalisella Fourier-muunnok-sella. Tätä voidaan havainnollistaa esittämällä vaiheessa 6 kerättävä signaali SE seuraavassa muodossa: 5 SE (k,l,m,nft')=///// A(x,y,z,6,J)exp j(A0«Ky +Δ0-lz+ , xyz fij 1 (-Nfi-m)/2)taulB06Y+ J2ir nTAU)- Δ0χχ + t'y Gxx) missä 10 SE (k,l,m,n,t') * on spinkaikusignaali hetkellä t' ja toistokerralla k,l,m,n k = /O...Ny-l/ 1 - /O...Nz-l/ 15 m = /Ο...Νδ-1/ n » /0...Nj-1/ Δ0y, Δ0Ζ, Δ0Χ « gradienttipulsseilla vaiheessa 2 muodostettu epävakaisuus 20 x,yfz = paikkakoordinaatit j * V^-l Y = gyromagneettinen suhde B0 aa polarisoidun magneettikentän voimakkuus

25 A (z,y,z,<5,J) * ydintiheys pisteessä xry,z,j,J

- kemiallinen siirtymä J « kytkentävakio

Kuvioissa 3 ja 4 on havainnollistettu menetelmän sovelta-30 mistä nk. selektiivisen virityksen yhteydessä. Mainitut ensimmäinen ja toinen virityspulssi voivat olla molemmat selektiivisä tai sitten vain toinen niistä. Lisäksi menetelmää voidaan soveltaa nk. moniviipaleperiaatteella eli kohteesta viritetään muita alueita sinä aikana kun edel-35 listen virityspulssien alaisten alueiden ydinmagnetisaa-tio toipuu.

14 81 204

Kuviossa 5B on esitetty keksinnön mukaisen menetelmän muunnos, jossa kerätään vain kytkentävakioihin liittyvä informaatio ilman spektri-informaatiota. Kuviossa 5Ά on havainnollistettu keksinnön mukaista menetelmää 5 esittämällä vain nk. ensimmäisen virityspulssin (90°), toisen virityspulssin (180°) ja syntyvän spinkaiun SE keskinäiset ajoitussuhteet. Kuvattaessa täydellinen spektri-informaatio muutetaan mieluiten tasavälein kaiun etäisyyttä TE ensimmäisestä virityspulssista tietystä mi-10 nimiarvosta tiettyyn maksimiarvoon tai päinvastoin. Jokaista TE:n arvoa kohden muutetaan 180° eli toisen virityspulssin etäisyyttä ensimmäisestä virityspulssista, mieluiten tasavälein, tietystä minimiarvosta tiettyyn maksimiarvoon tai päinvastoin. Mainittujen maksimi- ja 15 minimiarvojen erotus on (N^-UTAUl, jossa TAU1 on mainitun etäisyyden muutoksen askeleen ajallinen pituus. On edullista, jos tämän muutostapahtuman minimi- ja maksimiarvon keskiarvo vastaa sen hetkisen TE-ajan puoliväliä. Menetelmän kannalta ei ole merkittävää, missä järjestyk-20 sessä yo. muutostapahtumat tehdään. Kuvasta on havainnollisuuden vuoksi jätetty pois kuvausmenetelmien vaatimat gradienttisekvenssit. Kuviossa 5B on havainnollistettu keksinnön mukaista menetelmää, kun halutaan vain kytkentävakioihin liittyvää informaatiota. Tällöin muutetaan 25 TE:tä mieluiten tasavälein tietystä minimiarvosta tiettyyn maksimiarvoon tai päinvastoin. Tässä tapauksessa on edullista magneettikenttäepähomogeenisuuksien ja kemiallisen spektrin vaikutusten eliminoimiseksi, että mainittu toinen virityspulssi (180°) on mahdollisimman tarkalleen 30 mainitun ensimmäisen virityspulssin (90°) ja spinkaiun SE välisen ajan keskikohdassa. On selvää, että tätä muunnelmaa voidaan soveltaa nk. Fourier- ja projektiorekonstruk-tiomenetelmien yhteydessä.

35 Sekvenssien ajoituksesta voidaan mainita, että menetelmän resoluutio kemiallisen siirtymän eli δ-suuntaan on kääntä-

II

is 81204 en verrannollinen 2 x taul nähden ja kytkentävakion eli J-suuntaan kääntäen verrannollinen 2 x NjTAU nähden. Koska kytkentävakiot ovat luokkaa 0...200 Hz on tulon 2 x NjTAU oltava luokkaa 1...0,0002 s.

5

Menetelmän avulla voidaan myös selvittää kohteen dynaamisia ominaisuuksia. Esimerkiksi ihmiskehon tapauksessa voidaan saattaa hengitysteiden ruoansulatuskanavan tai verenkierron välityksellä sopivia ainesosia, jotka vaikut-10 tavat mainittuun kytkentävakioon ja käyttää näitä eräänlaisina merkkiaineina esim. aineenvaihdunnan, verenkierron tms. seuraamiseksi. Tällaisia aineita ovat: aineet kuten rasvat, sokerit, alkoholit tai muut hiiliyhdisteet, jotka osallistuvat aineenvaihduntaan ja joissa esimerkik-15 si vedyn, hiilen typen tai hapen tavallisimmat isotoopit ovat korvattu muilla saman ytimen, mieluiten stabiileilla, isotoopeilla. Esimerkiksi vety deuteriumilla, 16q 170:lla ja 12C 13C:llä. Myöskin muut kuin mainitut hiiliyhdisteet ovat ajateltavissa. Lisäksi on mahdollis-20 ta sitoa mainitun kaltaisia yhdisteitä monoklonaalisiin antibodyihin, jotka hakeutuvat esim. pahanlaatuisen kasvaimen etäispesäkkeisiin. Kohdealuetta voidaan tämän jälkeen tarvittaessa toistuvasti kartoittaa kuvatulla menetelmällä ja tällöin ei ole välttämätöntä aina kartoittaa 25 spektrin paikallista jakautumaa ja pienentää täten huomattavasti kuvausaikaa.

Keksintö ei rajoitu yllä oleviin sovellutusmuotoihin.

Claims (9)

16 81 204

1. Menetelmä kohteen ydinmagnetisaation kytkentävakion J paikallisen jakautuman kartoittamiseksi, tunnet- 5. u siitä, että a) kohde viritetään nk. ensimmäisellä virityspulssilla, joka on mieluiten nk. 90° pulssi; b) kytketään kohteen yli ainakin yksi magneettikenttä-gradientti, nk. ensimmäinen magneettikenttägradientti; 10 c) kohdistetaan kohteeseen nk. toinen virityspulssi tietyn ensimmäisen viiveen kuluttua; d) kytketään kohdealueen yli nk. toinen magneettikenttägradientti ; e) kerätään syntyvä nk. spinkaikusignaali tietyn toisen 15 viiveen kuluttua; f) toistetaan yllä kuvattu sekvenssi muuttaen mainittuja ensimmäistä ja toista viiveaikaa; g) toistetaan yllä kuvattu sekvenssi muuttaen mainitun ensimäisen ja/tai toisen magneettikentägradientin suun- 20 taa, suuruutta tai jonkin niiden komponentin suuntaa, suuruutta ja/tai aikaintegraalia.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensin suoritetaan toimenpiteet g 25 ja sitten f.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittua ensimmäistä ja toista viiveaikaa muutetaan siten, että 30 a) ensin muutetaan ensimmäistä aikaviivettä tietystä ensimmäisestä minimiarvosta tiettyyn ensimmäiseen maksimiarvoon ja toista aikaviivettä vastaavasti siten, että mainittujen aikaviiveiden summa on vakio; b) toistetaan ylläkuvattu sekvenssi siten, että muute-35 taan aikaviiveiden summan tietystä toisesta minimiarvosta tiettyyn toiseen maksimiarvoon säilyttäen kuitenkin mainitun ensimmäisen maksimiarvon ja ensimmäisen minimi- 17 81 204 arvon erotus vakiona.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensin tehdään toimenpiteet b ja 5 sitten a.

5. Patenttivaatimusten 1, 2, 3 ja 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitun ensimmäisen minimiarvon ja ensimmäisen maksimiarvon keskiarvo on symmet- 10 risesti ensimmäiseen virityspulssiin ja syntyvän spin-kaiun ajalliseen keskikohtaan nähden.

6. Patenttivaatimuksen 1, 2, 3, 4, tai 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että suoritetaan seuraa- 15 va toimenpidesekvenssi a) kohteeseen suunnataan nk. ensimmäinen virityspulssi, joka on mieluiten nk. 90° virityspulssi, jonka aikana on mahdollisesti kytketty nk. ensimmäinen magneettikent-tägradientti, jolloin mainittu ensimmäinen virityspulssi 20 on nk. selektiivinen virityspulssi; b) kytketään kohteen yli nk. toinen magneettikenttägra-dientti haluttuun arvoonsa; c) ensimmäinen aikaviive; d) suunnataan kohteeseen nk. toinen virityspulssi, joka 25 on mieluiten nk. 180° pulssi; e) toinen aikaviive; f) kytketään nk. kolmas magneettikenttägradientti haluttuun arvoonsa ja mikäli mainitut ensimmäinen ja/tai toinen virityspulssi on ollut selektiivinen, mainitun ensim- 30 mäisen magneettikenttägradientin aikaintegraali valitaan siten, että selektiivisen virityksen mukainen epävaiheis-tus kompensoituu; g) kerätään syntyvä spinkaikusignaali; h) toistetaan edelläkuvattu pulssisekvenssi muuttaen 35 mainittujen magneettikenttägradienttien aikaintegraaleja ja/tai arvoja nk. Fourier- tai projektiorekonstruktiome-netelemien mukaisesti; ie 81204 i) toistetaan edelläkuvattu pulssisekvenssi muuttaen mainittua ensimmäistä aikaviivettä tietystä ensimmäisestä minimiarvosta tiettyyn ensimmäiseen maksimiarvoon mieluiten tasavälein säilyttäen mainittujen ensimmäisen 5 ja toisen aikaviiveen summa vakiona; j) toistetaan edelläkuvattu pulssisekvenssi muuttaen mainitun ensimmäisen ja toisen aikaviiveen summan tietystä toisesta minimiarvosta tiettyyn toiseen maksimiarvoon mieluummin tasavälein säilyttäen mainitun en- 10 simmäisen maksimiarvon ja ensimmäisen minimiarvon erotus mieluiten vakiona, mutta muuttaen mieluiten mainittuja ensimmäistä minimiarvoa ja ensimmäistä maksimiarvoa siten, että niiden keskiarvo säilyy ajallisesti symmetrisenä mainittuun ensimmäiseen virityspulssiin ja mainitun 15 spinkaikusignaalin ajalliseen keskipisteeseen nähden.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensin suoritetaan toimenpiteet i, sitten h ja sitten j tai ensin j, sitten i ja sitten h 20 tai ensin j, sitten h ja sitten i tai ensin i, sitten j ja sitten h tai ensin h, sitten j ja sitten i.

8. Patenttivaatimuksen 1...7 mukainen menetelmä kohteen materiaalisten ominaisuuksien kuten esimerkiksi aineen- 25 vaihdunnan, verenkierron, kasvainsolujen jakautumisen ja sijainnin selvittämiseksi, tunnettu siitä, että kohteeseen saatetaan sellaista ainesosaa, jonka kytken-tävakiot poikkeavat kohteessa normaalisti esiintyvistä kytkentävakioista ja kohteen kytkentävakioiden paikalli-30 nen kartoitus suoritetaan.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu ainesosa sisältää jonkin ytimen kuten esimerkiksi vedyn, typen, hiilen tai hapen 35 sellaista, mieluiten stabiilia isotooppia, jota normaalisti esiintyy luonnossa merkittävän vähän ja joka muuttaa ainesosan tietyn ytimen kytkentävakioita. Il 19 81 204 ?i^entkray