NL8402855A - Werkwijze en inrichting voor het bepalen van een kernmagnetisatieverdeling in een deel van een lichaam. - Google Patents

Description

* *1 PHN 11.141 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Werkwijze en inrichting voor het bepalen van een kernmagnetisatie-verdeling in een deel van een lichaam.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het bepalen van een kernmagnetisatieverdeling in een deel van een lichaam, waarbij een stationair homogeen magneetveld wordt opgewekt, waarin het deel van het lichaam zich bevindt en waarbij : 5 a) een elektromagnetische hoogfrequentiepuls wordt opgewekt voor het opwekken van een kernspinresonantiesignaal, b) waarna na een voorbereidingstijd gedurende een meettijd door bemonstering een groep signaalmonsters van het kernspinresonantiesignaal wordt genomen, 10 c) waarna na steeds een wachttijd de stappen a) en b) een aantal keren worden herhaald voor het verkrijgen van verscheidene (n') groepen van elk (n) signaalmonsters, waaruit na signaaltransformatie ervan een beeld van de opgewekte kernmagnetisatieverdeling wordt bepaald.

15 De uitvinding heeft verder betrekking op een inrichting voor het bepalen van een kernmagnetisatieverdeling in een deel van een lichaam, wslke inrichting bevat : a) middelen voor het opwekken van een stationair, homogeen magneetveld, b) een hoogfrequent oscillator en een hoogfrequentspoel voor het opwekken 20 van elektromagnetische hoogfrequentstraling, c) middelen voor het opwekken van een gradient-magneetveld, d) bemonsteringsmiddelen voor het bemonsteren van een met de onder a) en b) genoemde middelen opgewekt resonantiesignaal, e) verwerkingsmiddelen voor het verwerken van de door de bemonsterings- 25 middelen geleverde groepen van signaalmonsters, waarbij een beeld van een kernmagnetisatieverdeling wordt bepaald, en f) besturingsmiddelen voor het besturen van de onder b) tot en met e) genoemde middelen voor het opwekken,, konditioneren, bemonsteren en verwerken van de groepen van signaalmonsters.

30 Een dergelijke werkwijze (ocfcwel kernspintomografie genoemd) en een dergelijke inrichting zijn bekend uit de Nederlandse octrooiaanvrage NL A 82.03519. Bij een dergelijke werkwijze wordt een te onderzoeken lichaam aan een sterk, stationair homogeen magneetbeld Bo 8402855 > - PHN 11.141 2 onderworpen, waarvan de veldrichting samenvalt met bijvoorbeeld de z-as van eencarthesisch(x, y, z) coördinatenstelsel. Met het stationair magneetveld Bo wordt een kleine polarisatie van de in het lichaam aanwezige kernspins verkregen en wordt de mogelijkheid geschapen cm kernspins 5 een precess iebeweging om de richting van het magneetveld Bo te laten maken. Na het aanleggen van het magneetveld Bo wordt een bij voorkeur 90° puls van een hoogfrequente elektromagnetische straling opgewekt, (met een hoekfrequentie Ui = Bo, waarin J' de gyromagnetische verhouding en Bo de sterkte van het magneetveld is, die de magnetisatie-10 richting van in het lichaam aanwezige kernen over een hoek (90°) draait.

Na het beëindigen van de 90° - puls zullen de kernspins gaan precederen rond de veldrichting van het magneetveld Bo en een resonantiesignaal opwekken (FID-signaal). Met behulp van de gradientmagneetvelden G ,

X

G , G , waarvan de veldrichting samenvalt met die van het magneetveld y z 15 Bo, is het mogelijk een totaal magneetveld B = Bo + x.Gx + y. G^ + z.Gz op te wekken, waarvan de sterkte plaats-afhankelijk is, omdat de sterkte van de gradientmagneetvelden G , G ,. G een gradient heeft in respec- x y z tievelijk de x, y en z-richting.

Er wordt na de 90°. puls een veld G gedurende een tijd t aan-

X X

20 gelegd en daarna een veld G^ gedurende een tijd t^, waardoor de precessie-beweging van de geëxciteerde kernspins plaatsafhankelijk wordt beïnvloed. Na deze voorbereidingsfase (dus na ΐ.χ + t^) wordt een veld Gz aangelegd en wordt het FID signaal (in feite dè som van alle magnetisaties van de kernen) gedurende een tijd t op N meetmomenten bemonsterd.

z z 25 De hiervoor beschreven meetprocedure wordt van vervolgens 1 x m maal herhaald, waarbij voor t en/of t steeds verschillende waarden worden ^ y genomen. Hierdoor verkrijgt men (N x m x 1) bemonsteringssignalen, die z de informatie bevatten over de magnetisatieverdeling in een deel van het lichaam in de x,y, z ruimte. De 1 x m gemeten N bemonsteringssignalen z 30 worden telkens in een geheugen opgeslagen (op N x m x 1 geheugenplaatsen), z waarna door een 3-D Fourier transformatie van de bemonsteringssignalen van de FID-signalen een beeld van de kernmagnetisatieverdeling wordt verkregen.

Het is natuurlijk ook mogelijk om met behulp van selectieve 35 excitatie slechts het FID signaal van kernspins in een (willekeurig in oriëntatie te kiezen) 2-dimensionaal vlak op te wekken, zodat dan bijvoorbeeld slechts m maal een FID signaal behoeft te worden opgewekt om via een 2-klimensionale Fourier transformatie een beeld van de magnetisatie- 8402855 1 - PHN 11.141 3 verdeling in m x N punten in het gekozen vlak te verkrijgen, z

De bij de bekende werkwijzen en inrichtingen toe te passen hoogfrequentpulsen moeten de kernspins in het gewenste lichaamsdeel exciteren. Bij sterke magneetvelden (bijvoorbeeld 1 - 2,5 T) zijn daarvoor 5 pulsen met een relatief grote bandbreedte nodig, waardoor bij de bekerde merkwijzen en inrichtingen problemen optreden. Is bijvoorbeeld een verdubbeling (verdrievoudiging) van de bandbreedte nodig (waarbij de signaalsterkte van de verschillende frequenties inde hele band hetzelfde blijft, opdat de kernspins over dezelfde hoek worden verdraaid), dan 1.0 wordt de benodigde energiequantiteit verdubbeld (verdrievoudigd), maar daarenboven moet de tijd, waarin de hoogfrequentpuls moet worden gegeven, tot de helft (tot een derde) teruggebracht worden, waardoor een verviervoudiging (vernegenvoudiging) van het piekvermogen, dat de hoog-frequentgenerator moet afgeven, nodig is, hetgeen als zeer nadelig wordt 15 gevonden.

Het doel van de uitvinding is cm in een werkwijze en in een inrichting te voorzien, waarbij bij verdubbeling van de bandbreedte van de hoogfrequentpuls slechts een evenredige vergroting van het piekvermogen van de hoogfrequentpuls nodig is. Hieruit volgt, dat derhalve een 20 frequentiegenerator kan worden toegepast, die qua prestatie en kosten zeer voordelig is.

Een werkwijze volgens de uitvinding heeft daartoe tot kenmerk, dat de elektromagnetische hoogfrequentpuls een frequentiegemoduleerde puls is. Bij de voorgestelde merkwijze volgens de uitvinding doorloopt 25 het momentane hoogfrequentsignaal de gewenste frequentieband, waarbij de verschillende frequenties als het ware een voor een worden opgezocht en aan het onderhavige object worden toegevoerd.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding heeft tot kenmerk, dat de frequentie van de frequentiegemo-30 duleerde puls lineair tijdafhankelijk is. Een dergelijke werkwijze heeft het voordeel, dat de met de verschillende frequenties te beïnvloeden kernspins alle gedurende eenzelfde duur worden beïnvloed, zodat de hoogfrequentpuls steeds nagenoeg eenzelfde amplitude kan hebben voor de elkaar opvolgende frequenties.

35 Een inrichting volgens de uitvinding heeft tot kenmerk, dat de hoogfrequent oscillator van de inrichting verder frequentie-modulatiemiddelen bevat voor het opwekken van een als functie van de tijd veranderende oscillatorfrequentie.

8402855

J

PHN 11.141 4

Een voorkeursuitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding heeft tot kenmerk, dat de hoogfrequent oscillator een konstante-frequentie-oscillator en een. quadratuurmodulator bevat, waarbij de uitgang van de konstante frequentiegenerator via de quadratuur-5 modulator met de hoog frequentspoel is verbonden.

De uitvinding zal worden toegelicht aan de hand van in een tekening weergegeven voorbeelden, in welke tekening : figuur 1 een spoelenstelsel weergeeft, dat deel uitmaakt van een inrichting volgens de uitvinding; 10 figuur 2 een inrichting toont voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding; figuur 3 een uitvoeringsvorm toont van een hoogfrequent oscillator voor een inrichting volgens de uitvinding; 15 figuur 4 een verdere uitvoeringsvorm toont van een hoog frequent oscillator voor een inrichting volgens de uitvinding; en figuur 5 een voorkeursuitvoeringsvorm toont van een hoogfrequent oscillator voor een inrichting volgens de 20 uitvinding.

In figuur 1; is een spoelenstelsel 1_0 af geheeld dat deel uitmaakt van een inrichting die wordt gebruikt voor het bepalen van een kernmagnetisatieverdeling in een deel van een lichaam 20. Het deel heeft bijvoorbeeld een dikte 4 z en ligt in het x-y vlak van het getekend 25 coördinatenstelsel(x,y,z,) .De y-as van het stelsel is daarbij loodrecht op het vlak van tekening omhoog gericht. Met het spoelenstelsel 10 wordt een uniform stationair magneetveld parallel aan de z-as, drie gra-dientmagneetvelden Θχ, en met een. veldrichting parallel aan de z-as en met een gradientrichting parallel aan respectievelijk de x, y en z-as 30 en een hoogfrequent magneetveld opgewekt. Het spoelenstelsel K) bevat daartoe enkele hoofdspoelen 1 voor het opwekken van het stationaire uniforme hoofdmagneetveld Bo met een sterkte tussen 0.2 en 2 Tesla. De hoofdspoelen 1 kunnen bijvoorbeeld op het oppervlak van een bol 2 zijn ' geplaatst, waarvan het middelpunt in de oorsprong 0 van het weergegeven 35 carthesisch coördinatenstelsel (x, y, z)ligt, waarbij de assen van de hoofdspoelen 1 samenvallen met de z-as.

Verder bevat het spoelenstelsel 10 bijvoorbeeld vier op hetzelfde boloppervlak. geplaatste spoelen 3a, 3^ waarmee het gradientmagneetveld G

8402855 PHN 11.141 5 wordt opgewekt. Een eerste stel 3a wordt daartoe in tegengestelde zin ten opzichte van de doorstroming van het tweede stel 3b met een stroom bekrachtigd, hetgeen in de figuur met Φ en ® is aangeduid. Hierbij betekent <*? een in doorsnede van de spoel 3 gaande stroom en <g) een 5 uit de doorsnede van de spoel komende stroom.

Het spoelenstelsel K) bevat bijvoorbeeld een viertal rechthoek-spoelen 5 (slechts twee zijn weergegeven) of een viertal andere spoelen zoals bijvoorbeeld "Golay-coils" voor het opwekken van het gradient-magneetveld G^. Voor het opwekken van het gradientmagneetveld Gx dienen 10 vier spoelen 7, die eenzelfde vorm als de spoelen 5 hebben en die over een hoek van 90° rond de z-as ten opzichte van de spoelen 5 zijn verdraaid. In figuur 1 is verder nog een spoel 11 weergegeven, waarmee een hoogfrequent elektromagnetisch veld is op te wekken en te detecteren.

In figuur 2 is een inrichting 15 voor.het uitvoeren van een 15 werkwijze volgens de uitvinding weergegeven. De inrichting 15 bevat spoelen 1, 3, 5, 7 en 11 die aan de hand van figuur 1 reeds werden toegelicht, stroomgeneratoren respectievelijk 17, 19, 21 en 23 voor het bekrachtigen van de spoelen respectievelijk 1, 3, 5 en 7 en een hoogfrequent signaalgenerator 25 voor het bekrachtigen van de spoel 11. De 20 inrichting _1_5 bevat ook een hoogfrequent signaaldetector 27, een demodulator 28, een bemonsteringsschakeling 29, verwerkingsmiddelen zoals een analoog-digitaal omzetter 31, een geheugen 33 en een rekenschakeling 35 voor het uitvoeren van een signaaltransformatie (bijvoorbeeld een Fouriertransforraatie), een stuureenheid 37 voor het sturen van de 25 bemonsteringstijdstippen en verder een weergeefinrichting 43 en centrale besturingsmiddelen 45, waarvan de- functies en onderlinge relaties verderop zullen worden toegelicht.

Met de geschetste inrichting 15 wordt een werkwijze voor het bepalen van de kernmagnetisatieverdeling in een lichaam 20 zoals hier-30 boven beschreven uitgevoerd. De werkwijze omvat verscheidene stappen. Alvorens tot het "meten" over te gaan. worden de in het lichaam aanwezige kernspins resonante geëxciteerd. Het resonant exciteren van de kern-spins geschiedt door het inschakelen van de stroomgenerator 17 vanuit de centrale besturingseenheid 45 waardoor de spoel 1 wordt bekrachtigd.

35 Hierdoor wordt er een stationair en uniform magneetveld Bo opgewekt. Verder wordt de hoogfrequent generator 25 gedurende een korte tijd ingeschakeld, zodat de spoel 11 een hoogfrequent elektromagnetisch veld (r.f. veld) opwekt. Door de aangelegde magnetische velden kunnen de kern- FHN 11.141 6 spins in het lichaam 20 worden geëxciteerd, waarbij de geëxciteerde kernmagnetisatie een zekere hoek, bijvoorbeeld 90° (90° r.f. puls), maakt met het uniforme magneetveld Bo. Waar en welke kernspins worden geëxciteerd hangt onder meer af van de sterkte van het veld Bo, van 5 een eventueel aan te leggen gradientmagneetveld en van de hoekfre-quentie UJ van het hoogfrequentelektromagnetische veld, daar aan de vergelijking = . Bo moet worden voldaan, waarin Cd de gyromagne- tische verhouding is (voor vrije protonen, bijvoorbeeld 1^0 protonen is deze J' / 42.576 MHz/T). Na een excitatietijd wordt de hoogfre- 10 quent generator 25- uitgeschakeld door de centrale besturingsmiddelen 45. Het resonant exciteren geschiedt telkens aan . het begin van elke meet-cyclus. Voor sommige uitvoeringsvornen worden er gedurende de meetcyclus ook r.f. pulsen in het lichaam geïnduceerd. Deze r.f. pulsen zijn dan bijvoorbeeld 180° r.f. pulsen, die periodiek in het lichaam worden geïn-15 duceerd. In dit laatste voorbeeld spreekt men van "spin-echo". Spin-echo is onder andere beschreven in het artikel\an I.L. Pykett "NMR Imaging in Medicine" gepubliceerd in Scientific American, mei 1982.

Tijdens een volgende stap worden er bemonsteringssignalen verzameld, waarbij naargelang de aard van de meting (bijvoorbeeld 20 kernspindichtheidsverdeling, stroomsnelheidsverdeling, plaatsafhankelijke spectroscopie) al dan niet gebruik wordt gemaakt van de gradient-velden die door de generatoren 19, respectievelijk 21, 23 worden opgewekt onder besturing van de centrale besturingsmiddelen 45. Het detecteren van het resonantiesignaal (FID-signaal genoemd) geschiedt door het 25 inschakelen van de hoogfrequent detector 27, de demodulator 22, de.be-monsteringsschakeling 29, de analoog-digitaal omzetter 31 en de stuur-eenheid 37. Dit FID-signaal is ontstaan doordat ten gevolge van de r.f. excitatie puls de kernmagnetisaties zijn gaan precederen rond de veldrichting van het magnetische veld Bo. Deze kernmagnetisatie. .induceert 30 nu in de detectiespoel een inductiespanning waarvan de amplitude een maat is voor de kernmagnetisatie.

De van de bemansteringsschakeling 29 afkomstige analoge bemonsterde FID-signalen worden omgezet in digitale vorm (omzetter 31) en zo in een geheugen 33 opgeslagen. Na verloop van meettijd worden door de 35 centrale besturingsmiddelen 45 de generatoren 19, 21 en 23, de bemonster ingsschakeling 29, de stuureenheid 37 en de analoog^digitaal omzetter 31 stopgezet. De bemonsterde FID-signalen zijn in het geheugen 33 opgeslagen en worden via Fouriertransformatie omgezet in een beeld van 8402855 PHN 11.141 7 de opgewekte kernmagnetisatieverdeling. in dat deel van bet lichaam, waarin de kernspins op de gewanste juiste wijzen zijn geëxciteerd. In welk deel van het lichaam kernspins zijn geëxciteerd, is bepaald door het aangelegde magneetveld (het hoofdveld Bo en een aanwezig gradientmagneet-5 veld G) en door de frequentie(s) van de hoogfrequentpuls. Er geldt dat OJ = ^ (Bo + Gz . z) (bij aanwezigheid van een gradientmagneetveld in de z richting), ofwel z = (W-^ . Bo)/( ƒ. Gg). Heeft de h.f. puls een bandbreedte AU) dan geldt : i\ z =Δ^/ Js · Gz· Is (a)0 de centrale frequentie in het.spectrum van de h.f. puls, dan worden kernspins geëxci-10 teerd in een "plak" met.dikte £ z, die symmetrisch het centrale vlak z = ((jü0 “ ^ · Bo)/( ^. Gz) omvat. Heeft het hoofdveld Bo een sterkte van 2 T en een homogeniteit van 25 ppm dan is er een gradientmag-neetveldsterkte van 5 ntr/m om de geometrische vervorming te beperken tot 1 cm. Om een plak A z van 1 cm dik te exciteren is een h.f. puls net 15 een bandbreedte van 2 kHz nodig bij de gegeven gradientmagneetveldsterkte. Bij toepassen van drie dimensionale Fourier Zeugmatografie (waarbij een drie dimensionaal-beeld-wordt verkregen) dienen dikkere plakken te worden geëxciteerd. Zo zal voor een 10 cm dikke plak een h.f. puls net een bandbreedte van 20 kHz nodig zijn. Volgens de stand van de techniek 20 zcu daarvoor een hoogfrequent generator nodig zijn, die een honderdvoudig piekvermogen af moet geven. Het voorgaande zal als volgt worden toegelicht : De Fouriergetransformeerde van een puls p(t) is F(p(t)) = P(u;). Het vergroten van de bandbreedte met een factor a is equivalent aan het verkleinen van.de frequentieschaal met een factor a, zodat de Fourier-25 getransformeerde te schrijven is als P(tJ/a) in plaats van P(a/).

De terug-Fouriergetransfonteerde F(P({/j/a)) =) aj. p(at). Er ontstaat dus een contractie van de puls in.het tijddomein met een factor a en een vergroting van de amplitude van de puls met eenzelfde factor.

Bij een frequentiegemoduleerde h.f. puls hoeft de hoogfre-30 quentgenerator in het voorgaande voorbeeld slechts een tienvoudig piekvermogen af te kunnen geven. Ook is in te zien dat bij voorkeur de frequentie lineair van de tijd afhankelijk is. De momentane frequentie van de h.f. puls is U) (t) =(ƒ)+ β. t ((V0/ β zijn konstante waarden), zodat de fase van de h.f. puls gelijk is aan J3(t) =Gg (t-tQ)+^ (t2 - t^ ).

35 Varieert de frequentie van de h.f .puls rondom de Larmorfrequentie (CaL =){· Bo) van het systeem dan zal de fase in een met de hoekfrequentie Q meeroterend coördinatenstelsel J8(t) = ½ .β (t - t£ ) zijn. Wordt nu de fase op t = t gelijkgesteld aan 0 zodat j3(t) = ½ .fit2 dan zou 2 PHN 11.141 8 een h.f. puls de gedaante S(t) = A . expfëi^t ) kunnen hebben, waarbij de amplitude A konstant is. De Fouriergetransformeerde van S(t) is S(U)) = k f i/ β . exp ( -ΐίλ} /2β), die een frequentiespectrum heeft van - of tot + oó . Kiest men voor S((jj) een rechthoekvorm dan is de 5 tijdfunctie S(t) een "sinc-achtige" functie, die in het tijddome.in van -co tot + co loopt. Voor het frequentiespectrum S{U) ) wordt bij voorkeur een rechthoekvorm genomen, waarbij de flanken door Gaussische krommen worden gevormd. Het tijdsignaal is dan een rechthoekachtige puls, waarbij de beginflank exponentieel toeneemt, het signaal via een uit-10 dovende oscillatie een eindwaarde bereikt en de eindflank de gespiegelde van de beginflank is. Voorgaande is slechts een van verscheidene signaalvormen, die kunnen worden toegepast en die voldoen aan de eis dat zij zowel in de tijd- als in het frequentiedomein scherp begrensd zijn.

De signaalvormen kunnen als volgt worden bepaald : 15 a) Bereken de nodige bandbreedt^W uit de gewenste plakdikte en uit de gradientmagneetveldsterkte (voor de selectieve excitatie). Bij het af beelden van water stofprotondichtheden (bij 80 MHz) bedragen de bandbreedtes 500 Hz tot 50 kHz.

b) Kies de pulsduur (bijvoorbeeld 1 a 10 msec). Hoe langer de 20 gekozen pulsduur is des te lager zal het nodige piekvermogen zijn.

Echter zal bij een te lange pulsduur de invloed van de T2-relaxatietijd merkbaar gaan worden.

c) Bepaal uit de bandbreedte en de pulsduur de frequentie-veranderingssnelheid /$ (bij het toepassen van kernspin- 25 echotechniek is βvoor de 180° pulsen ongeveer tweemaal zo hoog te nemen ten opzichte van de /3 voor de 90° pulsen, zoals verder zal worden toegelicht).

d) Kies een functie (omhullende) van het frequentiespectrum, zoals 30 f(u)) = j W-UUau) expH(Ju)- ^|~A(/J)2/b2 voor waarbij bij voorbeeld 2 •lfio kHz en b = 2tr- 500 Hz.

e) Bereken het complexe, tijdsignaal uit de voorgaande gegevens 35 en stuur daarmee de frequentiegemoduleerde oscillator.

f) Stel de sterkte van de h.f. puls zo in dat in het met de hoek- frequentie (/^ ronddraaiende coördinatenstelsel voor een magnetisch h.f. veld B^ (x')t en aan ver9elijkingen 8402855 PHN 11.141 9 (x')t + xB2(y')t dt =T/2 voor een 90° puls en fjjSB2(x')t + dt*fr1,3 1| voor een 180° puls, waarbij ^ de gyromagnetische verhouding is.

In figuur 3 is een eerste uitvoeringsvoorbeeld van een hoogfrequent oscillator 25 (generator) voor een inrichting 15 volgens de uitvinding weergegeven. De oscillator 25 bevat een konstante-frequentie-10 oscillator 61, een laagfrequent oscillator 63, een anplitude-modulator 65, een frequentiefilter 67 en een verdere airplitude-modulator 69. Het door de oscillator 61 opgewekte signaal met de frequentie f wordt samen met het door. de oscillator 63 opgewekte signaal, f, waarvan de frequentie (bij voorkeur lineair) toeneemt van f^ tot f^, toegevoerd aan 15 de modulator .65. De modulator 65 levert zoals bekend een uitgangssignaal, dat signalen met de samfrequentie. f . + f (bovenband) en met de verschil-frequentie f - f (benedenband) bevat. Een van de signalen wordt door het filter 67 doorgelaten. Het filter 67 laat derhalve hetzij de frequenties boven f hetzij de frequenties beneden,f door. Het uitgangssignaal 20 van filter 67 wordt via een amplitudemodulator 69 (bijvoorbeeld een regelbare versterker) aan de hoogfrequentspoel 11 (figuur 1 en 2) toegevoerd.

De verandering van de frequentie van f , tot f^ bepaalt de bandbreedte van het opgewekt h.f. signaal. De modulator 65 (die bij-25 voorbeeld ook een vierkwadrantvermenigvuldiger kan zijn) levert een h.f. signaal-met een "konstante" amplitude af, die door de modulator 69 met het tijdsignaal s(t) (de omhullende van de h.f. puls) _ ί’Σ 2 *1 wordt vermenigvuldigd. Dit tijdsignaal is bepaald door s(t)=\' s^ (tjH^tt). , waarbij s^ (t), s^it)' het reële respectievelijk imaginaire signaal 30 zijn van de Fouriergetransformeerde van de in het frequentie spectrum gekozen functie. Uiteraard dient het tijdsignaal s(t) synchroon met de frequentieverandering (oscillator 63) te.veranderen.

In figuur 4 is een verdere uitvoeringsvorm van een hoogfrequent oscillator 25 voor een inrichting Ή5 volgens de uitvinding weergegeven.

35 De hoogfrequent oscillator 25 bevat een spanningsgestuurde oscillator 71, die door een spanningsfunctiegenerator 73 wordt bestuurd. Is de door oscillator 71 opgewekte frequentie lineair van de stuurspanning afhankelijk dan genereert de functiegenerator 73 een driehoeksspanning, 8402855 PHN 11.141 10 die uiteraard moet worden gesynchroniseerd met het tijdsignaal s(t), waarmee een amplitude modulator 75 wordt gestuurd om de gewenste h.f. puls te vormen. De uitgang van de amplitude modulator 75 is met de hoog-frequentspoel 11 verbonden.

5 In figuur 5 is een voorkeursuitvoeringsvorm van een hoog frequent oscillator 25 voor een inrichting _1_5 (figuur 1 en 2) volgens de uitvinding weergegeven. De hoogfrequent oscillator 25 ..bevat een konstante-frequentie-oscillator 81 en een quadratuurmodulator, die een 90° fasedraaier 87, twee amplitude modulatoren 83 en 85 en een optel-10 schakeling 89 bevat. Het door de oscillator 81 opgewekte hoogfre-quentsignaal (cos^t) wordt, via de 90° fasedraaier 87 aan de amplitude modulator 85 toegevoerd. De amplitude modulatoren 83 en 85 ontvangen de tijdsignalen s1(t) respectievelijk s2(t), waarbij s1(t) en s^(t) het reële respectievelijk het Imaginaire tijdsignaal zijn van de 15 Fouriergetransformeerde van de in het frequentiespectrum gekozen functie.

De optelschakeling 89, die in dit geval slechts een verschil versterker hoeft te bevatten, ontvangt de uitgangssignalen van de twee modulatoren 83 en 85 en voegt de twee signalen samen. Het uitgangssignaal van de optelschakeling 89 is gelijk aan S(t) = costJt - s2(t) sinCtl t .

20 = Re((s^ (t)+is2 (t) )expi(jjt) en wordt aan de hoogfrequent spoel 11 toegevoerd.

Bij gebruik van frequentiegemoduleerde excitatiepulsen (90° pulsen en/of 180° echopulsen) ontstaat de situatie dat de geëxciteerde 25 kernspins onderling een faseverschil hebben, dat kwadratisch afhangt van de lokale hoekfrequentie^J, zoals verderop nader zal worden toegelicht. Vooral bij selectieve excitatie is dat verschijnsel zeer storend, omdat dat in een richting dwars op de geselecteerde laag optreedt.

De kwadratische afhankelijkheid van de faseverschillen als functie 30 van de afstand tot een centraal vlak in een geselecteerde laag maakt een door de aldus geëxciteerde kernspins opgewekt resonantiesignaal (FID- of spin-echo-signaal) ongeschikt om voor beeldvorming van de kernmagnetisatie-verdeling in de geëxciteerde laag te worden gebruikt.

Het voorgaande beschreven verschijnsel kan op de volgende 35 wijze worden begrepen. Een FM-puls (90°- of 180° - puls) zoals voor excitatie wordt benut,wordt gerealiseerd met behulp van een R.F. signaal waarvan de hoekfrequentie lineair als functie van de tijd verandert van UJQ “ tot +Δ(α)gedurende de pulsduur van -2J t tot + <& t. De 8402855 t PHN 11.141 11 aard van de FM-puls is echter zodanig, dat een kernspin die op de hoek- frequentie 0^ resoneert (ten gevolge van bijvoorheeld een gradientveld of hoofdveldinhomogeniteit) slechts effectief gedurende een zeer korte tijd (t,j - £t tot t^ + £t) wordt beïnvloed. Dit is het geval als de 5 hoekfrequentie van de FM de genoemde hoekfrequentie (j0 ^ van de kernspin "doorloopt". De tijdsduur 2. £t is veel kleiner dan de gehele pulsduur 2 Δ t, derhalve wordt aangenomen dat in dit geval de kernspin bij de hoekfrequentie u) 1 van de FM puls en exact op het bijbehorende tijdstip t<j de beoogde 90° of 180° in oriëntatierichting "omklappen".

10 Twee effecten hebben de fase van de kernspins na afloop van de FM-puls beïnvloed : a de fase van de FM-puls zelf op het monent van 11 en b het tijdstip waarop de kernspins "omklappen".

Het effect a betekent dat bij een 90° puls de kernspins (vanaf de z-as) met een zekere fasehoek in het x-y-vlak worden geroteerd, en 15 dat bij een 180° puls de kernspins ten opzichte van een lijn met een bepaalde fase worden gespiegeld. Er wordt aangenomen dat het FM-signaal de volgende vorm heeft : 2 cos (feio t +^t ) voor -&t^ t^t.

20 De hoekfrequentieveranderingsnelheid /¾ voldoet aan : /»>=Atf)/2At.

Wordt op het tijdstip t^ de hoekfrequentie bereikt dan geldt dat : ÜJi = W + 2 /¾ ^ en 25 t| = (W, -W0)/2^ .

Wordt een tijdsverschil ^ ten opzichte van het tijdstip t^ genoten, (zodat t = t^ + ^), dan geldt dat : 30 cos (WQ t +fit2)= cos (W-^+βν2 +WQ t1 +fi t2 )

Hieruit is te zien dat in een roterend stelsel (roterend net de hoekfrequentie UJQ) de door de net de hoekfrequentie ijj resonerende kernspins 35 ondervonden puls een faseverschuiving ^ heeft ten opzichte van de puls, die de met een hoekfrequentie (^J resonerende kernspins beïnvloedt, ter grootte : = (W“ 0Uo)2/ 4 (¾ .

Het effect b wordt het selectiegradientveld veroorzaakt, dat 8402855 PHN 11.141 12 meestal bij 90° of 180° pulsen aanwezig is voor bet selectief exciteren van een laag in een lichaam dat hoekfrequentieverschillen voor verschillende kernspins induceert en dat gedurende een tijd van tQ tot wordt aangelegd. Een met de hoekfrequentie Ui ^ resonerende kernspin voelt 5 dus het gradientveld gedurende een tijd t^ - t , voordat de kernspin "omklapt" en gedurende een tijd t„ - t. nadat de kernspin. is omgeklapt.

O ^

In het geval van een 90 puls ondervindt de kernspin geen gradientveld. Gedurende de tijdsduur t^ - t^ echter wel, hetgeen een faseverschuiving ^ veroorzaakt (ten opzichte van kernspins, die resoneren met 10 de hoekfrequentie IaJ Q ) : - (t^ - t^) (Uj^ ) = t2 ( u) 1 -iïo) - (0i1 -cuo)2 / 2β.

De totale defasering bij een 90° puls voor een kernspin, die net een 15 hoekfrequentie OÜ ^ resoneert, is dus gelijk aan een lineaire term plus K)2 o 4β

Voor een 180° puls geldt het volgende : de fase van de 180° puls 20 zelf is op het tijdstip gelijk aan if ^ ^ - (JJ q) / 4 (l , hetgeen tevens de fase ofwel hoek van de spiegellijn in het x-y vlak voorstelt ten opzichte waarvan de kernspins door de 180° puls worden gespiegeld. Deze hoek, indien deze ongelijk aan nul is, veroorzaakt een extra-faseverschuiving in de fase van de kernspins ter grootte van 25 tweemaal de grootte van de genoemde hoek. Derhalve is de defasering door een 180° puls bepaald door,: ^ω80) <ωι -^ο>2 2β 30 Dezelfde redenering is uiteraard op de.frequentieverschuiving ten gevolge van (hoofd-) veldinhomogeniteiten van toepassing.

Een nadere beschouwing van de kwadratische termen rfl (90) 0 , λ (180) , 0 = “ (Ui-U0)2/4/^en = - (W-C*)o)2 / 2 fe 35 en rekening houdende met het feit dat de bijdrage van de term M* aan de fase van de kernspins door een 180° puls wordt geïnverteerd,leidt tot de conclusie, dat de kwadratische termen elkaar zullen opheffen, indien de hoekfrequentieveranderingsnelheid β^qq van een 180° puls twee- 8402855 PHN 11.141 13 maal zo groot is als de hoekfrequentieveranderingsnelheid Agn van de. 90 puls. Een verdere wijze van het elkaar laten compenseren van de kwadratische termen en bij gebruik van selectieve gradientvelden is om de gradientveldsterkte gedurende de 180° puls een 5 faktor V? kleiner te maken dan de gradientveldsterkte gedurende de 90° puls.

Hoewel beide werkwijzen functioneren,kunnen slechts de oneven echosignalen worden benut voor beeldreconstructie, omdat de door 90° puls opgewekte kwadratische afhankelijkheid wordt gecompenseerd door 10 de eerste 180° puls, de door een tweede (2 . ne) 180° puls opgewekte kwadratische afhankelijkheid pas te niet wordt gedaan door de derde (2 ...n+1 ) 180 puls. Hierna volgend zal een oplossing worden gegeven voor het hiervoor genoemd probleem, welke oplossing gebruik maakt van een "samengestelde" 180^ EM - puls. Een optimale 180° puls gecentreerd rond 15 het tijdstip , brengt alle kernspins, die op het moment t = 0 in fase zijn, weer in fase op het moment 2 . Er wordt een sequentie van drie op elkaar volgende 180° FM - pulsen voorgesteld (I, II en III), waarvan de middelste puls II de halve hoekfrequentie ver ander ingsnelheid . heeft ten opzichte van de hoekfrequentieveranderingssnelheid van de 20 pulsen I en III, tweemaal zolang duurt en een amplitude heeft, die de helft van de anplitude van de pulsen I en III is. Gebruik makend van de hiervoor gegeven formule voor de defasering door de 180° puls wordt het duidelijk, dat het totale defaserénde effect van de samengestelde 180° puls een kwadratische component heeft, die gelijk aan nul is.

25 be kwadratische bijdrage van puls I wordt tweemaal geïnverteerd (door de pulsen II en III) en de kwadratische bijdrage van de puls II wordt eenmaal geïnverteerd. Het totale effect van de kwadratische, bijdragen is derhalve : (p ,CQmb· 4 * dP 11 CP 111 30 W = -¾ +1^0 = -u*j-(aj0)2/2^+ αυ-^0)2//ξ - (W-cuo)/2 β = ,o.

Het is duidelijk dat nu.alle echosignalen voor beeldreconstructie kunnen worden gebruikt, waarbij de samengestelde 180° FM puls van veel 35 kortere duur is dan de tijd, die normaliter nodig zou zijn voor het opwekken van een onbruikbaar en een daarop volgend bruikbaar echosignaal. Verder is het evident dat er eveneens uit vijf, zeven, enz. 180° pulsen samengestelde pulsen te vormen zijn, waarvoor de som van de kwadratische 8402855 PHN 11.141 14 bijdragen aan de defasering van de kernspins nihil is. Echter billen dergelijke samengestelde 180° pulsen meer energie vragen en meer energie in een te onderzoeken object dissiperen, hetgeen zeker in het geval dat het object een patient of dier is, ongewenst is.

5 10 15 20 25 30 35

Claims (21)

1. Werkwijze voor het bepalen van een kernmagnetisatieverdeling in een deel van een lichaam, waarbij een stationair homogeen magneetveld wordt opgewekt, waarin het deel van het lichaam zich bevindt en waarbij : a) een elektromagnetische hoogfrequentpuls wordt opgewekt voor het qp-5 wekken van een kernspinresonantiesignaal, b) waarna na een voorbereidingstijd gedurende een meettijd door bemonstering een groep signaalmonsters van het resonantiesignaal wordt genomen, c) waarna na steeds een wachttijd de stappen a) en b) een aantal keren 10 worden herhaald voor het verkrijgen van verscheidene (n') groepen van elk (n) signaalmonsters, waaruit na signaal transformatie ervan een beeld van een opgewekte kernmagnetisatieverdeling wordt bepaald, met het kenmerk, dat de elektromagnetische hoogfrequentiepuls een fre-quentiegemoduleerde puls is.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de frequen tie van de frequentiegemoduleerde puls lineair tijdafhankelijk is.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het frequen tiespectrum van de hoogfrequent puls nagenoeg een rechthoekvorm heeft met begin- en eindflanken, die door een Gaussiscbe kromme zijn bepaald.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk., dat gedurende de duur van de frequentiegemoduleerde puls een gradientveld wordt opgewekt.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de frequentiegemoduleerde puls met behulp van quadratuur modulatie wordt 25 opgewekt.

6. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij met een 90° hoogfrequent puls kernen in het deel van het lichaam in een pre-cessiebeweging worden gebracht, waarna na de voorbereidingstijd en voor de meettijd een 180° hoogfrequent puls wordt opgewekt voor het opwekken 30 van een kernspinechosignaal, met het kenmerk, dat zovel de 90° puls als de 180° puls frequentiegemoduleerde pulsen zijn.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de hoekfre-quentieverandering per tijdseenheid van de 180° hoogfrequent puls ongeveer tweemaal zo hoog is als de hoekfrequentieverandering van de 90° 35 puls, waarbij beide pulsen (nagenoeg) hetzelfde frequentiespectrum bevatten.

8. Werkwijze volgens conclusie 6 of 7, met het kenmerk, dat de tijdens de 90° puls en de 180° puls een gradientveld aanwezig is. 8402855 « I PHN 11.141 16

9. Werkwijze volgens een van de conclusies 6, 7 of 8, met het kenmerk, dat de veldsterkte van de 180° puls ten minste tweemaal zo groot is als de veldsterkte van de 90° puls.

10. Werkwijze volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat het tijdens 5 de 90° puls aanwezige gradientmagneetveld een veldsterkte heeft die een faktor groter is dan de veldsterkte van het bij de 180° puls aangelegde gradientmagneetveld.

11. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat na het opwekken van een eerste kemspinechosignaal met ten minste een samengestelde 10 180° hoogfrequentpuls ten minste een verder kemspinechosignaal. wordt opgewekt, waarbij de samengestelde 180° hoogfrequentpuls is samengesteld uit een oneven aantal 180° EM - pulsen, waarvan de som van de kwadratische bijdragen iri de defasering van de kernspins nul is.

12. Werkwijze volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat een 15 verdere 180° puls uit drie 180° pulsen bestaat, waarvan de hoekfrequentie-verandering per tijdseenheid van de eerste en derde 180° puls twee maal. zo groot is als de hoekfrequentieverandering per tijdseenheid van de tweede 180° puls, waarbij de drie 180° pulsen ieder dezelfde frequentie-zwaai hebben.

13. Werkwijze volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de amplitude van de tweede 180 puls de helft bedraagt van de amplitude van de eerste en derde 180° puls.

14. Inrichting voor het bepalen van een kernmagnetisatieverdeling in een deel van een lichaam, welke inrichting bevat 25 a) middelen voor het opwekken van een stationair homogeen magneetveld, b) een hoogfrequent oscillator en een hoogfrequentspoel voor het opwekken van elektromagnetische hoogfrequent straling, c) middelen voor het opwekken van een gradientmagneetveld, d) bemonsteringsmiddelen voor het bemonsteren van een met de onder a) en 30 b) genoemde middelen opgewekt resonantiesignaal, e) verwerkingsmiddelen voor het verwerken van.de door de bemonsteringsmiddelen geleverde groepen van signaalmonsters, waarbij een beeld van een kernmagnetisatieverdeling wordt bepaald, en f) besturingsmiddelen voor het besturen van de onder b) tot en met e) 35 genoemde middelen voor het opwekken, konditioneren, bemonsteren en verwerken van de groepen van signaalmonsters, met het kenmerk, dat de hoogfrequent oscillator van de inrichting verder frequentiemodulatiemiddelen bevat voor het opwekken van een als functie 8402855 r t * z PHN 11.141 17 van de tijd veranderende oscillatorfrequentie.

15. Inrichting volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat de hoogfrequent oscillator een spanningsgestuurde oscillator is, waarvan een stuuringang is verbonden met de uitgang van een spanningsfunctiegenera- 5 . tor.

16. Inrichting volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat de hoogfrequent oscillator een konstante frequentie oscillator bevat, waarvan de uitgang is verbonden met een eerste ingang van een amplitude modulator, waarvan een tweede ingang is verbonden met de uitgang van een laag fre-10 quent oscillator, waarvan de frequentie een functie van de tijd is, waarbij de uitgang van de modulator met een ingang van een frequentie filter is verbonden.

17. Inrichting volgens conclusie 15 of 16, met het kenmerk, dat de FM-gemoduleerde puls via een amplitude modulator aan de hoogfre-15 quentspoel wordt toegevoerd.

18. Inrichting volgens conclusie 17, met het kenmerk, dat de amplitude modulator een stuurbare versterker is.

19. Inrichting volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat de hoogfrequent oscillator een konstante frequente oscillator en een 20 quadratuur modulator bevat, waarbij de uitgang van de konstante frequentie oscillator via de quadratuur modulator met de hoog frequentspoel is verbonden.

20. Inrichting volgens conclusie 19, met het kenmerk, dat de quadratuur modulator twee amplitude modulatoren omvat, waarvan een eerste

25 O direkt en een tweede via een 90 fasedraaiende eenheid met de uitgang van de hoogfrequent oscillator zijn verbonden, waarbij de uitgangen van de amplitude modulatoren via een optelschakeling met de hoog frequentspoel zijn verbonden. 30 35 8402855