JPS6382351A - Nmr分光方法 - Google Patents

Nmr分光方法

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JPS6382351A
JPS6382351A JP62183825A JP18382587A JPS6382351A JP S6382351 A JPS6382351 A JP S6382351A JP 62183825 A JP62183825 A JP 62183825A JP 18382587 A JP18382587 A JP 18382587A JP S6382351 A JPS6382351 A JP S6382351A
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spin
pulse
signal
spectroscopy method
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クリストファー・ジャドソン・ハーディ
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/44Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
    • G01R33/46NMR spectroscopy
    • G01R33/4608RF excitation sequences for enhanced detection, e.g. NOE, polarisation transfer, selection of a coherence transfer pathway

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明は核磁気共鳴(NMR)分光法、更に具体的に
云えば、スピン結合された他の少なくとも1種類の選ば
れた共鳴からの応答信号を保存しながら、スピン結合さ
れていない少なくとも18類の選ばれた共鳴からの応答
信号を抑圧する為に、選択的な同種原子核方式(POT
SHOT)によって分極を移転する新規な方法に関する
。典型的に使われる場合、スピン結合されて1)ない全
ての応答信号が抑圧されると共に、予め選ばれたスピン
系からのものを除き、スピン結合された全ての応答信号
も抑圧される。
核磁気共鳴(NMR)生体白燐(31P)分光法が、人
間の代謝を監視するのに役立つ道具であることが現在で
はよく知られている。然し、生体白燐分光法は、妥当な
信号対雑音比を持つスペクトルを収集する為に、比較的
長い期間(典型的には少なくとも10分間)を必要とす
るのが難点である。燐分光性の代りに、水素(1H)分
光法を利用することが出来れば、水素のNMR感度は大
まかに云えば燐の感度の15倍も大きいから、時間の長
さの問題を避けることが出来よう。水素分光法のデータ
収集時間は、同じ信号対雑音比を達成しようとする場合
、燐のデータ収集時間よりも2桁又はそれ以上短くする
ことが出来る。然し、1H分光法は、検査するサンプル
の水等の様なある成分のスピン結合されていない共鳴が
存在すること、並びに脂質等の様なスピン結合された共
鳴が存在すること、並びにこれらが関心が持たれるスペ
クトルのピーク(例えば乳酸塩成分等)よりも典型的に
4桁及び3桁大きいのが難点である。
更に、この様な不所望のスピン結合されていない共鳴は
、所望の代謝物質のピークと大体同じスペクトル位置に
あり、所望の代謝物質のピークを検出することが従来の
方法では事実上不可能である。
従って、結合されていない水素スピン共鳴を持つ、水、
脂質及び同様な物質を含む生体内の人間の組織の成分が
存在する状態で、生体内の人間のサンプル中の代謝物質
中の結合された水素スピンからのスピン共鳴応答を収集
する方法を提供することが極めて有利である。
従来技術 収集された全体的なNMR応答スペクトルの内、不所望
の共鳴ピークを抑圧する為に、じゃまなスペクトル・ピ
ークの周波数を中心とする帯域幅の狭いRF信号パルス
を利用する幾つかの方法が提案されている。おそらく最
も直接的な方式は、所望のスペクトルを受取って処理す
る前に、じゃまな信号ピーク応答(普通は水の共鳴の応
答)を抑圧する為に利用される時間的に長い予備飽和パ
ルスを印加するものである。一般的に”1−3−3−1
”と呼ばれる別の方式は、一連のπ/2又は90°RF
信号パルス及び中間の遅延を利用して、所望の共鳴のス
ピンを横平面へ操作しながら、不所望の成分(例えば水
)の水素スピン・ベクトルを縦方向に操作する。こうい
う方式は、共に他の不所望(例えば脂質)の共鳴には多
少とも影響がない様にしたま\、不所望(水)の共鳴の
化学シフトに近い化学シフトを持つ全ての代謝物質の共
鳴を抑圧することも必要であるのが煩わしい。
不所望の種目(水)と他の化学的な種目の間のスピン−
格子緩和時間T1及びスピン−スピン緩和時間T2の違
いを利用することにより、水の共鳴ピークに対して弁別
するこの他の方式も知られている。即ち、β乳酸塩の様
な他の共鳴は実質的に影響がない様にしながら、ある組
織の水のピークを抑圧する為に、長いエコー時間を非常
に有効に利用することが出来る。然し、多くの脂質の共
鳴も都合の悪いことに影響を受けない。同様に、この他
の方法は、読出しの前に、不所望の種目(水)のゼロ時
定数(T11u11)に等しい遅延を持つ反転パルスを
利用する。然し、こういう方法は、水の共鳴を抑圧する
が、所望の代謝物質の共鳴ピークを部分的に抑圧するだ
けでなく、一般的には他の不所望の(脂質の)共鳴等に
対して弁別しない。
現存の幾つかの方法は、同じ分子の隣合った原子核の間
のスカラー結合を利用することにより、スピン結合され
ていない共鳴からの応答信号を抑圧する。横平面に章動
した結合スピンが、一連のRF信号パルス及び遅延の作
用を受け、これによって結合スピンの磁化が、非結合ス
ピンの磁化が展開するのとは異なる形で展開するように
する。
水素の結合定数Jに近い結合定数を持つ全ての結合スピ
ンの位相を反転する為に、広帯域の90’又はπ/2R
F信号パルスを用いる同種原子核分極移転のある方式は
、互いに結合された、最終的なスペクトルの脂質共鳴を
弁別することが出来ない。この欠点は、乳酸塩のピーク
周波数の1つに中心を持つ狭帯域の180°RF信号パ
ルスを広帯域の11110°RF信号パルスに重畳する
ことにより、ある結合されたピーク、例えば乳酸塩の共
鳴を保存しながら、他のある共鳴、例えば脂質アルキル
の共鳴を排除することが出来る、同種原子核二重共鳴差
分光性と呼ばれる別の方法を用いて解決することが出来
る。狭帯域パルスは最初の共鳴ピークが結合されている
残りの乳酸塩の共鳴ピークの位相だけを反転するが、そ
れも狭帯域パルスの周波数が約1 fiz以内に正しく
設定されている場合だけである。周波数の設定が不正確
であると、もとの乳酸塩のピークは位相及び/又は振幅
が歪み、所望の信号が最終的なスペクトル中で互いに相
殺する結果になることがある。
発明の要約 この発明では、NMR分光法でスピン結合された共鳴か
らの少なくとも1つの所望のNMR応答信号を受信し品
<シながら、少なくとも1つの不所望の共鳴応答信号を
抑圧する新規な方法が、RF信号パルスからなる1対の
交番順序を加える工程を用いる。各々の順序は、(a)
スピン結合された及びスピン結合されていない共鳴を、
検査するサンプルに用いるデカルト座標系の第1の軸線
の周りに章動させる為の初期90°又はπ/2RF信号
パルスと、(b)nを奇の整数1.3.5・・・、Jを
水素(1H)原子核のスピン結合定数として、初期パル
スの時間的な中点から、n/4Jに略等しい期間T後に
発生する時間的な中点を持っていて、スピンを前記第1
の軸線の周りに回転させる180°又はπRF信号パル
スと、(C)その順序中の1番目の180°RF信号パ
ルスの時間的な中点から期間Tの2倍後の所に時間的な
中点を持ち、ガウス形、5inc又はその他の予定の略
対称的な形を持つ略対称的な包絡線を有する最後の振幅
変調された180°又はπRF信号パルスとを持ってい
る。この発明の方法は、1対の順序の内の一方にだけ、
その順序の1番目の180°RF信号パルスから略期間
T後の所にある時間的な中点に対して対称的に配置され
ていて、少なくとも1つの不所望のスピン結合されてい
ない共鳴の共鳴周波数から実質的に離れた周波数を持つ
分極移転狭帯域180°又はπRF信号パルスを用いる
。受信する応答信号は、最後の180°RF信号パルス
の時間的な中点から期間Tに略等しい時間後に時間的な
中点を持つ応答ゲート期間内に収集する。最後のRF信
号パルスがスピン・ベクトルを第1の方向の軸線の周り
に回転させる。前記1対の逐次的な順序の内の一方から
回収された1組のデータを他方の組から減算して、スピ
ン結合されていない共鳴データが実質的に相殺されてい
て所望のスピン結合された共鳴データが存在する様な処
理済みデータの組を求める。a及びbを夫々奇数、添字
の和(a+b)が偶数になる様なAaBbの形を持つ分
子成分の結合スピンに対し、座標系の第1の軸線に対し
て略直交する第2の軸線の周りにスピン・ベクトルを回
転させる。添字の和が奇数で、aが奇数、bが偶数であ
る様な分子成分に対しては、第1の軸線の周りの回転を
利用する。第1及び第2の軸線は全般的に、装置の静磁
界Boの方向に対して直交している。スピン結合されて
いない共鳴の抑圧を強める為に、1対の順序の対の内の
交互の逐次的な順序で、狭帯域RF信号パルスの位相を
180°交番にする。
従って、この発明の目的は、NMR分光法で少なくとも
1つの所望の応答信号を受信し易くしながら、少なくと
も1つの不所望の共鳴応答信号を抑圧する為の新規な選
択的な同種原子核分極移転方法を提供することである。
この発明の上記並びにその他の目的は、以下図面につい
て詳しく説明する所から、当業者に明らかになろう。
発明の詳細な説明 最初に第1a図について説明すると、NMR分光法の情
報を求めようとするサンプル内に存在する分子10は、
その原子核の間に同種原子核スカラー結合を持つもので
ある。例として、分子10がAB3形分子、例えば乳酸
塩分子であり、1個の水素原子10a(H(A)側の半
分内で、中α 央の炭素原子と一直線上にある円で示した1個の結合を
持つ)と3つの水素原子10b(Hβ(B3)側の半分
にあって、端の炭素原子に対して一直線上にある円で示
す結合を夫々持つ)との間にスカラー結合が存在する。
基本方向(例えば3D座標系のZ軸)に外部から印加さ
れた静磁界Boと、磁界B0の方向に対して略直交する
平面内の外部のRF磁界B1の両方に応答して、RF共
鳴応答信号を受信して解析することが出来る。
H(A)水素原子10aはその原子核のスピンα が上向き又は下向きになり得るから、Hβ(B3)原子
10bの核スピンは相異なる2つの局部的な環境の内の
一方を受け、この為、その共鳴のピークは、何れも振幅
が大体似ているスペクトル線の二市項11に分裂する。
同様に、3つのβ水素原子10bは、1種類の形式12
aの上向きの3つのスピン全部、3つの形式12bを取
り得る、下向きの1つのスピン及び上向きの他の2つの
スピン、3つの形式12cを取り得る下向きの2つのス
ピン及び上向きの1つの1つのスピン、又は1種類の形
式12dの3つのスピン全部の何れかのスピン形式12
を取り得る。従って、α水素原子10aから見ると、4
種類の異なる環境(スピン形式12a乃至12dの環境
)があり、その共鳴は相対的な強度1:3:3:1を持
つスペクトル線の四重項に分裂する。
次に第1b図には、実入ではないが周波数ωに対し、1
例としてのサンプルの相対的な共鳴の強度が示されてい
る。サンプル中の溶媒(水等の様な)からの少なくとも
1つの結合されていないスピンが、結合されていない水
素原子核の周波数ωHの所に強度の強い共鳴スペクトル
成分Pを発生することがある。こ\に示したAB3形分
子のβ側の水素の結合スピンH(A)が、夫々周波α 数ωR1ωS、ωT及びωUの所にスペクトル成分R,
S、T及びUの四重項を発生する。各々のピークはスピ
ン−スピン結合定数J (’Hでは約7.35Hz)だ
け離れている。β側の水素の共鳴Hβ(B3)が、夫々
周波数ωY及びωW所に二重項の共鳴ピークV及びWを
発生し、その間は結合定数Jだけ周波数が離れている。
スピン結合されていない共鳴成分Pの比較的巨大な振幅
が、所望のスピン結合されたスペクトル成分R乃至Wの
ずっと小さい振幅を小さく見せ、この為スピン結合され
ていないスペクトル成分Pが存在する状態で、スピン結
合されたスペクトル成分を求めようとしても、不可能で
はないとしても、極めて困難である。成分R,S、T、
U、V及び/又はWの使いものになるスペクトルを求め
ようとすれば、スペクトル成分Pを完全にではないにし
ても、少なくとも部分的に抑圧する何等かの手段を設け
なければならない。図面を見易くする為に図面に示して
ないが、実際のサンプルは不所望のスペクトル線Pが1
個であるとは限らない。人間の生体内のサンプルは、所
望のスピン結合された共鳴を回収しようとすれば、何れ
も抑圧しなければならない複数個の不所望の線成分(水
、脂質等)を持つことがある。
次に第2図について説明すると、この発明では、何れも
サンプルを逐次的な1対の励振順序の内の一方にかける
ことによって夫々発生された1対のデータの組を減算す
ることにより、少なくとも1つのスピン結合された共鳴
スペクトル成分を保存しながら、茶所91のスピンのス
ペクトル成分を抑圧した最終的な応答データを発生する
。この1対の順序で、1つの順序はスピン結合系の位相
ピーク反転パルス14を持ち、この1対の順序の他方は
このパルス14がない。
各々の対で、両方の順序は時刻toに始まる。
この時刻より前に、部分15aに示す様に、無線周波(
RF)励振磁界B1の振幅は略Oである。
90°又はπ/2のRF信号パルス16が時刻toに開
始して時刻t2に終り、サンプルが配置されている3次
元座標系の第1の軸線、例えばNMR装置の静磁界の中
に配置されたデカルト座標系のX軸に沿って、B1磁界
を発生する。典型的には、装置の静磁界B。はZ軸上に
ある。パルス信号16が核スピンを第1の軸線(X)の
周りに横平面、即ちデカルト座標系のXY平面へ章動さ
せる。その後、RF磁界B1の振幅は、部分15bに示
す様に、振幅が略Oであって、時刻t3に第1の軸線(
X)に沿って、磁界B1を持つ180″又はπの位を口
戻しRF信号パルス18が開始する。信号パルス18が
時刻t5に終了する。実質的に章動パルス16の中央に
ある時刻t1と実質的に位相戻しパルスの中央にある時
刻t4の間の遅延時間Tは、n−1,3,5・・・とじ
て、(n/4J)に略等しい。RF磁界の振幅が略0で
ある別の部分15cの後に、結合スピン反転信号パルス
14が発生されるが、これは多対の逐次的な励振順序の
内、1番目にだけ発生される。パルス14は、位相戻し
パルス18の時間的な中点t4から期間T後に起る時刻
t7に対して略対称的な11110”又はπのRF信号
パルス(ガウス形包絡線の形を持つことが好ましい)で
ある。結合スピン選択性パルス14が時刻t8に終了し
た後、そして空間選択性π又は180°RF磁界信号パ
ルス20が開始する時刻taより前に、RF磁界の振幅
が略Oの別の部分15dがある。パルス20は第1の軸
線(X)の周りにRF磁界B1を発生し、時間的には中
心時刻t、に対して略対称的である。時刻t、は、1対
の順序の内、その順序に狭帯域結合スピン選択パルス1
4がある場合は、このパルスの中心時刻t7からもう1
つの期間Tの終りにあり、その順序にこの結合スピン選
択パルスがない場合は、180aパルス18の中心時刻
t4から期間2T後の所にある。時刻tcに終了する空
間選択性RFパルス20は全体的に対称的な信号であっ
て、応答の空間的な指定作用を最も良くする為の変調さ
れた包絡線を持っている。
この変調は(図示の様に)截頭sin (x) /Xハ
ルス20等の様な任意の所望の形式であってよい。
典型的には、空間選択性パルス20は、勾配磁界パルス
22の略一定の部分と時間的に一致する。
パルス22が、結合スピン保持パルス14の終了時刻t
8より後、そしてπパルス信号20の開始時刻taより
前の時刻t9に始まる。パルス22が、空間選択性RF
パルス信号20の終了時刻tcより後の時刻1dに終了
する。1個の0でない勾配パルス信号22を使うことは
、1984年7J]2日に出願された係属中の米国特許
出願通し番号第626,941号に記載されているDR
ESS分光法の空間指定方法を利用した、現在好ましい
と考えられる1実施例に過ぎない。少なくとも1つの磁
界勾配を利用するこの他の空間指定方式をこの発明のP
OTSHOT方法と共に利用することが出来ることを承
知されたい。
1対の励振順序の内の各々の励振順序が、サンプルから
応答信号を発生する。各々の応答信号を、RF受信ゲー
ト・パルス信号24に応答するNMR装置のRF性分光
で受信する。このパルス信号24は、その期間中のゲー
ト時刻tfが、空間選択性パルス20の中心時刻tbか
ら期間T後になる様に定められていて、時刻te及びt
9の間に受信が出来る様にする。ゲート開始時刻teは
時刻t。と云う様に早くしてもよいし、ゲート終了時刻
t9は任意の所望の時刻にすることが出来る(例えば、
受信信号を一定期間遅延させた後と云う様に)。この為
、他の時には振幅が略Oであるゲート信号部分24a、
24bが、ゲート・パルス24が存在する期間の外側で
は、どんな応答信号26も発生されない様にする。絶対
的に必要なものではないが、各々の励振順序の前に、少
なくとも1つの溶媒を抑圧する等のRF信号パルス28
を先行させることが非常に望ましいことを承知されたい
。このRF信号パルスは、脂質、水等のスピン結合され
ていない共鳴成分Pを飽和させ又はその他の形で抑圧す
る。
結合スピン共鳴選択パルス14は、添字の合計が偶数に
なる結合スピン系、即ち、添字の和(a+b)が偶数で
あり、添字aが奇数である様な選ばれたAaBbスピン
系でだけ、第1の軸線(X)に対して略直交する(且つ
一般的に磁界Boに対しても直交する)第2の軸線即ち
Y軸の周りのπYRF信号パルスである。この為、AB
スピン系で、添字の合計が2であるか、又はAB3スピ
ン系で合計が4等になる時、πパルス14が使われる。
添字aが奇数で、添字の合計が奇数になるABコスピン
系の様な系では、この順序を修正して、RFパルス14
が180’x又はπ×パルス(第1の軸線又はX軸の周
りの)になる様にし、これによって系内の全てのピーク
は2つの二重類の間にπの位相の捩れを保持することが
出来る様にする。何れの場合も、RF周波数は実質的に
回収しようとするスペクトル成分の周波数である。
パルス14は、その周波数成分が一層狭い帯域幅に分布
しているので、「柔らかい」輪郭を持ち、この為周波数
が広い「硬い」 (又は隅が四角の)パルス16.18
よりも周波数選択性が一層強い。
各々の順序からの応答データ26を受信し、ディジタル
化して貯蔵する。1対の順序の2番目の順序からの貯蔵
データを、この後、1番目の順序からの貯蔵データから
(又は逆に)減算し、こうしであるスペクトル成分のピ
ークが積極的に相加わるが、他のものが相殺される様に
する。具体的に云うと、スピン結合されていない成分か
らの応答データが相殺し、これに対してパルス14を使
うことによって選択されたスピン結合されたスピンは、
他方の応答中のデータに比べて、一方の応答中のデータ
の位相が反転し、この為、一方の組のデータを他方の組
のデータから減算すると、実際には最終的なデータの組
で、スピン結合された2つの応答成分が加算される。
次に第2a図について(例としてAB3スピン系の)β
乳酸塩の二重類成分V及びWについて、スピン結合成分
のこの選択的な補強作用を説明する。初期パルスが両方
のスピン・ベクトルV及びWを図(1)に示す様にXY
平面に章動させる。
励振信号の周波数ω×で回転する基準系に対し、スピン
が夫々矢印V′及びW′の方向に回転する(これは、励
振周波数ω×が例として二重類の外側にあるから、同じ
方向である)。1番目の1/4J遅延は、1対のスピン
が、図(2)に見られる様に、互いに90″位相がずれ
る様にする位に長い。図(3)に見られる様に、1番目
の広帯域π×パルス18により、B二重類がX軸の周り
に反転するだけでなく、Aスピンも反転する。これは、
B二重類の「レッテル」を切換える効果を持つ。2番目
の1/4J遅延が、図(4)に示す様に、スピンをX軸
に沿って反平行の向きを持つ様にする。例えば、スピン
■が正の方向を向く。第2C図に見られる様に、やはり
反転して「レッテル」をつけかえたスピン・ベクトルの
A四重類も、X軸に沿って反平行であり、RSTUII
!1g重項では、R及びTスピンがS及びUスピンに対
して反対向きである。まだ選択性パルスを印加していな
いから、添字が偶数の全ての四重類が存在し、同様な反
平行状態にあるのは選ばれたスピン系のものだけではな
い。後で第2b図から明らかになるが、これに対して結
合されていないスピンは、反転しているが、分極移転に
関係していないので、この時Y?711に沿った向きの
ま−である。
励振順序がπYパルス14を含む場合、図(5a)への
上向きのπYの矢印を辿り、これはへ四重項に加えられ
た狭帯域の180’パルスがこの四重類をY軸の周りに
直接的に反転するが、B二重類をスピンのレッテルの張
替えを通じて反転することを示している。この他のスピ
ン結合された共鳴は、このパルスが化学シフト選択性で
ある為、一般的にこのパルスの影響を受けない。スピン
結合されていない共鳴も影響を受けない。これは、化学
シフト選択性の為、並びに第2b図から判る様に、結合
されていないスピンは、このパルスが印加される時にY
軸に沿った向きであるからである。1対の順序の内、2
番目の順序が起っている時、即ちパルス14がない時、
“No7ry”矢印の方向に下向きに図(5b)に進む
。この時、■及びW成分は、図(4)と全く同じ回転ベ
クトルV′及びW′とX軸に沿って全く同じ方向に整合
している。この時データを収集して減算すれば、選ばれ
たAB3スピン系の共鳴だけが積極的に相加わることに
注意されたい。然し、異なる四重類成分が正及び負の位
相の間で交互に変り、十分に分解されていない四重類に
対して特に望ましくない状況を作る。その為、11/2
 Jの遅延に相当する最後の1対の遅延を利用し、この
遅延期間の中心にある広帯域180”xパルス20が、
化学シフトの影響を否定する為の時間的な反転を行なう
従って、へ四重項及びB四重類の両方のスピンが、図(
8a)及び(8b)に示す様に、両半分の終りに反対の
位相を持ち、この為、2つの相異なる信号からのデータ
を減算した時、ピークが実効的に加算される。
水又はその他の溶媒からの抑圧すべきスピン結合されて
いない成分Pは、第2b図に示す様な作用を受ける。図
(1)で、スピン・ベクトルPが(π/2)×信号パル
ス16によってXY平面に章動する。図(2)に示す様
に、初期の遅延時間の後、時間反転パルス18がスピン
PをX軸の周りに回転する(図(3))。2番目の遅延
期間により、スピンPが、図(4)示す様に、負のY方
向に来る。化学シフト選択性信号パルス14による結合
されていないスピンに対する影響がないから、Pスピン
・ベクトルは、夫々図(5a)及び(5b)に示す様に
、πYパルスが存在するかどうかに関係なく、−Y方向
に引続いである。その後、同じ作用が行なわれ、3番目
のT遅延期間の後、スピン・ベクトルPは、図(6a)
及び(6b)に見られる様に、XY平面内の同じ方向に
ある。空間選択性パルス20の後、スピン・ベクトルP
は、図(7a)及び(7b)に見られる様に、単にX軸
の周りに回転する。最後に、4番目の最後のT遅延期間
の後、Pベクトルが、図(8a)及び(8b)に示す様
に、同じ+Y方向にある。
従って、1番目の励振順序の+Y信号データを2番目の
励振順序に応答して収集された+Y信号データから減算
すれば、振幅は実質的0になる。即ち、スピン結合され
ていないベクトルは、1対の順序の内の両方の励振順序
で同じ向きを持ち、最終的な差のスペクトルでは、減算
によってなくなる。化学選択性パルス14がB二重項又
はA二重項に印加される様に、励振順序が修正された場
合でも、同じ作用が行なわれる。
次に第2c図について説明すると、前に説明した様に、
四重類RSTUが、90’x信号パルス16により、図
(1)に示す様に、XY平面の+Y軸へ最初に章動する
。初期の遅延の後、反平行スピンR及びTが、図(2)
に見られる様に、反平行スピンS及びUに対して実質的
に直交する。
前に説明した様に、π×信号パルス18は、ベクトルの
四重類をX軸の周りに回転させるだけでなく、図(3)
に示す様に、各々の反平行の対のレッテルを変える。図
(4)に示す様に、2番目の遅延期間の後、この時平行
なスピンR及びTが、+x軸の方を向いた平行なS及び
Uスピン・ベクトルに対して反平行である。化学シフト
選択性πYパルスを印加すると、ベクトルがY軸の周り
に回転し、図(5a)に示す様に、この時R及びTスピ
ンは+X方向になる。励振順序にパルス14が存在しな
い場合、図(5b)に示す様に、回転は起らない。3番
目の遅延期間Tの後、図(6a)及び(6b)のスピン
・ベクトルになる。空間選択性信号パルス20が成分を
X軸の周りに回転させ、レッテルを変えることにより、
「パルス14が存在する」順序では図(7a)の様にな
り、「パルス14が存在しない」順序では図(7b)の
様になる。4番目の最後の遅延の後、四重項スピンR乃
至Uは何れも、選択性パルス14がその順序に存在して
いれば、図(8a)に示す様に十Y方向にあり、これに
対して、信号パルス14が存在しなければ、図(8b)
に示す様に、四重項R乃至Uは何れも−Y方向にある。
これらの2組のデータを求めて減算した後、やはり積極
的な加算が行なわれることが理解されよう。
次に第2d図及び第2e図について説明すると、AB2
形の分子は図示のスペクトルを持つことがある。周波数
ωHの少なくとも1つの溶媒のビークPが、Aバンドの
分裂によるV及びW二重項成分又はBバンドの分裂によ
るに−L−M三重項成分の何れの振幅をもはるかに越え
る振幅を持っている。逐次的な(π/2)×信号パルス
(図1)、1番目の遅延(図2)、πXRF信号パルス
(図3)及び2番目の遅延(図4)の効果により、三重
項のスピンはY軸と整合し、1番目及び3番目のスピン
は一方のY方向であり、三重項の2番目のスピンはY方
向の他方である。πXRF信号パルスが存在すれば、こ
れはこのパルスがない順序(図5b)に対し、三重項の
スピンをはじく様に作用する(p5a)。3番目の遅延
(図6a及び6b)、選択性π×パルス(図7a及び7
b)及び最後の4番目の遅延(図8a及び8b)の効果
は、相次ぐ1対の順序で収集された最後の信号が、互い
に位相がずれており、この為、一方の回収データを他方
のデータの組から減算すると、最終的なデータの組では
、三重項の応答が相加わり、スピン結合されていない共
鳴の効果は実質的に相殺される。
実際には、装置の欠陥やRF信号パルスの脱落により、
(第1b図のP成分の様な)不所望の共鳴成分の抑圧が
最適に至らない場合がよくある。
従って、添字が偶数の系では、選択性πパルス14を交
互に+Y及び−Y位相に変えることにより、又は添字が
奇数の系では選択性π×パルス14を交互に+X及び−
Xの位相に変えること等により、この発明の励振順序に
単純な位相サイクルを取入れて、小さな誤差を少なくす
ることが出来るが、これは基本的なサイクルの長さを2
回の収集から4回の収集へ長くする傾向がある。勿論、
当業者であれば、更に複雑な位相サイクル方式を利用す
ることが出来るが、それに伴なって合計のサイクル時間
が一層長くなることが理解されよう。
この他の溶媒抑圧方式を用いることが出来ることが理解
されよう。現在では、1対の内の各々の順序の先頭に、
約2秒の間約2mGの振幅を持っRF磁界B1を利用し
て、低レベルの予備飽和パルス28を使うことが好まし
い。この他の公知の化学シフト選択性、T1又はT2方
式も同じ様に使うことが出来る。RF分光系の受信器が
出会う全体的な応答信号のダイナミック・レンジが減少
するから、予備的な溶媒抑圧方式を使うことが非常にを
利である。予備飽和パルス28は比較的長さが長い(例
えば2秒)であるが、サンプルに入込むRFエネルギは
予想よりずっと少ない。何れにせよ、この発明では、予
備飽和パルスの平均エネルギは、順序の「硬い」(「四
角」)パルス16及び/又は18の平均エネルギと同等
の大きさであることが判った。乳酸塩のピークは、多く
の組織に於ける水のピークの12時間に比べて、結合時
間T2がずっと長いから、長いエコー時間を利用して、
水の信号を弁別することが出来る。現在では、他の場合
に利用するT−1/4 Jの遅延(約136ミリ秒)で
はなく、na−m 3を利用することによって得られる
長いエコー時間(合計のT−3/4Jの遅延が約408
ミリ秒)を用いることが好ましい。
第3a図には、(随意選択によるエネルギの小さい、持
続時間が比較的長い予備飽和パルス28を含む)完全な
励振順序に対する実際の励振信号を発生する1実施例の
装置が示されている。装置34が、第1の周波数合成手
段36を持っている。
この合成手段は、所望の結合された共鳴成分の近辺の第
1の周波数ω×、例えば周波数ωR乃至ωWの内の1つ
の近くの周波数をその第1の出力36aに発生する。第
1の周波数合成手段の主発振信号が第2の出力36bか
ら、第2の周波数合成手段38の主発振入力38aに供
給される。この周波数Foが、第2の周波数合成手段の
出力38bの信号を同期させる。これは、抑圧しようと
する不所望のスペクトル成分のPの周波数ωHに設定さ
れる。この成分は、第1の周波数合成手段の周波数ω×
に接近していてよいが、必ずそれとは異なる。相異なる
3種類の使われる信号パルス(「硬い」、「柔らかい」
及び「長いパスルの予備飽和」)の各々に対し、可変減
衰手段又は変調手段40を設ける。即ち、電子的に可変
の第1の減衰器40−1が第1の周波数合成手段の出力
信号をその人力4O−1aに受取り、装置の第1の入力
端子34aからの制御信号E1の「硬い」バルス波形4
0−IMをその制御入力4O−1bに受取る。RF倍信
号変調波形40− I Mに応答して、第1の周波数ω
×の矩形波で変調されたRF信号パルス4O−IRが可
変減衰手段の出力4O−1cに現れ、第1の電力増幅P
A手段42−1によって増幅され、RF信号パルス16
及び18となる。同様に、第2の可変減衰手段40−2
が第1の周波数合成手段の出力信号をそのRF入力4O
−2aに受取ると共に、装置の第2の入力34bからの
「柔らかい」変調E2信号波形40−2Mをその制御人
力4O−2bに受取る。「柔らかい」変調されたRF信
号40−2Rが第2の可変減衰手段の出力40−2 c
に発生され、第2の電力増幅(PA)手段42−2で増
幅されて、やはり第1の周波数ω×を持つ「柔らかい」
包絡線の励振信号パルス14及び/又は20になる。第
1の可変減衰手段40−1は(周波数合成手段の信号を
関連した電力増幅器へ伝達する為に「オン」であるか、
或いはこの信号が伝達されない様にする為に「オフ」で
あるかの何れかで)実質的に2進的な応答を持ちさえす
ればよいが、第2の可変減衰手段は、その制御人力の制
御信号の瞬時振幅に較べて、その出力の変調されたRF
倍信号大きさは一般的に直線的な関係を持っている。全
体的に直線的な第2の可変減衰手段40−3が、不所望
のスペクトル成分の周波数ωHの信号をそのRF入力4
O−3aに受取ると共に、装置の第3の入力34cから
、波形40−3Mを持つ抑圧変調信号A3をその制御人
力4O−3bに受取る。出力4O−3Cの変調されたR
F信号40−3Rを別の減衰手段44によって更に減衰
させて、抑圧パルス28を設定する為に用いられる別の
電力増幅(PA)手段42−3に対する駆動信号にする
ことが出来る。全ての電力増幅手段42の出力を組合せ
手段46で組合せて、装置の出力34dに対する合計の
励振電力を発生し、NMR分光系に用いられるRFコイ
ルに接続して、サンプルを励振することが出来る。
次に第3b図について説明すると、現在好ましいと考え
られる装置34′を利用して、(コストを下げる為に、
1個のキロワット級電力増幅手段しか用いないことが望
ましいので)1個の電力増幅手段42に対する1個の励
振信号を発生する。
現在好ましいと考えられるこの実施例では、第1の合成
手段の主発振周波数F0信号を第1のゲート手段48−
1の入力48−18に供給する。このゲート手段は、装
置のゲート入力34′ eからの2進オン/オフ信号を
制御入力48−1bに受取る。ゲート出力4g−1cの
ゲートされた主発振信号が第2の合成手段の主発振入力
38Hに供給される。同様に、第2の合成手段の出力3
8bに出る不所望のスペクトル成分の周波数ωHの信号
を第2のゲート手段48−2の入力4g−2aに供給す
る。ゲート手段の第2の制御入力48−2bに送込んだ
ゲート信号に応答して、第2のゲート手段の出力48−
2cの同期したRF倍信号、装置の入力34′ eの信
号が「オン」状態にある時にだけ存在する。夫々柔らか
い変調器Nα2及びNo、 3の出力40’−2c及び
40’−30に出る変調されたRF倍信号、第1の組合
せ手段50−1の第1及び第2の入力5O−1a及び5
O−1bに夫々結合される。組合せ手段の出力5O−I
Cに得られる組合された柔らかいパルス信号の組が第2
の組合せ手段50−2の第1の入力5〇−2aに供給さ
れ、第2の組合せ手段は第1の変調器の出力40’−I
Cからの硬いパルス信号をその第2の人力5O−2bに
受取る。組合されたRF励振信号がm2の組合せ手段の
出力5O−2cから装置の出力34′ dに供給され、
外部電力増幅手段42の入力に送込まれる。
例として、以下説明するスペクトルは、RF送信の為の
身体コイルと、受信用の直径約5 cmの電子的に減結
合された表面コイルを用いた1、5テスラ(T)の全身
研究用装置で収集した。表面コイルの減結合回路は、受
信コイルが送信されるRF励振磁界を歪めない様にする
。送信コイルには減結合機構を利用しなかった。これは
、こういう機構は非直線部分を持っており、それが「柔
らかいJRF信号パルス14.20及び/又は28を幾
分歪めるからである。表面コイルの受信アンテすは身体
コイルの励振アンテナよりも相対的にずっと小さく、そ
の間の結合は殆んどないから、受信の際、減結合機構が
存在しなくても問題ではない。
次に第4a図及び第4b図には、この発明のPOTSH
OT励振順序を利用した1つの実験結果が示されている
。第4a図のスペクトルは、1゜5%のアガロースの溶
質中に100ミリモル(mM)の乳酸塩溶液を含む直径
3cmの10ミリリツトルの球から得られた水素IHの
スペクトルである。
応答信号は、励振の直後の自由誘導減衰(F I D)
信号としてファントムから読出した。不所望の水の共鳴
ピークPが、この図ではスペクトルの「静か」に見える
区域Q1及びQ2にある乳酸塩の共鳴を全くぼかしてい
ることが判る。
第4b図は、水のピークを抑圧する為に、(持続時間が
約2秒で磁界強度B1が約2mGの)予備飽和パルス2
8と共にこの発明の1対のPOTSHOT励振順序を利
用して、同じサンプルから得られたスペクトル応答を示
す。抑圧された水のピーりP′の振幅は、(第4a図の
スペクトルの水のピークPの振幅に較べて)約1150
 Qに減少した。水の緩和時間T2を約100ミリ秒の
整理的な範囲に下げる為にアガロースを利用すると共に
、繰返し時間を2.2秒として、位相サイクルの減算を
含めて合計8個の平均値を利用することにより、α乳酸
塩の四重類R’−U’及びβ乳酸塩の二重項V′及びW
′が、夫々4゜1 ppm及び1.3ppa+のずれの
所にはっきりと見える。このスペクトルで、αピークは
予想通りに、βピークと同じ位相を持っており、大まか
に云えばその面積の173である。選択性パルスの周波
数をβピークの反対側に同じ周波数だけずらす(例えば
、約−1,5ppmにする)と、水のピークの抑圧は幾
分か更に完全になる(例えば抑圧係数は約171.50
0倍になる)が、選択性パルスによる分極の移転がない
為、乳酸塩のピークが減算によって互いに消え、差スペ
クトルに現れない。
乳酸塩は10a+M程度又はそれ以下の濃度で生体中に
存在し、脂肪、脂等によって起る大きな脂質(CH2及
びCH3)のピークの為にぼける場合が多いので、アガ
ロース中に10a+Hの乳酸塩のファントムを持ち、そ
の近くに機械用のバイヤルを置いて、第5a図及び第5
b図のスペクトルを求めた。第5a図のFIDスペクト
ルはn−1で得られた。約4.7ppmの所にある水の
ピークP1及び夫々約1゜1 ppm及び1゜5 pp
mにある脂質のピークL+及びL2が、領域Qoにある
乳酸塩のスペクトルを完全にぼかしてしまった。然し、
水のピークの予備飽和及び長いエコー時間と共にPOT
SI(OT方法を用いると、脂の共鳴し1′及びL2′
はもはや見えなくなり、スペクトル中で約1/10.0
00に抑圧され、水のピークP′は約1/1.500に
抑圧され、β乳酸塩のピークQo’が約1.3ppmの
所にはっきりと見える。このスペクトルは、16秒で求
められたが、4個の平均を用いている。水のピークの予
備飽和パルスが、スペクトルのベースラインを変調し、
雑音と共にα乳酸塩のピークをぼかすことに繋がってい
た。
POTSHOTによる第4b図及び第5b図の両方のス
ペクトルで、選択性励振パルス14は30乃至40ミリ
秒のFWHMのガウス形パルスであるが、双曲線形セカ
ンド、パルス等の様な更に選択性の強いパルスにすれば
、特定の実験で抑圧作用を更によくすることが出来よう
選択同種原子核方式による新規な分極移転の現在好まし
いと考えられる幾つかの実施例をNMR分光法に於ける
不所望の結合されていないスピンを抑圧する場合につい
て説明したが、当業者には種々の変更が考えられよう。
従って、この発明はこ\で例として説明した具体的な実
施例によって制限されるものではなく、特許請求の範囲
の記載のみによって限定されることを承知されたい。
【図面の簡単な説明】
第1a図は所望のNMR応答信号を発生させようとする
乳酸塩の分子の略図、 第1b図はAB3形の分子(乳酸塩)の水溶液の結合さ
れていない共鳴及び結合された共鳴から発生される種々
の応答信号をグラフとして示す振幅−周波数線図、 第2図はスピンが結合されていない不所望の水素原子核
からのNMR分光法による応答信号を抑圧する為にこの
発明に従ってサンプルに印加される無線周波及び勾配磁
界励振と、それに応答して受信され、ゲートされたデー
タ信号を時間に対して示す一連のグラフ、 第2a図、第2b図及び第2c図は、乳酸塩のスピン結
合された二重項、水のスピン結合されていない一重項、
及び乳酸塩のスピン結合された四重項に対するこの発明
の方法の効果を示す一連のスピン−ベクトル線図、 第2d図はAB2形の分子の水溶液の結合されていない
共鳴及び結合された共鳴から発生される種々の応答信号
をグラフとして示す振幅−周波数線図、 第2e図はABz形分子分子ピン結合された三重項に対
するこの発明の方法の効果を示す一連のスピン−ベクト
ル線図、 第3a図はこの発明の方法に必要なRF刺激信号を発生
する1つの送信器の簡略ブロック図、第3b図はNMR
分光装置でこの発明の方法を実施するのに必要な刺激を
発生する為の現在好ましいと考えられるRF励振装置の
簡略ブロック図、第4a図及び第4b図はこの発明のP
OTSHOT方法を用いない場合及び用いた場合に、第
1のファントムから得られた周波数偏差で表わしたスペ
クトル線図、 第5a図及び第5b図はこの発明のPOTSHOT方法
を用いない場合及び用いた場合に、第2のファントムか
ら得られた周波数偏差で表わしたスペクトル線図である

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)サンプルからの少なくとも1つの所望のスピン結合
    された共鳴応答信号を含んでいて、その中でスピン結合
    されていない共鳴応答信号及びスピン結合された共鳴応
    答信号の内の少なくとも1つの不所望のものが実質的に
    抑圧されている様な処理済みスペクトルをサンプルから
    求めるNMR分光方法に於て、 (1)前記サンプルを静磁界B_0の中に浸漬し、(2
    )前記サンプルに無線周波(RF)磁界B_1のパルス
    からなる少なくとも1対の交番順序を加え、各々の順序
    は (a)前記所望のスピン結合された共鳴及び前記少なく
    とも1つの不所望の共鳴を前記サンプルのデカルト座標
    系の第1の軸線の周りに章動させる略90°の初期RF
    信号パルス、 (b)nを正の奇の整数、Jを所望の種類の原子核のス
    ピン結合定数として、前記初期パルスの時間的な中点か
    ら略期間T=n/4J後に発生する様な時間的な中点を
    持っていて、前記スピン共鳴を第1の軸線の周りに回転
    させる略180°のRF信号パルス、及び (c)前記順序の1番目の180°RF信号パルスの時
    間的な中点から期間2T後に発生する時間的な中点を持
    っていて、スピン共鳴を第1の軸線の周りに回転させる
    略180°の最後のRF信号パルスで構成されており、 (3)前記順序の対の内の一方にだけ、該順序の1番目
    の180°RF信号パルスの時間的な中点から期間T後
    に発生する時間的に中点を持つと共に、各々の前記少な
    くとも1つの不所望のスピン結合されていない共鳴の周
    波数とは異なる周波数を持つ分極移転180°RF信号
    狭帯域パルスを用い、 (4)各々の順序に対し、該順序の最後のRF信号パル
    スから期間T後に発生する時点を含む応答ゲート期間の
    間、1組の応答データを収集し、(5)逐次的に収集さ
    れた1対の応答データの組の内の一方を他方から減算し
    て差データの組を作り、 (6)前記差データの組を前記サンプルの処理済みスペ
    クトルとして表示する工程を含むNMR分光方法。 2)特許請求の範囲1)に記載したNMR分光方法に於
    て、前記最後のRF信号パルスが、前記サンプルの内、
    後続の応答信号をそこから受取る部分を空間的に指定し
    、更に、前記静磁界に磁界勾配を加え、各々の順序の最
    後のRF信号パルスを予定の特性を持つ略対称的な包絡
    線を持つ様に振幅変調し、勾配磁界の振幅を同時に設定
    して、応答信号を前記サンプルの予定の部分に指定する
    工程を含むNMR分光方法。 3)特許請求の範囲1)に記載したNMR分光方法に於
    て、aを奇の整数及びbを偶の整数として、前記少なく
    とも1つの所望の共鳴がA_aB_b形の分子からの共
    鳴であり、更に、分極移転パルスを用いて、スピン共鳴
    を前記第1の軸線に対して略垂直な第2の軸線の周りに
    回転させる工程を含むNMR分光方法。 4)特許請求の範囲3)に記載したNMR分光方法に於
    て、更に、前記分極移転パルスにガウス形包絡線を持た
    せる工程を含むNMR分光方法。 5)特許請求の範囲1)に記載したNMR分光方法に於
    て、aを奇の整数、bを偶の整数として、前記少なくと
    も1つの所望の共鳴がA_aB_b形の分子からのもの
    であり、更に、分極移転パルスを用いてスピン共鳴を第
    1の軸線の周りに回転させる工程を含むNMR分光方法
    。 6)特許請求の範囲5)に記載したNMR分光方法に於
    て、分極移転パルスにガウス形包絡線を持たせる工程を
    含むNMR分光方法。 7)特許請求の範囲1)に記載したNMR分光方法に於
    て、各々の順序の初期パルスの前に、不所望のスピン共
    鳴の内の少なくとも1つを予め飽和させる励振信号を先
    行させる工程を含むNMR分光方法。 8)特許請求の範囲7)に記載したNMR分光方法に於
    て、前記予め飽和させる信号が関連する不所望のスピン
    共鳴の共鳴周波数を略中心とする制限された帯域幅を持
    つRF信号パルスであるNMR分光方法。 9)特許請求の範囲7)に記載したNMR分光方法に於
    て、予め飽和させる信号が大体不所望の水の共鳴の周波
    数を持つNMR分光方法。 10)特許請求の範囲7)に記載したNMR分光方法に
    於て、予め飽和させる信号が大体不所望の脂質の共鳴の
    周波数であるNMR分光方法。 11)特許請求の範囲1)に記載したNMR分光方法に
    於て、各々の相異なる1対の順序の間、一連の位相の内
    の予め選ばれた相異なる1つを持つ分極移転パルスを用
    いて前記工程(2)乃至(5)を繰返し、前記差の組を
    平均して、最終的な差データの組を求め、該最終的な差
    データの組から処理済みスペクトルを表示する工程を含
    むNMR分光方法。 12)特許請求の範囲1)に記載したNMR分光方法に
    於て、n=1であるNMR分光方法。 13)特許請求の範囲1)に記載したNMR分光方法に
    於て、n=3であるNMR分光方法。 14)特許請求の範囲1)に記載したNMR分光方法に
    於て、水素(^1H)原子核からのスペクトルを求める
    NMR分光方法。 15)特許請求の範囲14)に記載したNMR分光方法
    に於て、水中の水素(^1H)原子核からのスペクトル
    の寄与を実質的に抑圧したNMR分光方法。 16)特許請求の範囲15)に記載したNMR分光方法
    に於て、水の少なくとも1本のスペクトル線の振幅を、
    工程(3)を用いない場合、工程(2)による励振に応
    答した振幅に較べて、少なくとも2桁減少したNMR分
    光方法。 17)特許請求の範囲14)に記載したNMR分光方法
    に於て、脂質中の水素(^1H)原子核からのスペクト
    ルの寄与を実質的に抑圧したNMR分光方法。 18)特許請求の範囲17)に記載したNMR分光方法
    に於て、脂質の少なくとも1本のスペクトル線の振幅を
    、工程(3)を用いない場合、工程(2)による励振に
    応答する振幅に比べて、少なくとも2桁減少したNMR
    分光方法。
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