NL8502205A - Werkwijze voor het bepalen van een n.m.r. spectrum. - Google Patents

Description

; ^ . - 'Jt ? t PHN 11.459 1

Werkwijze voor het bepalen van een N.M.R. spectrum.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het bepalen van een frequentiespectrum van kernspinresonantiesignalen in een geselecteerd volume van een lichaam, waarbij dat volume zich in een statisch uniform magneetveld bevindt en met hoogfrequent elektro-5 magnetische pulsen wordt geexciteerd bij aanwezigheid van een gradient-magneetveld voor het verkrijgen van een kernspinresonantiesignaal (FID signaal), waaruit het frequentiespectrum van in dat volume aanwezige kernspins wordt afgeleverd.

Een dergelijke werkwijze is bekend en bijvoorbeeld 10 beschreven in de "Journal of Magnetic Resonance 56, 350-354 (1984) door W.P. Aue en anderen. Bij de beschreven werkwijze worden in volgorde na .

elkaar een gradientmagneetveld in x-richting in de y-richting en in de z-richting aangelegd, waarbij telkens bij aanwezigheid van zo'n gradientmagneetveld een samengestelde radio-frequentpuls wordt opgewekt. De 15 samengestelde radiofrequent pulsen bevatten ieder een selectieve 45° puls, een breedbandige 90° puls en een selectieve 45° puls in successie. Na deze drie samengestelde pulsen heeft een deelvolume, dat bepaald is door de gradientsterkte van de aangelegde gradientvelden, de sterkte van het statisch uniform magneetveld en door de frequentie van 20 de selectieve pulsen een negatieve magnetisatie in de z-richting. Na een verdere 90° puls (breedbandig dus niet selectief) is uit het dan te meten FID signaal een nauwkeurig spectrum van de materie in het geselecteerde volume te bepalen.

De bekende werkwijze heeft het nadeel, dat zij steunt op 25 de sommatie van rotaties van magnetisaties door de verschillende

excitatiepulsen. Deze pulsen dienen in het gehele object respektievelijk in het gekozen volume in dat object een totale rotatie van spins over een hoek van 270° respektievelijk 540° te bewerkstelligen, hetgeen niet helemaal het geval is. De kernspins in de geselekteerde x-30 plak (gradientveld Gx en twee 45° selektieve pulsen) ondergaan namelijk gedurende de drie samengestelde pulsen een rotatie van 360° (met uitzondering van het geselekteerde volume en de twee § £ * 3 0 Λ S

4

+ *-V

ΡΗΝ 11.459 2 orhogonale doorsnijdingen (rotatie 450°) van de x-plak door de geselecteerde y- en z-plakken). Hetzelfde geldt voor de rotatie van de kernspins in de geselecteerde y- en z-plakken (selectie met twee 45° pulsen tijdens aanwezigheid van Gy resp. Gz). Een na de drie 5 samengestelde pulsen op te wekken 90° puls zal dus niet alleen een resonantie-signaal oproepen van het geselecteerde volume, maar ook van de (veel grotere) volumes van de geselecteerde x, y en z plakken.

Het is het doel van de uitvinding om in een werkwijze te voorzien, waarmee van een geselecteerd volume een frequentiespectrum te 10 bepalen is vooral voor materie, die een relatief korte dwarsrelaxatie-konstankte T2 (transversaal relaxatietijd T2) heeft.

De werkwijze volgens de uitvinding heeft tot kenmerk, dat · het signaal, dat het frequentiespectrum bepaalt, uit verschillen van tenminste twee afzonderlijke resonantiesignalen of van hun 15 Fouriergetransformeerden wordt afgeleid, waarbij een resonantiesignaal wordt gemeten na excitatie met een (breedband) 90° r.f. puls en een ander resonantiesignaal na een selectieve 180° r.f. puls bij aanwezigheid van een gradientmagneetveld na uitschakeling van het gradientmagneetveld en na het opwekken van een (breedband) 90° r.f.

20 puls wordt gemeten. Bij de werkwijze volgens de uitvinding wordt bereikt dat het gehele lichaam een magnetisatie heeft, die tegengesteld is aan de magnetisatie van het geselecteerde volume. Na een hieropvolgende 90° (breedband) r.f. excitatie wordt een FID signaal opgevangen, dat signalen van het hele object bevat, waarbij de signaalbijdragen uit het 25 geselecteerde volume negatief zijn. Wordt hierna een FID signaal gemeten dat enkel met een 90° (breedband) r.f. puls wordt opgewekt en dat dus signalen uit het gehele object ontvangt, dan is uit het verschil van beide FID signalen het frequentiespectrum van het geselecteerde volume te bepalen. Het verschil tussen beide signalen kan Fouriergetransfor-30 meerd worden of er kan het verschil tussen Fouriergetransformeerden van elk signaal worden bepaald.

Een verdere uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat het signaal uit vier resonantiesignalen wordt afgeleid, waarbij een eerste resonantie-signaal wordt 35 gemeten na excitatie met een niet selectieve 90° r.f. puls zonder enige voorbereiding, een tweede resonantie-signaal na een voorbereiding met een gradient-magneetveld met een gradient in een eerste richting en .

3502205 PHN 11.459 3 met een selectieve 180° r.f. puls wordt gemeten na een daarop volgende niet selectieve 90° r.f. puls, een derde resonantie-signaal na een voorbereiding met een gradientmagneetveld met een gradient in een orthogonaal op de eerste richting zijnde tweede richting en met een 5 selectieve 130° r.f. puls wordt gemeten na een niet selectieve 90° r.f. puls en een vierde resonantie-signaal na een voorbereiding met op elkaar volgend het eerste en het tweede gradientmagneetveld, waarbij tijdens de aanwezigheid van elk veld een selectieve 180° r.f. puls wordt opgewekt, na een niet selectieve 90° r.f. puls wordt gemeten, en 10 het eerste en het vierde resonantie-signaal een positieve bijdrage aan het signaal leveren, terwijl het tweede en het derde resonantie-signaal een negatieve bijdrage leveren. Met deze werkwijze wordt van een staafvormige volume in een object een frequentiespectrum bepaald, waarbij door de juiste keuze van de twee gradientvelden en de 15 frequentieomvang van de selectieve 180° r.f. puls de "staaf" willekeurig in het object gesitueerd kan zijn.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat het signaal wordt afgeleid uit acht resonantiesignalen, waarvan een resonantiesignaal wordt gemeten na een 20 niet selectieve 90° r.f. puls en de andere zeven resonantiesignalen worden gemeten na een niet selectieve 90° r.f. puls, die volgt op een voorbereiding, waarbij van drie gradientmagneetvelden met dwars op elkaar gerichte gradiënten gebruik wordt gemaakt en voor het voorbereiden van de zeven resonantiesignalen in de zeven verschillende 25 voorbereidingen respektievelijk het eerste, het tweede, het derde, het eerste en tweede elkaar opvolgend, het eerste en derde elkaar opvolgend, het tweede en derde elkaar opvolgend en het eerste, tweede en derde elkaar opvolgend gradientmagneetveld wordt respektievelijk worden ingeschakeld, waarbij bij aanwezigheid van elk gradientmagneetveld een 30 selectieve 180° r.f. puls wordt opgewekt, waarbij de resonantiesignalen zonder voorbereiding of met een voorbereiding, waarin twee 180° r.f. pulsen wordt opgewekt, een positieve bijdrage aan het signaal leveren en de resonantiesignalen met een voorbereiding, waarin een oneven aantal 180° r.f. pulsen worden opgewekt een negatieve 35 bijdrage leveren. Met deze werkwijze is een frequentiespectrum te bepalen van een 'kubusachtig" volume op een willekeurige plaats in een object. Hetgeen bij deze werkwijze ook mogelijk is voor objecten, die 3502205 # V , PHN 11.459 4 materie bevatten die een kleine dwarsrelaxatietijd T2 (transversale relaxatietijd) hebben.

De uitvinding zal worden toegelicht aan de hand van in een tekening weergegeven voorbeelden, in welke tekening: 5 fig. 1a en b een werkwijze volgens de uitvinding illustreren, fig. 2a, b, c, en d een verdere werkwijze volgens de uitvinding illustreren en fig. 3 een voorkeursuitvoeringsvorm van een werkwijze 10 volgens de uitvinding weergeeft.

In fig. 1a en 1b is op schematische wijze een werkwijze volgens de uitvinding weergegeven. In fig. 1a is een meetcyclus weergegeven, die met een inrichting zoals die is beschreven in de nederlandse octrooiaanvrage 82-03519 kan worden uitgevoerd, indien deze 15 van een adequaat besturingsprogramma wordt voorzien. De meetcyclus is opgedeeld in 3 tijdperioden, tv, Tj EN Tjj. Gedurende een voorbereidende periode tv wordt een gradient magneetveld Gsel ingeschakeld en wordt een selectieve 180° r.f. puls opgewekt. Het gradientmagneetveld Gge^ is in dit geval een van de gradientmagneet-20 velden Gx, Gy of Gz die een veldsterktegradient in de x, y respektievelijk z richting tonen. Na afloop van de voorbereidende periode tv (die zo kort als mogelijk is) begint een eerste meetperiode Tj met een niet-selectieve 90° excitatie puls Pj. Het met de puls Pr opgewekte resonantiesignaal FIDj (FID-signaal) wordt bemonsterd.

25 Hierna volgt een wachttijd, die langer is dan de longitudinale relaxatietijd (T1) van de te onderzoeken materie om de met de 180° puls geïnverteerde kernspins naar hun thermisch evenwicht (in een aangelegd statisch uniform magneetveld Bo) terug te laten keren. De laatste tijdsperiode Tjj van de meetcyclus begint met een niet 30 selectieve excitatie-puls Pgo-n» waarmee een tweede resonantiesignaal FIDjj wordt opgewekt. Het signaal FIDjj wordt in de tweede meetperiode Tjj bemonsterd.

Met de voorgaande meetcyclus is het volgende bereikt. Het signaal FIDjj bevat signalen uit het gehele met de 90° r.f. puls 35 Pjj geexciteerde object 0, hetgeen in fig. 1b met de meest linkse afbeelding is aangeduid. In de eerste meetcyclus Tj worden kernspins met de selectieve 180° r.f. puls P^q in een volume £ (een laag 95 Ö 2 2 0 5 ΡΗΝ 11.459 5 ofwel plak) van het object 0 geïnverteerd. Na excititatie van het gehele object £ door de niet selectieve 90° r.f. puls PgQ-j zullen ook uit het gehele object 0 signalen ontvangen worden, maar de signalen van de geïnverteerde kernspins in de geselecteerde laag 3 zullen een 5 signaal met tegengestelde teken hebben. In de middelste afbeelding is de geselecteerde laag S aangeduid en voorzien van een - teken, terwijl de zich buiten de geselecteerde laag 3 bevindende materie van een + teken is voorzien. Er is nu in te zien, dat door het aftrekken van het signaal FIDt van het signaal FÏDTj slechts een signaal overblijft dat alleen 10 door het geselecteerde volume 3 is opgewekt (en in amplitude twee maal zo groot is als in het geval dat kernspins uit dat volume alleen zouden opwekken, hetgeen gunstig is voor de signaal/ruis verhouding). dit het verschilsignaal tussen de twee resonantiesignalen FIDjj en FIDj is via Fourier transformatie een frequentiespectrum 15 van de in het geselecteerde volume 3 aanwezige materie te bepalen. Natuurlijk is het genoemde frequentiespectrum ook te bepalen uit het verschil tussen de Fouriergetransformeerden van de signalen FIDj- en FIDn.

In fig. 2a, b, c, d en e is op schematische wijze een 20 verdere uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding weergegeven. Met de aan de hand van de figuren 1a en 1b beschreven werkwijze is het mogelijk om resonantiesignalen uit een laag op een willekeurige plaats in een 3-dimensionaal lichaam te meten. Met de in fig. 2 at/m e geschetste werkwijze is het mogelijk van een langwerpig 25 (staafvormig) volume met een kleine doorsnede dat op een willekeurige plaats in een 3-dimensionaal object, resonantiesignalen te meten. De meetcyclus bevat nu vier perioden M1, M2, M3, M4 en zal aan de hand van fig. 2a worden beschreven. De periode M1 komt overeen met de meetperiode Tjj uit fig. 1a. Tijdens periode M1 zijn geen gradientmagneetvelden 30 Gx, Gy of Gz ingeschakeld hetgeen in de tabel van fig. 2a met (0, 0, 0) is aangeduid. De tweede periode M2 komt overeen met de combinatie van de voorbereidende periode tv en de meetperiode Tj, waarbij tijdens de voorbereidende periode tv het gradientmagneetveld Gy en een bijbehorende selective 180° r.f. puls wordt opgewekt. In de tabel van 35 fig. 2a is dit met (0, 1, 0) aangeduid. De derde periode M3 is nagenoeg gelijk aan de tweede periode M2, waarbij in plaats van het gradientmeetveld Gy het gradientmeetveld Gx wordt ingeschakeld. In de *502205 * PHN 11.459 6 tabel is dit met (1, O, 0) aangegeven. De vierde periode M4 wijkt in zoverre van de periodes M3 en M2 af, dat in de voorbereidende periode tv ervan eerst het ene gradientmagneetveld (b.v. Gx) enige tijd en daarna het andere gradientmagneetveld (Gy) enige tijd wordt 5 ingeschakeld, waarbij bij zowel bij aanwezigheid van het ene (Gx) als het andere gradientmagneet-veld (Gy) een selectieve 180° r.f. puls wordt opgewekt.

In de eerste periode M1 wordt een resonantiesignaal f1 (FID signaal) gemeten, dat door kernspins uit het gehele object £ 10 wordt opgewekt. In fig. 2b is dit (in analogon naar fig. 1b) weergegeven. Duidelijk zal zijn, dat door het toepassen van het gradientmagneetveld Gy resp. Gx en een selectieve 180° r.f. puls bij de periode M2 respektievelijk M3 de kernspins in een geselecteerde y-laag respektievelijk x-rlaag zijn geïnverteerd en derhalve een negatieve 15 bijdrage aan te meten resonantiesignaal f2 respektievelijk f3 zullen leveren. Het voorgaande is schematisch in de figuren 2c en 2d weergegeven, waarbij in fig. 2c een y-laag en in fig. 2d een x-laag S2 van een - teken en de omliggende delen van het object Q. van een + teken zijn voorzien. In fig. 2e is het resultaat van een meting in 20 de periode M4 weergegeven. Met een eerste selectieve 180° puls tijdens het aanwezig zijn van een gradientmagneetveld (b.v. Gy) worden de kernspins in een eerste laag (b.v. S-j) geinverteed, waarna door de tweede selectieve 180° puls (b'ij aanwezigheid van het gradientmagneetveld Gx) de kernspins in een x-laag (¾) worden 25 geïnverteerd. Het resultaat is dat in de doorsnijding van de y- en de x-laag £.j en S2 de kernspins een rotatie van 360° hebben gemaakt weer "rechtop" staan. De kernspins in de doorsnede van S^en S2leveren dus nu een positieve bijdrage en de kernspins in de overige delen van de genoemde lagen S-j en i2 leveren een 30 negatieve bijdrage aan een in de vierde periode M4 te meten resonantiesignaal f4.

Nu is in te zien dat uit de vier resonantiesignalen f1, f2, f3 en f4 een verschilsignaal is af te leiden, dat evenredig is met het signaal Δ f dat zou worden verkregen, indien alleen de doorsnijding 35 van de lagen S-j en S2 zou worden geexciteerd: Δ f = (f 1 -f2) -(f3-f4).Het signaal ^f is zelf vier maal zo groot als het resonantiesignaal dat bij excitatie van de doorsnede alleen zou worden 8302205 ***,«,—~·ίΓ:-.

ΡΗΝ 11.459 7 opgewekt, hetgeen gunstig is voor de signaal/ruis verhouding.

Uiteraard is ook hiervan elk resonantiesignaal f1, f2, f3, f4 de Fourier getransformeerde F1, F2, F3, F4 te bepalen, zodat het spectrum F van het geselecteerde volume (de doorsnijding van de lagen 5 Si en S2) daaruit te bepalen is AF = (F1-F2) - (F3-F4) in plaats van het bepalen van de Fourier getransformeerde van het verschilsignaal Af.

Uit het voorgaande valt te begrijpen, dat op een soortgelijke wijze van een begrensd-drie diemensionaal volume (kleine 10 "kubus": orde grootte: ram tot cm ) in een groot object een frequentiespectrum is te bepalen, dat niet door materie buiten het geselecteerde volume wordt beinvloed. In fig. 3 is een tabel weergegeven, waarin is aangegeven gedurende welke periode M1, M2 ... M8 welk of welke gradientmagneet-velden) Gx, Gy en/of Gz worden 15 ingeschakeld. Hierbij is op te merken dat de perioden M1, M2, M3 en M4 overeenstemmen met de perioden M1, M2, M3 en M4 zoals die bij de werkwijze volgens de uitvinding bij fig. 2a zijn beschreven. Het zal duidelijk zijn dat in periode M5 (fig. 3, M5: 0,0,1) het gradientmagneetveld Gz tijdens de voorbereidingstijd tv wordt 20 ingeschakeld (zie fig. 1a), waarbij een selectieve 180° r.f. puls wordt opgewekt, waarna na een niet selectieve 90° r.f. puls het resonantiesignaal f5 (FID signaal) wordt gemeten. In de perioden M6 en M7 worden de gradientmagneetvelden Gx en Gz respektievelijk Gy en Gz na elkaar gedurende de voorbereidingstijd tv ingeschakeld (elk met 25 bijbehorende selektieve 180° r.f. puls). In de periode M8 (fig. 3; M8: 1,1,1) worden de gradientvelden Gx, Gy en Gz gedurende de voorbereidingstijd tv na elkaar ingeschakeld (met bijbehorende 180° r.f. pulsen). Het is aan te tonen dat uit de gemeten resonantiesignalen f1, f2, ...f8 uit de acht perioden M1, M2, M3 ...M8 een verschilsignaal 30 Af te berekenen is: Af = f 1-f2-f3+f4-f5+f6+f7-f8, dat alleen van de kernspinsignalen afhangt, die worden opgewekt uit.het 3-D volume, dat door de doorsnijding van de drie met de 180° pulsen en de magneetveld-gradienten Gx, Gy en Gz geselecteerde x-, y- en z-laag in een te onderzoeken object is bepaald. Na Fourier transformatie van het verschil-35 signaal A f is het frequentiespectrum AF van het indirekt geselecteerde volume beschikbaar. Uiteraard kan het frequentiespectrum AF ook worden bepaald door de Fouriertransformaties van de acht signalen f1, f2- .

';)2 2 0 5 PHN 11.459 8 ...f8 bij elkaar te voegen F = F1-F2-F3+F4-F5+F6+F7-F8, waarbij F1, F2 ...F8 de Fouriertransformatie van het signaal f1, f2, ...f8 is. Opgemerkt wordt dat het verschilsignaal f acht maal zo sterk is als het signaal, dat zou worden gemeten, indien alleen het gewenste volume 5 wordt geexciteerd.

• Opgemerkt dient te worden dat modificaties van de voorgaande beschreven werkwijze mogelijk zijn, zonder buiten het principe van de uitvinding te treden. Zo is het mogelijk om na een periode M1 (zie fig. 2a of fig. 3) in een daarop volgende periode tv 10 tegelijk twee gradientvelden (b.v..Gx en Gy) in te schakelen en daarbij een selectieve 180° r.f. puls op te wekken. De kernspins in een volume, dat begrensd wordt door vlakken parallel aan de z-as, die door (xQl 0),(yo,0) en (-x0, 0), (O, -yQ) gaan, worden geïnverteerd.

Door het daarna op te wekken resonantiesignaal af te trekken van het 15 signaal f1 uit periode M1, wordt het verschilsignaal gevonden voor het hiervoor aangeduide volume. Echter is dit volume afwijkend van het volume dat met de werkwijze bij fig. 2a t/m 2 is bemeten (vergelijk: het volume tussen de vlakken parallel aan de z-as, die door de coördinaten (v y05' (~xo' yo^ en <xo' ~yo^' (~xo» 3aan en het 20 volume bepaald door de hierboven gegeven coördinaten).

as,?-J -*Λ *"·

Claims (4)

1. Werkwijze voor het bepalen van een frequentie spectrum van kernspin-resonantiesignalen in een geselecteerd volume van een lichaam waarbij dat volume zich in statisch uniform magneetveld bevindt en met hoog frequent elektromagnetische pulsen wordt geexciteerd bij 5 aanwezigheid van een gradientmagneetveld voor het verkrijgen van een kernspinresonantiesignaal (FID signaal), waaruit het frequentiespectrum van in het genoemde volume aanwezige kernspins wordt afgeleid, met het kernmerk, dat het signaal, dat het frequentiespectrum bepaalt, uit verschillen van tenminste twee afzonderlijke resonantiesignalen of van 10 hun Fouriergetransformeerden wordt afgeleid, waarbij een resonantiesignaal wordt gemeten na excitatie met een (breedband) 90° r.f. puls en een ander resonantiesignaal na een selectieve 180° r.f. puls bij aanwezigheid van een gradientmagneetveld en na uitschakeling van het gradientmagneetveld en na het opwekken van een (breedband) 90° 15 r.f. puls wordt gemeten.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het signaal uit vier resonantie-signalen wordt afgeleid, waarbij een eerste resonantie-signaal wordt gemeten na excitatie met een niet selectieve 90° r.f. puls zonder enige voorbereiding, een tweede resonantie-20 signaal na een voorbereiding met een gradient-magneetveld met een gradient in een eerste richting en met een selectieve 180° r.f. puls wordt gemeten na een daarop volgende niet selectieve 90° r.f. puls, een derde resonantie-signaal na een voorbereiding met een gradientmagneetveld met een gradient in een orthogonaal op de eerste 25 richting zijnde tweede richting en met een selectieve 180° r.f. puls wordt gemeten na een niet selectieve 90° r.f. puls en een vierde resonantie-signaal na een voorbereiding met op elkaar volgend het eerste en het tweede gradientmagneetveld, waarbij tijdens de aanwezigheid van elk veld een selectieve 180° r.f. puls wordt opgewekt, na een niet 30 selectieve 90° r.f. puls wordt gemeten, en het eerste en het vierde resonantie-signaal een positieve bijdrage aan het signaal leveren, terwijl het tweede en het derde resonantie-signaal een negatieve 2 ’ '1 ? Μ ^ V; r~ Γ*· N „ PHN 11.459 10 bijdrage leveren.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het signaal wordt afgeleid uit acht resonantiesignalen, waarvan een resonantiesignaal wordt gemeten na een niet selectieve 90° r.f. puls 5 en de andere zeven resonantiesignalen worden gemeten na een niet selectieve 90° r.f. puls, die volgt op een voorbereiding, waarbij van drie gradientmagneetvelden met dwars op elkaar gerichte gradiënten gebruik wordt gemaakt en voor het voorbereiden van de zeven resonantiesignalen in de zeven verschillende voorbereidingen 10 respektievelijk het eerste, het tweede, het derde, het eerste en tweede elkaar opvolgend, het eerste en derde elkaar opvolgend, het tweede en derde elkaar opvolgend en het eerste, tweede en derde elkaar opvolgend gradientmagneetveld wordt respektievelijk worden ingeschakeld, waarbij bij. aanwezigheid van elk gradientmagneetveld een selectieve 180° r.f. 15 puls wordt opgewekt, waarbij de resonantiesignalen zonder voorbereiding of met een voorbereiding, waarin twee 180° r.f. pulsen worden opgewekt een positieve bijdrage aan het signaal leveren en de resonantiesignalen met een voorbereiding, waarin een oneven aantal 180° r.f. pulsen wordt opgewekt een negatieve bijdrage leveren. 20

4. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het gradientmagneetveld is samengesteld uit tenminste twee gradientmagneetvelden, waarvan de gradientrichtingen dwars op elkaar zijn gericht. 0 ft A ·η -aj ^ v~' ~