FI86505C - Undersoekningsfoerfarande. - Google Patents

Description

1 86505

Tutkimusmenetelmä - Undersökningsförfarande

Keksinnön kohteena on magneettiseen resonanssiin perustuva menetelmä esim. ihmiskehon, elintarvikkeiden tai prosessiteollisuuden tuotteiden tai itse prosessin tutkimiseen.

Magneettikuvaus (MRI) on menetelmä, joka käyttää hyväksi ydin-magneettista resonanssi-ilmiötä (NMR) kohteen ydintiheys ja ytimeen liittyvien NMR-ominaisuuksien tai niihin vaikuttavien fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien paikallisten jakautumien selvittämiseen. Mainittuja NMR ominaisuuksia ovat mm.: pitkittäinen relaksaatio (karakterisoi pitkittäinen relaksaatioaika Tl), poikittainen relaksaatio (karakterisoi poikittainen relaksaatioaika T2), relaksaatio pyörivässä koordinaatistossa (karakterisoi relaksaatioaika Tlrho), kemiallinen siirtymä, kytkentäkertoimet ytimien välillä. NMR-ominai-suuksiin vaikuttavia fysikaalisia ilmiötä ovat mm.: virtaus, diffuusio, paramagneettiset ainekset, ferromagneettiset ainekset, viskositeetti ja lämpötila.

Magneettisen resonanssin ja magneettikuvauksen menetelmiä ja . sovellutuksia on käsitelty lukuisissa viitteissä: Wehrli FW, y.' Shaw D, Kneeland BJ: Biomedical Magnetic Resonance Imaging, VCH Publishers, Inc. , New York 1988, Stark DD and Bradley WG: • · ·

Magnetic resonance imaging, C. V. Mosby Comp., St. Louis 1988, ' " Gadian DG: Nuclear magnetic resonance and its applications to living systems, Oxford Univ. Press, London 1982, Shaw D: : Fourier transform NMR spectroscopy, Elsevier, Amsterdam, 1984,

Battocletti JH: NMR proton imaging, CRC Crit. Rev. Biomed. Eng. vol . 11, pp. 313 - 356, 1984, Mansfield P and Morris PG: NMR imaging in biomedicine, Adv. in magnetic resonance, Academic Press, New York 1982, Abragam A: The principles of nuclear magnetism, Clarendon press, Oxford 1961, Lasker SE and Milvy P '···' (eds.): Electron spin resonance and nuclear magnetic resonance 2 86505 in biology and medicine and magnetic resonance in biological systems, Annals of New York Academy of Sciences vol. 222, New York Academy of Sciences, New York 1973, Sepponen RE: Discrimination and characterization of biological tissues with magnetic resonance imaging: A study on methods for ΤΙ, T2,

Tlrho and chemical shift imaging, Acta polytechnica scandinavica EL-56, Helsinki 1986, Fukushima E and Roeder SB: Experimental pulse NHR, Addison Wesley, London 1981, Thomas SR and Dixon RL (eds.) NMR in medicine: The instrumentation and clinical applications. Medical Physics Monograph No. 14, American Institute of Physics, New York 1986. Anderson WA et al: US Pat 3,475,680, Ernst RR: US Pat 3,501,691, Tomlinson BL et al: US Pat 4,034,191, Ernst RR: US Pat 3,873,909, Ernst RR: US Pat 4,070,611, Bertrand RD et al: US Pat 4,345,207, Young IR: US Pat 4,563,647, Hofer DC et al: US Pat 4,110,681, Savelainen MK: Magnetic resonance imaging at 0.02 T: Design and evaluation of radio frequency coils with wave winding, Acta Polytechnica Scandinavica Ph 158, Helsinki 1988, Sepponen RE: US Pat 4,743,850, Sepponen RE: US Pat 4,654,595, Savelainen MK: US Pat 4,712,068, Sepponen RE: US Pat 4,587,493, Savelainen MK: 4,644,281 ja Kupiainen J: US Pat 4,668,904.

• Useimmiten lääketieteellisessä kuvauksessa käytetään hyväksi . .·. vety-ytimen magneettista resonanssia, koska vety-ytimel lä on . suuri magneettinen momentti ja koska sen pitoisuus biologisessa • . kudoksessa on suuri. Jatkossa käytetään alan kirjallisuudessa omaksuttua käytäntöä, jossa vety-ydintä kutsutaan protoniksi ja ;* tutkittavia ytimiä ylipäänsä spineiksi.

Tunnetun tekniikan tason mukaisesti viitaten kuvaan 1 tutkittava kohde P sijoitetaan mahdollisimman homogeeniseen magneettikenttään Bo (nk. polarisoiva magneettikenttä), laitteistoon kuuluu lisäksi signaalikela C NMR-signaalin detektoimiseksi, joka on liitetty NMR-spektrometriin L, paikkainformaation ; koodaamiseksi on laitteistossa gradienttikelajärjestely G, 3 86505 joiden vaatimaa virtaa tuottaa spektrometrin ohjaamat gradient-tivirtalähteet GC.

Tunnettua on kohdistaa tutkittavaan kohteeseen radiotaajuinen säteilytys ydinmagneettisesta resonanssista poikkeavalla taajuudella (of f-resonassisätei1ytys) ja siten saturoida runsas-proteiinisten ainesosien magnetisaatiota. Biologisen kudoksen tapauksessa magneettikuvauksessa näkyvä signaali on useimmiten lähtöisin vesi- tai rasvamolekyylien protoneista. Tyypillisesti tämän NMR-signaalin T2 on yli 30 ms. Proteiineissa olevia protoneja vastaavan signaalin relaksaatioaika on alle 0.5 ms -liian lyhyt, jotta proteiinit näkyisivät mainittavasti suoraan tyypillisessä magneettikuvauksessa. Kohdistamalla kudoksen vesi- ja rasvamolekyy1eissä olevien protonien resonanssitaajuu-desta poikkeava säteilytys voidaan proteiinien protonien ydin-magnetisaatiota saturoida vaikuttamatta suoraan rasvan ja veden protonien ydinmagnetisaatioon.

Proteiineissa olevien protonien ja vesimolekyy1eissä olevien protonien välillä on jatkuva vuorovaikutus. Tällöin proteiineissa olevien protonien saturointi vaikuttaa vesimolekyylien ydinmagnetisaatioon nk. magnetisaation siirto- (engl. magnetization transfer, MT) ilmiön kautta. Tämän ilmiön avulla •m\/· on mahdollista tutkia kudosten proteiinien, rasvan ja veden : : : välisiä vuorovaikutuksia ja saada aikaan magneettikuvauksessa parempi erottelukyky eri kudosten välille. Magnetisaation ·“*· siirtoilmiötä on kuvattu esim. viitteessä S.D.Wolff and R.S.Balaban: Magnetic Resonance in Medicine, 10, 135-144 (1989).

• · » * ·

Edellä kuvattua saturaatioi lmiötä ei tule sekoittaa nk. radio-‘ taa juusvuotoon ( radiof requency bleed). Tämä ilmiö tarkoittaa : : off-resonanssisäteilytyksen suoraa vaikutusta kohteeseen, jonka pitkittäinen relaksaatioaika on Tl ja poikittaisen relaksaatio-aika T2: ·,,/ 1 4 86505

Mf = MO*(1+T22*w2)/(1+T22*w2+(tB1)2*T1*T2), (1) missä Mf on magnetisaatio sätei1ytyksen jälkeen, MO on tasapai-nomagnetisaation arvo, w/(2tt) on sätei 1 ytystaajuuden ja oikean resonanssitaajuuden välinen erotaajuus, B1 on sätei1yttävän vaihtomagneettikentän amplitudi ja τ tutkittavan ytimen nk. gyromagneettinen suhde. Kaavassa (1) on oletettu, että säteily-tysaika on samaa suuruusluokkaa kuin Tl. Yleensä magnetisaation siirto-koejärjestelyissä erotaajuus on valittu siten, että sätei1ytyksen suora, kaavan 1 mukainen vaikutus on pieni verrattuna proteiinien kautta tapahtuvaan epäsuoraan vaikutukseen.

Inversion recovery (IR) on eräs magneettikuvauksessa käytetty menetelmä. Kuvan 2 mukaisesti menetelmä koostuu inversiopuls-sista (IP) tai jostain vastaavasta toimenpiteestä inversion aikaansaamiseksi (esim. adiabaattinen nopea ohitus, composite pulssit), jolloin magnetisaatiovektori käännetään 180°, toipu-misajasta TI, jolloin magnetisaatio toipuu kohti tasapainoar-voaan sekä itse kuvaustapahtumasta, jolloin saatavan kuvan kontrasti riippuu siitä, kuinka paljon magnetisaatio on ehtinyt toipua ajassa TI.

Magnetisaation toipumista voidaan kuvata aikavakiolla Tl (pitkittäinen relaksaatioaika): M = M0 (1-2 exp(-TI/Tl)+exp(-TR/Tl)), (2) missä M on magnetisaation suuruus ajan TI kuluttua inversio-pulssista, M0 tasapainotilaa vastaava magnetisaatio ja TR mittausten toistoväli. Relaksaatioaika Tl riippuu kuvattavan kohteen (esim. eri kudostyyppien) kemiallisista ja fysikaali-·''· sista ominaisuuksista. Eräissä tapauksissa magnetisaation toipumista ei voida kuvata hyvin yhden relaksaatioajän avulla, mutta tällöinkin ilmiön pääpiirteet voidaan kuvata yksinkertaisemman kaavan 2 avulla. Erityisen merkittävää inversion 5 86505 recovery-sekvenssissä on se, että tietyllä inversioajan valinnalla tietyn Tl omaavan näytteen magnetisaatio ja täten myös saatava NMR-signaali on nolla.

Lääketieteellisessä kuvauksessa yllä esitettyä periaatetta on käytetty hyväksi: valitaan inversioaika siten, että tietty kudostyyppi antaa nol1asignaalin, jolloin kudoskontrasti tämän ja muiden kudosten välillä on suuri. Normaalissa kuvauksessa ei kuitenkaan yleensä ole merkitystä sillä, onko jokin signaali tarkalleen nolla, vaan pelkästään sillä, mikä on kudosten absoluuttinen intensiteettiero suhteessa kohinaan.

Eräs mielenkiintoinen ryhmä magneettikuvausmenetelmiä liittyy magneettikuvausangiografiaan (MR angiografia). Näissä menetelmissä pyritään verisuonten kontrasti suhteessa muihin kudoksiin maksimoimaan. Jos kontrasti on suuri, voidaan käyttää nk. pro-jektiomenetelmää, jossa viritetään kerralla koko kohde. Tällöin koko kohteen verisuonirakenne näkyy röntgenangiografiän kaltaisena kuvana.

Yllä kuvattu MR angiografia ja vastaavat projektiomenetelmät edellyttävät sitä, että muista kuin kiinnostuksen kohteena ole- vasta kudostyypistä tuleva signaali on lähes nolla. Useimmiten tällainen kontrasti saavutetaan vasta kahden tai useamman kuvan kombinaatiolla. Esimerkiksi MR angiografiaa voidaan tehdä : siten, että otetaan ensin kuva, jossa liikkuvat spinit antavat vain pienen signaalin ja sitten kuva, jossa virtaavat spinit antavat normaalin signaalin. Tämä on mahdollista nk. GMN-mene- telmän tai vastaavien menetelmien avulla (ks. esim viite C. E. Spritzer, R.A. Blinder: Magnetic Resonance Quarterly, 5, 205-227 (1989)). Näiden kahden kuvan erotuskuvassa paikallaan olevat spinit häviävät ja jäljelle jää vain liikkuvia spinejä (esim. verisuonissa virtaava veri). Toinen mahdollisuus on : : ottaa kuva ennen ja jälkeen kontrastiaineen ruiskuttamista.

. ‘. Veren ominaisuudet muuttuvat kontrastiaineen vaikutuksesta, kun « · · · • " * · · 6 86505 sen sijaan muut kudokset pysyvät yleensä ennallaan. Erotusku-vassa nähdään tällöin vain verisuonisto.

Kahteen erilliseen kuvaan sisältyy eräitä ongelmia. Kohteen (esim. potilaan) liikkuminen voi turmella lopputuloksen. Tarvittava dynamiikka koko systeemiltä on suuri, koska yleensä tutkittavan kudoksen antama signaali on vain murto-osa koko signaalista.

Olisi siten usein edullista saada aikaan tilanne, jolloin alkuperäinen signaali olisi peräisin vain tietystä tai tietyistä halutuista kudostyypeistä. Inversion recovery-sekvenssi on eräs keino pienentää tietyistä, valituista kudostyypeistä peräisin oleva signaali jopa nollaksi. Ongelmana on kuitenkin se, että biologiset kohteet ovat useimmiten monimutkaisia rakenteita, joissa on suuri variaatio erilaisia relaksaatioaikoja. Ei ole yleensä mahdollista valita inversioaikaa TI siten, että kaikista muista paitsi tietystä kudostyypistä tuleva signaali on nolla.

Paitsi MR angiografiässä yllä kuvattu tarve tulee kysymykseen MR myelografiässä, jossa pyritään selvittämään aivo- ja selkä-ydinnesteen jakautuma kohteessa.

• » « • « » * « ·

Eräs magneettikuvauksen sovellutus on nk. perfuusioherkkä kuvaus, jossa pyritään näkemään kudosten mikroverenkierron ilmiöitä. Paljon käytetty menetelmä perustuu suurten nk.

. perfuusiogradienttien käyttöön. Nämä gradientit ovat päällä virityspulssin jälkeen ennen signaalin keruuta, ja niiden . amplitudi ja kesto on valittu siten, että niiden vaikutus paikallaan oleviin spineihin on nolla, mutta liikkuviin ’ spineihin nollasta eroava. Lopputuloksena olevasta kuvasta ::: tarkastellaan signaalin amplitudin tai vaiheen muutoksia.

Patenttivaatimusten mukaisessa keksinnössä inversion recovery-. sekvenssiä on modifioitu siten, että saadaan aikaan tunnettua li 7 86505 tekniikkaa suurempi vapaus vaikuttaa eri kudosten välisiin kontrasteihin. Menetelmä koostuu valmisteluosasta, jossa on toimenpiteet inversion aikaansaamiseksi ja toimenpiteet off-resonanssisäteilytykseksi, sekä kuvausosasta, jossa tunnetuilla magneettikuvausmenetelmillä suoritetaan paikkakoodaus, joka mahdollistaa magneettikuvan laskemisen.

Keksintöä on kuvattu oheisissa piirroksissa, joissa kuva 3 esittää erästä keksinnön mukaista kuvaussekvenssiä, kuva 4 esittää erästä vaihtoehtoista keksinnön mukaista kuvaus-sekvenssiä, kuva 5 esittää normaalin inversion recovery-sekvenssin antamaa kontrastia eri kudosten välillä, kuva 6 esittää kuvassa 1 kuvatun sekvenssin vaikutusta kudos-kontrastiin ja kuva 7 esittää kuvassa 2 kuvatun sekvenssin vaikutusta kudos-kontrastiin.

Kuvassa 3 on esitetty eräs keksinnön mukainen pulssisekvenssi.

: : : Ennen normaalia inversion recovery-sekvenssiä näytteeseen koh- : distetaan of f-resonanssisäteilytys (SP). Tämän jälkeen suori- tetaan normaali inversion recovery-sekvenssi: inversiopulssi IP .*·*. kääntää magnetisaatiota noin 180°, inversioaikana TI magneti-.··*. saatio toipuu kohti tasapainoarvoaan, virityspulssi VP tämän jälkeen osittain toipunutta magnetisaatiota halutun kulman verran. Kuvassa signaali, nk. spinkaiku (SE) muodostetaan nk. gradienttikäännön avulla. Toinen mahdollisuus on käyttää hyväksi nk. puissikaikua. Akseleilla G*, Gy, G* on kuvattu paikka-resoluution saavuttamiseksi tarvittavat gradienttioperaatiot.

8 86505

Kuvassa 4 on esitetty eräs vaihtoehtoinen keksinnön mukainen pulssisekvenssi. Tässä sekvenssissä off-resonanssisäteilytys (SP) tapahtuu inversiopulssin (IP) ja virityspulssin (VP) välissä inversioajan TI kuluessa. Muutoin menetelmä on samanlainen kuin kuvassa 1.

Eräs variaatio keksinnöstä on kuvien 3 ja 4 yhdistelmä, jossa näytteeseen kohdistetaan of f-resonanssisätei1ytys sekä ennen inversiopulssia että inversiopulssin ja virityspulssin välisenä aikana.

Kuvassa 5 on havainnollistettu normaalin inversion recovery-sekvenssin kontrastin riippuvuutta inversioajasta TI. Tässä ja seuraavissa kuvissa nollatason osoittaa katkoviiva. Oletetaan kolme erilaista kudostyyppiä: rasvakudos, jolla on suhteellisen lyhyt Tl, mutta jossa on hyvin vähän proteiineja, lihaskudos, jolla on myös lyhyehkö Tl, ja joka sisältää runsaasti proteiineja ja veri, jolla on pitkä Tl ja jossa proteiinipitoisuus on melko pieni. Voidaan havaita, että tässä tapauksessa ei ole mahdollista saavuttaa tilannetta, jossa esimerkiksi rasva- ja lihaskudos antaisivat nollasignaalin, mutta veri nollasta poikkeavan signaalin.

Kuvassa 6 on havainnollistettu kuvassa 1 esitetyn sekvenssin :·' antamaa kudoskontrastia käyttäen edellä mainittuja esimerkki-kudoksia. Ennen inversiopulssia tapahtuva of f-resonanssisätei- • lytys ei vaikuta lainkaan rasvamol ekyyl eissä olevien vety-ytimien magnetisaatioon, ja hyvin vähän veressä olevien vesi-molekyylien magnetisaatioon. Sen sijaan runsasproteiinisen lihaskudoksen magnetisaatio lyhenee selvästi. Kun of f-resonanssisätei 1 ytykseen liittyvät parametrit (sätei1ytyksen amplitudi, kesto ja taajuus) on valittu sopivasti, saadaan aikaan kuvan mukainen tilanne: Rasva- ja lihaskudoksia vastaavat signaalit • häviävät, kun inversioajal 1 e TI on valittu arvo to.

li 9 86505

Kuvassa 7 on havainnollistettu kuvassa 2 esitetyn sekvenssin antamaa kudoskontrastia käyttäen edellä mainittuja esimerkki-kudoksia. Ennen inversiopulssia magnetisaatiot ovat nyt tasapainotilassa. Inversiopulssin jälkeen of f-resonanssisaturaatio vaikuttaa eri tavalla eri kudoksia vastaaviin signaaleihin: rasvakudokseen säteilytys ei vaikuta lainkaan, veren signaaliin vain vähän, mutta sätei1ytyksen aikainen lihaksen Tl lyhenee merkittävästi. Valitsemalla sopivasti sätei1ytyspulssiin liittyvät parametrit saadaan aikaan kuvan mukainen tilanne. Rasva-ja lihaskudosta vastaavat signaalit häviävät, kun inversio-ajalle TI on valittu arvo ti.

Kuvien 6-7 tapainen kontrastiin vaikuttaminen voi tapahtua myös suoralla radiotaajuusvuodol1 a (ks. kaava 1), jolloin magneti-saation muutoksen suuruus riippuu näytteen relaksaatioajoista Tl ja T2. Radiotaajuusvuoto ja magnetisaation siirto voivat vaikuttaa myös yhtä aikaa, jolloin on mahdollista saada menetelmälle lisää vapausasteita.

Kuvan 3 ja 4 mukaisia menetelmiä voidaan varioida muuttamalla kuvaussekvenssin jälkiosa puissikaiuksi, jolloin on mahdollista käyttää pitkää kaikuaikaa ja täten edelleen lisätä kudoskont-' rastia relaksaatioajoissa T2 olevien erojen avulla.

Lisäksi edellä mainittuja keksinnön mukaisia menetelmiä voidaan muunnella käyttämällä paikkakoodaukseen GMN-menetelmän mukaisia gradientteja.

Edellä selostettuja keksinnön mukaisia menetelmiä voidaan muunnella lisäämällä kuvaussekvenssiin perfuusiogradientit.

Claims (8)

10 86505

1. Menetelmä kohteen, kuten ihmiskehon, eläimen tai puunrungon tutkimiseen NMR-ilmiöön ja magneettikuvausmenetelmiin perustuen, käsittäen valmisteluosan ja signaalinkeruuosan, tunnettu siitä, että mainittu valmisteluosa sisältää toimenpiteet spininversion aikaansaamiseksi ja toimenpiteet off-reso-nanssisätei1ytykseksi (SP).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että siinä suoritetaan ensin toimenpiteet of f-resonans-sisätei1ytykseksi (SP) ja sen jälkeen toimenpiteet inversion aikaansaamiseksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että siinä suoritetaan ensin toimenpiteet inversion aikaansaamiseksi ja sen jälkeen toimenpiteet off-resonanssi-sätei1ytykseksi (SP).

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu : siitä, että siinä suoritetaan ensin toimenpiteet of f - r esonans - . sisätei 1 ytykseksi (SP), sitten toimenpiteet inversion aikaan- . .·. saamiseksi, jonka jälkeen toimenpiteet of f - r esonanss isä tei 1 y-• tykseksi (SP ) .

·*;" 5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, ·'' tunnettu siitä, että viritetään kerralla koko kohde.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, v - tunnettu siitä, että inversioaika (TI), of f-resonans-sisäteilytyksen (SP) kesto, amplitudi ja taajuus on valittu siten, että ne maksimoivat jonkin tietyn aineksen intensiteetin suhteessa muihin kohteessa oleviin aineksiin.

: : 7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu li 86505 siitä, että inversioaika (TI) on valittu sellaiseksi, että rasvakudoksen signaali on minimissään ja että of f-resonanssi-sätei1ytyksen (SP) parametrit on valittu sellaisiksi, että runsasproteiinisten kudosten antama signaali on mahdollisimman pieni .

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että siinä virityspulssin (VP) ja spin-kaiun (SE) välissä on ylimääräiset gradienttipulssit (G), joiden vaikutus paikallaan oleviin spineihin on nolla mutta liikkuviin spineihin nollasta poikkeava. <· « · • · · • · · * · · 12 86505