NL8801588A - Werkwijze en inrichting voor het volumeselectief bepalen van een nmr-spectrum door middel van selectieve polarisatieoverdracht-pulssequenties. - Google Patents

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken.

“Werkwijze en inrichting voor het volumeselectief bepalen van een NMR-spectrum door middel van selectieve polarisatieoverdracht-pulssequenties"

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het bepalen van een spectrum uit ten minste één magnetisch resonantiesignaal dat wordt opgewekt in een volumedeel van een lichaam, dat een eerste en een tweede type kern bevat en dat in een stationair homogeen magnetisch veld is geplaatst, in welke werkwijze het resonantiesignaal wordt verkregen door polarisatieoverdracht van kernspins van het eerste type kern naar kernspins van het tweede type kern in een eerste en een tweede pulssequentie van hoogfrequent elektromagnetische pulsen, welke pulssequenties althans gedeeltelijk samenvallen, waarbij de eerste pulssequentie een eerste, een tweede en een derde hoogfrequentpuls bevat, de tweede pulssequentie een vierde en een vijfde hoogfrequent puls bevat en de pulsen onderling door wachttijden gescheiden zijn.

De uitvinding heeft verder betrekking op een inrichting voor het bepalen van een spectrum uit ten minste één magnetisch resonantiesignaal, welke inrichting middelen voor het opwekken van een stationair homogeen magnetisch veld, middelen om met gebruikmaking van hoogfrequent elektromagnetische pulsen resonantiesignalen op te wekken in een volumedeel van een lichaam door polarisatieoverdracht van kernspins van een eerste type kern in het lichaam naar kernspins van een tweede type kern in het lichaam, middelen voor het opwekken van ten minste één magnetische veldgradiênt, middelen voor het ontvangen, detekteren en bemonsteren van het magnetisch resonantiesignaal en weergeefmiddelen voor het weergeven van het spectrum bevat, en voorts verwerkingsmiddelen bevat die zijn voorzien van geprogrammeerde rekenmiddelen voor het bepalen van het spectrum uit de., met de middelen voor het bemonsteren verkregen bemonsteringswaarden.

Een dergelijke werkwijze is bekend uit het artikel “Localized 13C NMR Spectra with Enhanced Sensitivity Obtained by Volume-Selective Excitation", W.P. Aue e.a., Journal of Magnetic Resonance 61, blz. 392-395, 1985. Bij een dergelijke werkwijze wordt een te onderzoeken lichaam in een stationair homogeen magnetisch veld Bq geplaatst. Het lichaam bevat een eerste type kern, bijvoorbeeld een Λ proton H, en een tweede type kern, bijvoorbeeld een koolstofisotoop 1 *3 1 C. In genoemde werkwijze wordt eerst een volumedeel van het lichaam geselecteerd op kernspins van protonen, waarop een goede localisatie van protonmagnetisatie binnen het volumedeel te bereiken is vanwege het kleine chemische verschuivingsbereik van gebonden protonen en vervolgens wordt door polarisatieoverdracht de gelocaliseerde protonmagnetisatie overgebracht op de met de protonen gekoppelde C kernen binnen hetzelfde volumedeel. Ten opzichte van gewone JC spectroscopie heeft dit het voordeel dat een versterking van de gevoeligheid en een 1 o . , nauwkeuriger localisatie van het zogenaamde C sensitieve volume wordt bereikt. Voor de polarisatieoverdracht na de volumeselectie wordt het lichaam met een eerste en met een tweede pulssequentie van hoogfrequent elektromagnetische pulsen aangestraald. De eerste pulssequentie die op 'H werkt bevat achtereenvolgens een hoogfrequent puls (90°), een tweede hoogfrequent puls (180°) en een derde hoogfrequent puls (met een te variëren pulshoek). De tweede pulssequentie die op C werkt bevat een vierde hoogfrequent puls (90°) en een vijfde hoogfrequent puls (180°). De pulsen voor 1H en ,JC worden via aparte zendspoelen in een inrichting voor het bepalen van een spectrum uit ten minste één magnetisch resonantiesignaal op het lichaam aangestraald. De vierde hoogfrequent puls valt samen met de tweede hoogfrequent puls en de vijfde hoogfrequent puls valt samen met de derde hoogfrequent puls. De onderlinge wachttijden tussen de pulsen bedragen m genoemd artikel (2J) sec., waarin J een koppelingskonstante is tussen kernspins van het eerste en het tweede . -1 type. Een wachttijd (2J) 1 na de vijfde hoogfrequent puls wordt een resonantiesignaal voor gebonden JC verkregen, dat na bemonstering en Fouriertransformatie een spectrum geeft. Om een voldoend grote signaalruisverhouding te verkrijgen zal het nodig zijn om een groot aantal resonantiesignalen te middelen, voor Fouriertransformatie. De volumeselectie op protonen wordt uitgevoerd met VSE (Volume Selective Excitation), dat is een puls-gradiënt-sequentie waarin achtereenvolgens drie magnetische veldgradiënten Gx, Gy en Gz in een xyx-coördinatenstelsel worden geschakeld waarvan de veldrichting samenvalt met de richting van het veld Bq en waarvan de gradiêntrichtingen onderling loodrecht op elkaar staan, onder aanlegging van gecombineerde selectieve en niet-selectieve hoogfrequent pulsen tijdens het aanleggen van de gradiënt (45°-selectief, 90° -niet-selectief en 45°-selectief). De eerste gradiënt Gx selecteert een plak van het lichaam (alleen in de plak is er longitudinale magnetisatie), de tweede gradiënt Gy selecteert een balk binnen de plak en de derde gradiënt Gz tenslotte selecteert een xyz-volumedeel van het lichaam. De werkwijze kan toegepast worden op een CHjj-spinsysteem, d.w.z. op een lichaam dat moleculen met CH-, CH2-en CH^-groepen bevat. Door het grote aantal benodigde resonantiesignalen zal voor het bepalen van een spectrum de totale benodigde meettijd aanzienlijk kunnen zijn.

Met de uitvinding wordt een eenvoudiger en flexibeler pulsseguentie beoogd.

Een werkwijze volgens de uitvinding is erdoor gekenmerkt, dat een selektie van het volumedeel gebeurt tijdens het aanleggen van de hoogfrequent pulsen ten minste onder gebruikmaking van een eerste plakselectieve veldgradiënt die samenvalt met de eerste hoogfrequent puls. Hierdoor is ook de pulssequentie minder gevoelig voor imperfecties van hoogfrequent elektromagnetische pulsen en kan verder de totale meettijd gereduceerd worden.

Een uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding is erdoor gekenmerkt, dat de selectie van het volumedeel verder gebeurt door het aanleggen van een tweede en een derde plakselectieve veldgradiênt die respectievelijk met de tweede en de derde hoogfrequent puls samenvallen, waarbij de eerste, tweede en derde veldgradiënt respectieve excitaties van kernspins beperken tot elkaar onderling snijdende plakken. De excitaties van de kernspins zullen respectievelijk tot een eerste, een tweede en een derde plak beperkt blijven. Door onderling snijden van de plakken wordt een volume geselecteerd. Vorden de gradiënten onderling loodrecht gekozen dan wordt een orthogonaal volume geselecteerd. In afhankelijkheid van het te onderzoeken spinsysteem zal de freguentieinhoud van de hoogfrequent pulsen en zal de sterkte van de veldgradiënten worden gekozen. Dit zal verderop worden uitgewerkt aan de hand van een CH-spinsysteem. De hoogfrequent pulsen voor en kunnen met respectieve lichaamsspoelen als zendspoelen worden gegeven.

Een uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding is erdoor gekenmerkt, dat de selectie van het volumedeel verder gebeurt door het geven van de vierde en vijfde hoogfrequent puls met een oppervlaktespoel, waarbij met de eerste gradiënt een plak wordt geselecteerd loodrecht op een as van de oppervlaktespoel. De eerste veldgradiënt kan een lineaire combinatie van de gradiënten Gx, Gy en Gz zijn om een gradiëntrichting te verkrijgen die een plak loodrecht op de as van de oppervlaktespoel selecteert. De eerste hoogfrequent puls wordt m deze plak plakselectref gemaakt op de H kernspins. De vierde en de vijfde hoogfrequent puls die met de oppervlaktespoel worden aangestraald op het lichaam geven een 1o .

plaatsafhankelijke rotatie van een C magnetisatievector in een met 13C precessiefrequentie roterend coördinatenstelsel x'y'z'. De vierde en de vijfde hoogfrequent puls dienen zo gekozen te worden dat respectievelijk 180° en 90° rotatie van de ^3C magnetisatievector wordt bereikt in de geselecteerde plak. De eerste, tweede en derde puls worden gegeven met een lichaamsspoel. De lichaamsspoel en de oppervlaktespoel dienen ten opzichte van elkaar ontkoppeld te zijn. Opgemerkt wordt dat in de Europese octrooiaanvrage EP 0 155 978 op zichzelf wel een ruwe vorm van localisatie bekend is bij polarisatieoverdracht sequenties. Daarbij worden echter geen gradiënten gebruikt. De localisatie gebeurt door overlapping van zogenaamde sensitieve volumes die ontstaan doordat de eerste, tweede en

A

derde hoogfrequent puls op H kernspins via een eerste oppervlaktespoel worden gegeven en de vierde en vijfde hoogfrequent puls op ,JC kernspins via een tweede oppervlaktespoel, welke oppervlaktespoelen een verschillende diameter hebben en in hetzelfde vlak liggen.

Een uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding is erdoor gekenmerkt, dat de wachttijd tussen de vierde en de derde hoogfrequent puls een oneven aantal malen (2J)“1 sec. bedraagt, waarin J een koppelingskonstante is tussen kernspins van het eerste en van het tweede type, en de overige wachttijden tussen de hoogfrequent pulsen onderling en de wachttijden tot acquisitie van het resonantiesignaal groter of gelijk zijn aan het oneven aantal malen _ 4 (2J) sec. Er is daarbij sprake van een zogenaamde DEPT-sequentie ("Distortionless Enhancement by Polarization Transfer"), waarin de wachttijden bijvoorbeeld alle (2J)“1 sec. gekozen kunnen worden, een gewone DEPT-sequentie. Ook kan de wachttijd tussen de derde en de vierde hoogfrequent puls een oneven aantal malen (2J)“1 gekozen worden en de andere wachttijden groter, wat gunstiger is ten aanzien van praktische realiseerbaarheid van de sequentie. In het laatste geval zullen de 4 hoogfrequent pulsen op de H kernspins niet meer samenvallen met de 13 hoogfrequent pulsen op de 1 C kernspins. Hierdoor kunnen ook * 13 gemakkelijker breedbandige C pulsen worden gegeven omdat dan tijdens 13 de C pulsen geen gradiënt wordt geschakeld; de gradiënten worden 1 13 geschakeld tijdens de pulsen op de Ή kernspins. Bij C spectra waar geen sprake is van polarisatieoverdracht zouden vanwege een • 13 13

relatief grote chemische verschuiving van C breedbandige C

pulsen localisatieproblemen kunnen opleveren. Worden de Ή en C

pulsen niet gelijktijdig gegeven dan vindt localisatie op de % kernspins plaats en treedt dit probleem niet op. Overigens is het soms 13 voldoende om een beperkter gedeelte van het C spectrum te zien. Dan kan met smalbandiger C pulsen worden volstaan.

Een uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding is erdoor gekenmerkt, dat ter onderdrukking van signalen afkomstig van gekoppelde kernen van het eerste en tweede type van buiten het geselecteerde volumedeel en van niet gekoppelde kernen van het tweede type, faseschakeling op ten minste één hoogfrequent puls wordt toegepast en het spectrum wordt bepaald uit met tegengestelde fasen verkregen resonantiesignalen. In het geval van een CHn-spinsysteem kunnen signalen van CHn~groepen van buiten het geselecteerde volumedeel niet worden verwaarloosd. Door de resonantiesignalen die met tegengestelde fasen zijn verkregen van elkaar af te trekken worden dergelijke ongewenste signalen geëlimineerd. Dit laatste is wel gevoelig voor beweging van het lichaam en speelt dus een rol bij in vivo spectroscopie.

Een uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding is erdoor gekenmerkt, dat de eerste en de tweede pulssequentie worden voorafgegaan door een op de kernspins van het tweede type inwerkende hoogfrequent verzadigingspuls, gevolgd door een defaseringsgradiênt. Door een betere onderdrukking van ongewenste signalen wordt de invloed van beweging sterk gereduceerd. Er dient voor gezorgd te worden dat de eerste hoogfrequent puls ver binnen de longitudinale relaxatietijd T1 wordt gegeven.

Een uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding is erdoor gekenmerkt, dat de verzadigingspuls een 90° hoogfrequent puls van het type adiabatisch snelle doorgang is. Adiabatisch snelle doorgang wil zeggen, een snelle frequentiezwaai van de frequentie van een hoogfrequent puls door de kernspinresonantiefrequentie teneinde de magnetisatie over een bepaalde hoek te roteren.

Een uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding is erdoor gekenmerkt, dat binnen een longitudinale relaxatietijd van een magnetisatie voor een volume geselecteerd met ten minste één plakselectieve veldgradiënt ten minste in één ten opzichte van het volume verschoven volume resonantiesignalen worden opgewekt met hoogfrequent pulssequenties die overeenkomen met de eerste en de tweede pulssequentie. De wachttijd voor longitudinale relaxatie wordt benut voor het meten van andere volumina, zogenaamde "multiple volume".

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van een tekening, waarin fig. 1 een schematische weergave is van een inrichting volgens de uitvinding, fig. 2A een DEPT-pulsseguentie volgens de uitvinding toont, fig. 2B een vectorbeschrijving van de DEPT-pulssequentie volgens de uitvinding toont in een dubbel roterend coördinatenstelsel, en fig. 3 een gemodificeerde DEPT-pulssequentie volgens de uitvinding laat zien,

In fig. 1 is schematisch een inrichting 1 volgens de uitvinding weergegeven. De inrichting 1 bevat magneetspoelen 2 en, in het geval van weerstandsmagneten of supergeleidende magneten, een gelijkspanningsvoeding 3. De magneetspoelen 2 en de gelijkspanningsvoeding 3 vormen middelen 4 voor het opwekken van een stationair homogeen magnetisch veld Bq. Worden de magneetspoelen 2 als permanente magneten uitgevoerd, dan ontbreekt de gelijkspanningsvoeding 3. Binnen de magneetspoelen 2 kan een lichaam 5 geplaatst worden. Het lichaam 5 kan kernspins van een eerste type kern en kernspins van een tweede type kern bevatten die met elkaar gekoppeld kunnen zijn, 1 *3 bijvoorbeeld in een CHn-groep van een molecuul, waarin C een C koolstofisotoop is en H een 1H proton. De koppeling kan dan uitgedrukt worden met een koppelmgskonstante JCH sec . Is de inrichting 1 in bedrijf en is het lichaam 5 binnen de magneetspoelen 2 geplaatst dan zal in evenwichtstoestand een geringe overmaat aan kernspins (van kernen met een magnetisch moment) met het veld Bq meegericht zijn. Macroscopisch is dit op te vatten als een magnetisatie M, een evenwichtsmagnetisatie. De inrichting 1 bevat verder middelen 6 om met gebruikmaking van hoogfrequent elektromagnetische pulsen bijvoorbeeld resonantiesignalen op te wekken in een volumedeel van het lichaam 5 door polarisatieoverdracht van kernspins van het eerste type in het lichaam 5 naar kernspins van het tweede type kern in het lichaam 5. De middelen 6 bevatten een eerste zend/ontvangstkanaal 7 en een tweede zend/ontvangstkanaal 8. Het eerste zend/ontvangstkanaal 7 is via een richtingskoppeling 9 gekoppeld met een eerste spoel 10 voor het zenden van hoogfrequent elektromagnetische pulsen en voor het ontvangen van magnetische resonantiesignalen. Het eerste zend/ontvangstkanaal 7 bevat een modulator 11, een versterker 12, een versterker 13, een fasegevoelige detektor 14 en een oscillator 15 voor het opwekken van een draaggolfsignaal. De modulator 11 wordt gestuurd door een procescomputer 16, die is gekoppeld met verwerkingsmiddelen 17, die zijn voorzien van geprogrammeerde rekenmiddelen 18. Een via het eerste zend/ontvangstkanaal 7 ontvangen magnetisch resonantiesignaal wordt in de fasegevoelige detektor 14 gedemoduleerd en het gedemoduleerde signaal wordt toegevoerd aan een A/D-omzetter 19 waarmee signaalbemonstering plaatsvindt (in het geval van kwadratuurdetektie is er nog een A/D-omzetter (hier niet getoond)). Bemonsteringswaarden 20 kunnen worden toegevoerd aan de verwerkingsmiddelen 17. Het tweede zend/ontvangstkanaal 8 is op identieke wijze opgebouwd en bevat een richtingskoppeling 21, een zend/ontvangstspoel 22, een modulator 23, een versterker 24, een versterker 25, een fasegevoelige detektor 26 en een oscillator 27. De fasegevoelige detektor 26 is gekoppeld met een A/D-omzetter 28, die is gekoppeld met de verwerkingsmiddelen 17 (in het geval van kwadratuurdetektie is in het kanaal 8 nog een A/D-omzetter aanwezig). In het geval met de inrichting 1 pulssequenties worden gegenereerd voor het bewerkstelligen van polarisatieoverdracht zal de oscillator 15 zijn afgestemd op de kernspinresonantie van het eerste type kern en de oscillator 27 op de kernspinresonantie van het tweede type kern. Via het eerste zend/ontvangstkanaal 7 worden in een eerste pulssequentie hoogfrequent pulsen naar de spoel 10 gevoerd voor aanstraling van het lichaam 5 en via het tweede zend/ontvangstkanaal 8 worden in een tweede pulssequentie hoogfrequent pulsen naar de spoel 22 gevoerd, eveneens voor aanstraling van het lichaam 5. De geprogrammeerde rekenmiddelen zijn ervoor ingericht om de eerste en de tweede pulssequentie althans gedeeltelijk te laten samenvallen. De oscillatoren 15 en 27 kunnen door de procescomputer 16 worden aangestuurd. Spoel 22, een zogenaamde lichaamsspoel, kan worden vervangen door een oppervlaktespoel 29, waarmee het lichaam 5 locaal kan worden aangestraald. De lichaamsspoel 22 is binnen de inrichting 1 vast opgesteld, de oppervlaktespoel 29 daarentegen is verplaatsbaar. De inrichting 1 bevat verder middelen 30 voor het opwekken van op het veld Bq gesuperponeerde magnetische veldgradiënten. De middelen 30 bevatten gradiëntmagneetspoelen 31 voor het opwekken van een magnetische veldgradiënt Gx, gradiëntmagnèetspoelen 32 voor het opweekken van een magnetische veldgradiënt Gy, gradiëntmagneetspoelen 33 voor het opwekken van een magnetische veldgradiënt Gz, en een door de procescomputer 16 aanstuurbare voeding 34 voor het voeden van de gradiëntmagneetspoelen 31, 32 en 33, die afzonderlijk aanstuurbaar zijn. Bij de getoonde uitvoeringsvorm is de ruimtelijke opstelling van de gradiëntmagneetspoelen 31, 32 en 33 zodanig, dat de veldrichting van de magnetische veldgradiënten Gx,

Gy en Gz samenvalt met de richting van het magnetisch veld Bq en dat de gradiëntrichtingen onderling loodrecht op elkaar staan, in fig 1 aangegeven met drie loodrecht op elkaar staande assen x, y en z. De inrichting 1 bevat verder weergeefmiddelen 35 onder meer voor het weergeven van een uit de magnetische resonantiesignalen te vormen spectrum. De geprogrammeerde rekenmiddelen 18 zijn ervoor ingericht om uit de bemonsteringswaarden 20, bijvoorbeeld verkregen via het tweede zend/ontvangstkanaal 8, door middel van bijvoorbeeld Fouriertransformatie het spectrum te bepalen. Een spectrum van een CH-groep bestaat uit een doublet üip+-_ïïJCH om een protonresonantiefrequentie (i)p=gammap( 1-ffp)BQ, waarin Jq# een scalaire koppelingskonstante tussen % en kernspins is, gammap een gyromagnetische verhouding van protonen en σρ een afschermingskonstante is (de mate van afscherming door een elektronenwolk wordt bepaald door de chemische omgeving van het proton). Een ^3C spectrum van de CH-groep bestaat uit een doublet ti)c+ïïJCH om een 13C-resanantiefrequentie ü)c=gammac (1-0"c)Bq, waarin gamaac een gyromagnetische verhouding van het koolstofisotoop ^3C is. De protonen en het 13C isotoop hebben beide een kernspin 1/2 (spin op of spin neer). Bij de koppeling "voelen" de spins eikaars veld, wat in de gegeven situatie tot een doublet leidt voor zowel 1H als 13C in de spectra. Het kan voordelig zijn (signaalruisverhouding) om een 13C-doublet van een CH-groep niet gescheiden in het spectrum terug te zien. Dit kan bereikt worden door de protonen zogenaamd ontkoppeld te meten ("hard" aanstralen op %). üit het spectrum kan dan toch afgeleid worden van welk molecuul de CH-groep afkomstig is aangezien de zogenaamde chemische verschuiving afhankelijk is van het desbetreffende molecuul. Voor een meer algemene beschrijving van een NMR-inrichting en een algemene beschrijving van de principes van NMR wordt verwezen naar het handboek "Practical NMR Imaging" van M.A. Foster en J.M.S. Hutchinson, blz. 1-48, 1987 IR1 Press Ltd.

In fig. 2A wordt een DEPT-pulssequentie volgens de uitvinding getoond, als funktie van de tijd t. Een DEPT-pulssequentie ("Distortionless Enhancement by Polarization Transfer") bevat een eerste pulssequentie met hoogfrequent elektromagnetische pulsen, die inwerkt op kernspins van een eerste type kern in een lichaam en een tweede pulssequentie met hoogfrequent elektromagnetische pulsen, die inwerkt op kernspins van een tweede type kern in het lichaam. De eerste en de tweede pulssequentie vallen gedeeltelijk samen. De eerste pulssequentie voor bijvoorbeeld protonen als eerste type kern bevat een eerste hoogfrequent puls p1 die een magnetisatievector in een met een protonprecessiefrequentie roterend coördinatenstelsel xyz over een hoek van 90° draait (een zogenaamde 90°-puls), en bevat verder een tweede hoogfrequent puls p2 van 180° en een derde hoogfrequent puls p3 met variabele pulshoek. De tweede pulssequentie voor bijvoorbeeld 13C als tweede type kern bevat een vierde, bij voorkeur breedbandige, hoogfrequent puls p4 die een magnetisatievector in een met een 13C-precessiefrequentie roterend coördinatenstelsel x'y'z' over een hoek van 90° draait en een vijfde, bij voorkeur breedbandige, hoogfrequent puls p5 van 180°. Als de vierde en vijfde puls breedbandig worden

gekozen dan zal de localisatie niet te sterk verlopen over het ‘3C

spectrum. De pulsen p2 en p4 vallen samen, evenals de pulsen p3 en p5.

De pulsen p1, p2 en p3 die worden gegeven op de tijdstippen t1, t2 en t3 zijn met tijdsafstanden (2J)“^ gescheiden. In genoemd artikel van Aue wordt een dergelijke DEPT-pulssequentie gebruikt voor polarisatieoverdracht tussen gekoppelde H en C kernspins m een vooraf geselecteerd volumedeel van een lichaam, waarbij de volumeselectie plaatsvindt door middel van VSE ("Volume Selective

Excitation"). Volgens de uitvinding vindt volumeselectie plaats tijdens het aanleggen van de hoogfrequent pulsen. Tijdens de puls p1 wordt een eerste gradiënt Gz aangelegd en tijdens de pulsen p2 en p3 respectievelijk de gradiënten Gy en Gx. De pulsen p1, p2 en p3 worden via het eerste zend/ontvangstkanaal 7 op het lichaam 5 aangestraald, de pulsen p4 en p5 worden via het tweede zend/ontvangstkanaal 8 op het lichaam aangestraald en de gradiënten

Gx, Gy en Gz worden met de respectieve gradiëntmagneetspoelen 31, 32 en 33 aangelegd. Rond het tijdstip t4 zal via het tweede zend/ontvangstkanaal 8, het C kanaal, een magnetisch resonantiesignaal binnenkomen. Door polarisatieoverdracht zal de 1 ^ relatief zwakke C magnetisatie versterkt worden waargenomen.

In fig. 2B wordt ter verduidelijking van de DEPT-pulssequentie volgens de uitvinding een vectorbeschrijving getoond van de DEPT-pulssequentie in een dubbel roterend coördinatenstelsel, een coördinatenstelsel xyz dat met protonprecessiefrequentie roteert om de z-as en een coördinatenstelsel x'y'z' dat met 13C

precessiefrequentie roteert om de z'-as; de assen z en z' vallen samen. Er wordt uitgegaan van een evenwichtstoestand, waarin een geringe overmaat aan kernspins in het lichaam met het veld Bq is meegericht.

Dit is in het xyz-stelsel a voor protonen weergegeven met een magnetisatievector M. Verder wordt als voorbeeld polarisatieoverdracht van Ή op ,JC beschouwd m moleculen met een CH-groep. Voor maximale versterking dient dan de puls p3 een 90°-puls te zijn. In het xyz-stelsel a wordt de evenwichtsmagnetisatie M voor protonen beschouwd. De 90°-puls p1 op de protonen wordt plakselectief gegeven op een plak evenwijdig aan het xy-vlak doordat tijdens de puls p1 de gradiënt Gz wordt aangelegd. Na afloop van de 90°-puls is M 90° gedraaid, dit is in het xyz-stelsel b weergegeven. De ene helft van de J-gekoppelde o protonen “voelt" een C-veld "op" en de andere helft "voelt" een ^C-veld "neer". Bij de verdere beschouwing wordt steeds aangenomen dat aan defaserings-/refaseringscondities onder invloed van veldinhomogeniteiten is voldaan door de gekozen opeenvolging van respectievelijk de pulsen p1, p2 en p3, en de pulsen p4 en p5. In het roterend xyz-stelsel wordt niet het hoofdveld Bq "gevoeld" door de 40 kernspms, wel de C-velden. De protonkernspms defaseren m twee « gelijke groepen ten gevolge van de verschillende ‘ -C velden. Na een tijdsverloop (2J)~^ sec is er 180° faseverschil voor beide groepen protonen. Dit wordt in xyz-stelsel c respectievelijk in xyz-stelsel d getoond. Nu worden gelijktijdig via de zend/ontvangstkanalen 7 en 8 de pulsen p2 en p4 plakselectief gegeven op een plak evenwijdig aan het xz-vlak doordat tijdens de pulsen p2 en p4 de gradiënt Gy wordt aangelegd. Voor een verdere beschrijving wordt gebruik gemaakt van het dubbel roterend stelsel xyz, x'y'z' voor respectievelijk protonen en 13C in de CH-groep. De 90°-puls p4 op de ^3C kernspins plaatst de 13C kernspins van de CH-groep in dezelfde richting als de % kernspins in de twee gelijke groepen. In het tijdvak t2-t3 treedt er een Λ toestand op waarin voor de respectieve groepen de Ή kernspins langs de +y-as van het xyz-stelsel e met de 13C kernspins langs de -y'-as van het x'y'z'-stelsel f staan en de 1H kernspins langs de - y-as van het xyz-stelsel g met de ^3C kernspins langs de +y'-as van het x'y'z'-stelsel h staan. De koppeling werkt dan niet meer, in de twee groepen staan de kernspins tegen elkaar in en wordt de koppeling als het ware opgeheven. Dit is te zien als een mengsel van O-quantumcoherentie en 2-quantumcoherentie, die niet waarneembaar is. Afgezien van relaxatie blijft deze toestand bestaan. Er kunnen geen enkelvoudige spintoestandsveranderingen optreden; spintoestandsveranderingen treden gekoppeld op. De 90°-puls p3 plaatst de 1H kernspins longitudinaal Λ (er was op t3 guist aan de refasermgsconditie voor H voldaan) . De puls p5 dient als refaseringspuls voor de 13C kernspins; op t4 zal aan • 13 de refaseringscondities voor C zijn voldaan. Volgens de uitvinding worden de pulsen p3 en p5 plakselectief gegeven op een plak evenwijdig aan het yz-vlak doordat tijdens de pulsen p3 en p5 de gradiënt Gx wordt aangelegd. Rond t4 treedt een magnetisch resonantiesignaal s op.

Een 1-quantum coherentie van ^3C is als ^3C signaal waarneembaar en wordt ten opzichte van gewone C spectroscopie versterkt waargenomen, met een versterkinsfaktor gammap/gammac, d.w.z. een faktor 4 in het geval van 'H- C polansatieoverdracht. Voor een meer uitvoerige, quantumtheoretische, beschouwing van de DEPT-pulssequentie op zichzelf wordt verwezen naar het Amerikaans octrooischrift US 4.521.732 en naar het handboek “Principles of Nuclear Magnetic Resonance in One and Two Dimensions", van Ernst e.a., blz. 180-201, Oxford Science Publications 1987. Behalve voor CH-groepen kan de DEPT-pulssequentie ook werken op GH2- of CH3-groepen, of voor andere gekoppelde spinsystemen. In het geval van een C^-groep treedt maximale versterking op als p3 een 45°-puls is en in het geval van een CH3-groep als p3 een puls met een pulshoek van circa 35° is. Afzonderlijke spectra voor CH, CH2 en CH3 zijn waarneembaar uit combinaties van spectra verkregen met pulshoeken van p3 van respectievelijk 45°, 90° en 135°.

Fig. 3 laat een gemodificeerde DEPT-pulssequentie volgens de uitvinding zien, waarin evenals in fig. 2A de pulsen p1, p2, p3, p4 en p5, de gradiënten Gz, Gy en Gx en het magnetisch resonantiesignaal s worden getoond, echter met gemodificeerde tijdvakken tussen de pulsen. Op het tijdstip t1 wordt de puls p1 plakselectief gegeven, op t2 de puls p2 plakselectief en op t4 de puls p3 plakselectief, waardoor een 'H volumedeel wordt geselecteerd. De 'JC-pulsen p4 en p5 vallen niet samen met de pulsen p2 en p3 zoals in fig. 2A, maar worden erna gegeven op de tijdstippen t3 en t5, wanneer er geen selectiegradiënt wordt aangelegd. Het gewenste 13C resonantiesignaal afkomstig uit het op 1H geselecteerde volumedeel is rond tS waarneembaar. Het tijdvak t3-t4 is (2J) sec. Het 'H refaseringstijdvak t2-t4 dat gelijk is aan het tijdvak t1-t2 kan groter gekozen worden dan (2J)-1, evenals het refaseringstijdvak t5-t6 dat gelijk is aan het tijdvak t3-t5 voor 13C. De gradiënten Gx, Gy en G2 worden zodanig gekozen dat er gradiëntcompensatie is. Na t1 is de tijdsintegraal over Gz nul, aan weerszijden van t2 is de tijdsintegraal over Gy gelijk en ook voor Gx is aan voorwaarden voor gradiëntcompensatie voldaan. Zo is in een eerste voorbeeld aan weerszijden van t4 de tijdsintegraal over Gx gelijk zodat de ^3C en ^H spins effectief geen gradiënt "voelen". Een alternatief voor Gx is met Gx' aangegeven.

Er zullen nu verdere modificaties van de getoonde DEPT-pulssequenties volgens de uitvinding worden beschreven. De DEPT- • 1 ? pulssequentie kan worden voorafgegaan door een op C gegeven verzadigmgspuls op het lichaam, d.w.z. de C magnetisatie wordt eerst nul gemaakt. Het waargenomen C signaal is uitsluitend afkomstig van C kernen die zijn gekoppeld aan gelocaliseerd geëxciteerde protonen. Dan is ook een faseschakeling van de puls p3r die nodig kan zijn om signalen van CHn~groepen van buiten het geselecteerde volumedeel te elimineren overbodig. De DEPT-pulssequentie volgens de uitvinding kan ook worden uitgevoerd door alleen de puls p1 plakselectief te laten zijn in combinatie met verdere selectie via de

oppervlaktespoel 29 van de inrichting. De oppervlaktespoel 29 voor 13C

pulsen dient ontkoppeld te zijn van de lichaamsspoel 10 voor pulsen. Er wordt een zodanige combinatie van de gradiënten Gx, Gy en Gz gekozen dat er effectief een gradiënt geschakeld wordt die een plak loodrecht op de as van de oppervlaktespoel 29 selecteert. De pulsen p4 en p5 moeten in de geselecteerde plak goed gedefinieerd zijn, d.w.z.

nagenoeg 90°- en 180°-pulsen zijn in de plak. Een eventuele verzadigingspuls op de °C kernspms wordt m het laatst beschreven geval met behulp van de oppervlaktespoel gegeven. Faseschakeling en verzadiging is op zichzelf beschreven in genoemd Amerikaans octrooischrift US 4.521.732.

Binnen het kader van de uitvinding zijn voor de vakman vele variaties mogelijk. Behalve voor het beschreven CHn-systeem is de werkwijze toepasbaar voor bijvoorbeeld 3 19F of 15K isotopen t Λ die met H gekoppeld zijn binnen een molecuul. Ook kan in plaats van met een DEPT-pulssequentie voor polarisatieoverdracht bijvoorbeeld een INEPT-pulssequentie gebruikt worden ("Insensitive nuclei enhancement by polarization transfer"). Een dergelijke pulssequentie vervormt wel het spectrum. Volgens de uitvinding worden dan de pulsen op % in INEPT vlakselectief gemaakt. INEPT is bijvoorbeeld beschreven in een artikel van Morris en Freeman, “Enhancement of Nuclear Magnetic Resonance by Polarization Tranfer“, Journal of the Am. Chem. Soc., blz. 760-762, 101:3, jan. 1979. Ook kunnen de polarisatieoverdracht-pulssequentïes in de vorm van "multiple volume" worden gegeven; er worden in wachttijden voor herstel van evenwichtsmagnetisatie andere volumina gemeten.

Claims (14)

1. Werkwijze voor het bepalen van een spectrum uit ten minste één magnetisch resonantiesignaal dat wordt opgewekt in een volumedeel van een lichaam, dat een eerste en een tweede type kern bevat en dat in een stationair homogeen magnetisch veld is geplaatst, in welke werkwijze het resonantiesignaal wordt verkregen door polarisatieoverdracht van kernspins van het eerste type kern naar kernspins van het tweede type kern in een eerste en een tweede pulssequentie van hoogfrequent elektromagnetische pulsen, welke pulssequenties althans gedeeltelijk samenvallen, waarbij de eerste pulssequentie een eerste, een tweede en een derde hoogfrequentpuls bevat, de tweede pulssequentie een vierde en een vijfde hoogfrequent puls bevat en de pulsen onderling door wachttijden gescheiden zijn, met het kenmerk, dat een selektie van het volumedeel gebeurt tijdens het aanleggen van de hoogfrequent pulsen ten minste onder gebruikmaking van een eerste plakselectieve veldgradiënt die samenvalt met de eerste hoogfrequent puls.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de selectie van het volumedeel verder gebeurt door het aanleggen van een tweede en een derde plakselectieve veldgradiënt die respectievelijk met de tweede en de derde hoogfrequent puls samenvallen, waarbij de eerste, tweede en derde veldgradiënt respectieve excitaties van kernspins beperken tot elkaar onderling snijdende plakken.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de selectie van het volumedeel verder gebeurt door het geven van de vierde en vijfde hoogfrequent puls met een oppervlaktespoel, waarbij met de eerste gradiënt een plak wordt geselecteerd loodrecht op een as van de oppervlaktespoel.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de eerste en de tweede pulssequentie samen een DEPT-pulssequentie vormen.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de wachttijd tussen de vierde en de derde hoogfrequent puls een oneven aantal malen (2J)“^ sec. bedraagt, waarin J een koppelingskonstante is tussen kernspins van het eerste en van het tweede type, en de overige wachttijden tussen de hoogfrequent pulsen onderling en de wachttijden tot acquisitie van het resonantiesignaal groter of gelijk zijn aan het oneven aantal malen (2J)“^ sec.

6. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de wachttijd tussen de eerste en de vierde hoogfrequent puls een oneven aantal malen (2J)~1 sec. bedraagt en de overige wachttijden tussen de hoogfrequent pulsen onderling en een wachttijd tot acquisitie van het resonantiesignaal groter zijn dan het oneven aantal malen (2J)-1.

7. Werkwijze volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de eerste en de tweede pulssequentie samen een INEPT-pulssequentie vormen.

8. Werkwijze volgens één der conclusies t t/m 7, met het kenmerk, dat de kernspins van het eerste en van het tweede type kern een CHn-systeem vormen, waarin C koolstof, H waterstof en n een geheel positief getal is.

9. Werkwijze volgens één der conclusies 1 t/m 8, met het kenmerk, dat ter onderdrukking van signalen afkomstig van gekoppelde kernen van het eerste en tweede type van buiten het geselecteerde volumedeel en van niet gekoppelde kernen van het tweede type, faseschakeling op ten minste één hoogfrequent puls wordt toegepast en het spectrum wordt bepaald uit met tegengestelde fasen verkregen resonantiesignalen.

10. Werkwijze volgens één der conclusies 1 t/m 8, met het kenmerk, dat de eerste en de tweede pulssequentie worden voorafgegaan door een op de kernspins van het tweede type inwerkende hoogfrequent verzadigingspuls, gevolgd door een defaseringsgradiënt.

11. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de verzadigingspuls een 90° hoogfrequent puls van het type adiabatisch snelle doorgang is.

12. Werkwijze volgens één der voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat binnen een longitudinale relaxatietijd van een magnetisatie voor een volume geselecteerd met ten minste één plakselectieve veldgradiênt ten minste in één ten opzichte van het volume verschoven volume resonatiesignalen worden opgewekt met hoogfrequent pulssequenties die overeenkomen met de eerste en de tweede pulssequentie.

13. Inrichting voor het bepalen van een spectrum uit ten minste één magnetisch resonantiesignaal, welke inrichting middelen voor het opwekken van een stationair homogeen magnetisch veld, middelen om met gebruikmaking van hoogfrequent elektromagnetische pulsen resonantiesignalen op te wekken in een volumedeel van een lichaam door polarisatieoverdracht van kernspins van een eerste type kern in het lichaam naar kernspins van een tweede type kern in het lichaam, middelen voor het opwekken van ten minste één magnetische veldgradiënt, middelen voor het ontvangen, detekteren en bemonsteren van het magnetisch resonantiesignaal en weergeefmiddelen voor het weergeven van het spectrum bevat, en voorts verwerkingsmiddelen bevat die zijn voorzien van geprogrammeerde rekenmiddelen voor het bepalen van het spectrum uit de met de middelen voor het bemonsteren verkregen bemonsteringswaarden, met het kenmerk, dat de geprogrammeerde rekenmiddelen er verder voor zijn ingericht om de middelen voor het opwekken van de resonantiesignalen zodanig aan te sturen dat een selectie van het volumedeel gebeurt tijdens het aanleggen van de hoogfrequent pulsen ten minste onder gebruikmaking van een met de middelen voor het opwekken van de ten minste ene magnetische veldgradiënt opgewekte eerste plakselectieve veldgradiënt.

14. Inrichting volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat de geprogrammeerde middelen er voorts voor zijn ingericht om de middelen voor het opwekken van de resonantiesignalen aan te sturen voor het met de middelen voor het opwekken van de ten minste ene magnetische veldgradiënt opwekken van een tweede en een derde plakselectieve veldgradiënt ter verdere selectie van het volumedeel tijdens het aanleggen van de hoogfrequent pulsen voor het opwekken van de resonantiesignalen.