WO1990013827A1 - Verfahren zur aufnahme von spinresonanzspektren und zur spinresonanz-bildgebung - Google Patents

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WO1990013827A1
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PCT/DE1990/000310
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Alexander KNÜTTEL
Rainer Kimmich
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Bruker Medizintechnik Gmbh
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    • G01R33/48—NMR imaging systems
    • G01R33/483—NMR imaging systems with selection of signals or spectra from particular regions of the volume, e.g. in vivo spectroscopy
    • G01R33/4833—NMR imaging systems with selection of signals or spectra from particular regions of the volume, e.g. in vivo spectroscopy using spatially selective excitation of the volume of interest, e.g. selecting non-orthogonal or inclined slices
    • G—PHYSICS
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    • G01R33/54—Signal processing systems, e.g. using pulse sequences ; Generation or control of pulse sequences; Operator console
    • G01R33/56—Image enhancement or correction, e.g. subtraction or averaging techniques, e.g. improvement of signal-to-noise ratio and resolution

Definitions

  • the invention relates to a method for recording nuclear magnetic resonance spectra and for spin resonance imaging of samples with at least three groups of nuclei of the same kernel, of which a first group is coupled to a second group is, while a third group is uncoupled from the second group, but has a chemical shift that only coincides essentially with that of the first group, the signal of the third group being suppressed for the sole representation of the signal of the first group.
  • the invention further relates to a method for recording nuclear magnetic resonance spectra of samples with at least three groups of nuclei, of which a first group of a first type of nucleus is coupled to a second group of a second type of nucleus, while a third group of the first type of nucleus is uncoupled from the second group , but has a chemical shift that only coincides essentially with that of the first group, the signal of the third group being suppressed for the sole representation of the signal of the first group.
  • the invention relates generally to a method for recording spin resonance spectra of samples with at least three groups of spins, a first group being coupled to a second group while a third group being uncoupled to the second group, but a signal having a spectral position which essentially only coincides with that of the first group, the signal of the third group being suppressed for the sole representation of the signal of the first group.
  • Differential measuring methods also have the fundamental disadvantage that, as a result of the subtraction of high interference signal amplitudes, measurement errors can occur which are in the same order of magnitude as the useful signal.
  • volume-selective nuclear magnetic resonance spectra is a known technique, examples can be found in the textbook by Wehrli, Felix W., Arthur Shaw and J. Bruce Kneeland “Bio-medical Magnetic Resonance Imaging", Verlag Chemie, 1988, pages 1 to 45 and 521 to 545.
  • both coupling partners consist of the same nucleus, e.g. of protons ( 1 H), while in the case of heteronuclearly coupled spin systems the coupling partners belong to different nucleus types, e.g. the A group to the protons ( X H) and the X group a carbon isotope ( 13 C).
  • the methyl group (CH3) has about the same chemical shift, ie position of the line in the spectrum, as the CH2 group of lipid, because both chemical shifts are around 1.35 ppm lie.
  • the CH2 signal of the lipid obscures the CH3 signal of the lactate.
  • an A3X system such as methanol with y 3 C enrichment.
  • the invention is based on the object of developing a method of the type mentioned at the outset such that volume-selective measurements on biological samples, in particular on patients, are possible with a single pulse sequence.
  • this object is achieved according to the invention by that a pulse sequence of three high-frequency pulses, preferably 90 ° high-frequency pulses, is radiated onto the sample,
  • the second high-frequency pulse is set such that the magnetization of the cores of the first group and the second group is transferred by means of coherence transfer into a state of two-quantum coherence that in the time interval between the second high-frequency pulse and the third high frequency
  • a first gradient magnetic field pulse of a predetermined pulse area dephasing for the two-quantum coherence is exerted on the sample in such a way that the third high-frequency pulse is set in such a way that the two-quantum coherence by means of coherence transfer is again converted into a state of single-quantum coherence of the nuclei of the first group and that a second gradient magnetic field pulse, which is rephased for the nuclei of the first group, is then exerted on the sample, the pulse area of which is dimensioned twice as large like that of the first gradient magnetic field pulse.
  • the object on which the invention is based is achieved on the one hand in that a pulse train of four high-frequency pulses, preferably three 90 ° high-frequency pulses and one I80 ° high-frequency pulse, is irradiated onto the sample, - That the second high-frequency pulse is set such that the magnetization of the cores of the first group belonging to the first type of nucleus is transferred into a state of multi-quantum coherence by means of coherence transfer, that in the time interval between the second high-frequency pulse and the fourth high frequency Pulse at least one first gradient magnetic field pulse dephasing for the multi-quantum coherence with regard to the second group is exerted on the sample,
  • a pulse sequence of at least three high-frequency pulses, preferably 90 ° high-frequency pulses, is radiated onto the sample, that at least the second high-frequency pulse is set in such a way that the magnetization of the spins of the first group is transferred to a state of multi-quantum coherence by means of coherence transfer, that after the second high-frequency pulse at least one first gradient dephasing for the multi-quantum coherence Magnetic field pulse of a predetermined pulse area is exerted on the sample,
  • At least one further of the high-frequency pulses is set in such a way that the multi-quantum coherence is then transferred back to the single-quantum coherence by means of coherence transfer and that finally a second gradient magnetic field pulse rephasing for the spins of the first group the sample is exercised, the pulse area of which is k times the pulse area of the first gradient magnetic field pulse, k preferably being the quotient of the gyromagnetic ratios of the spins involved.
  • the invention namely uses a trick by converting the magnetization of the first group of nuclei of interest into a different quantum state for a certain time interval by means of coherence transfer.
  • this is coded, in order then to be transferred from the second group to the first group again by coherence transfer and also to be re-phased, ie to be decoded again, during this time the interfering signal the third group, which had remained in the spectral range since then, is suppressed.
  • a defined dephasing can be carried out with a predetermined pulse area of the gradient magnetic field pulse in a double or multi-quantum state, and the rephasing can then also take place in a defined manner in the single-quantum state if the pulse area is in the ratio of the gyromagnetic Ratios is changed.
  • the information of interest namely the magnetization of the nuclei of the first group
  • the information of interest is brought into a two- or multi-quantum state for a short period of time and encoded by dephasing, in order then to retransfer the information of interest, after which the the first group of interest is re-phased (decoded) and the third group of no interest is thereby signal-cleared because their spins do not re-phase due to the changed pulse area.
  • the dephasing effect of a field gradient ie a gradient magnetic field pulse
  • a field gradient ie a gradient magnetic field pulse
  • the rephasing and dephasing gradients are consequently weighted inversely.
  • the prerequisite for rephasing the single-quantum coherence to be verified is that the dephasing has taken place in a multi-quantum coherence state. Since this can only apply to the coupled spins, but not to the uncoupled spins, which in principle cannot form multi-quantum coherences, signals of the latter are suppressed.
  • the effect of a field gradient on coherences depends on the gyro-agnetic ratio.
  • the gyromagnetic relationships of all nuclei participating in the multi-quantum coherence are taken into account.
  • the dephasing effect with respect to one core type (for example the spins of the first group A) is now compensated for by a refocusing pulse, so that the dephasing in the interval of the multi-quantum coherence only depends on the gyromagnetic ratio of the hetero core of the second Group is determined during the rephasing in the subsequent interval of single-quantum coherence according to the gyromagnetic ratio of the other nucleus he follows.
  • the weighting of the dephasing and rephasing field gradients inversely to the effective gyromagnetic conditions leads to a selective refocusing of the heteronuclear coupled spins.
  • coherences of the uncoupled spins which in principle cannot form multi-quantum coherences, are not refocused and corresponding signals are thus suppressed.
  • the sample is exposed to a sequence of gradient magnetic field pulses of different coordinate directions in a manner known per se for disk- or volume-selective display, and at least one to three of the high-frequency pulses are disk-selective set.
  • the method is carried out on lactate samples.
  • This application is particularly important in biomedicine.
  • a high-frequency presaturation pulse which is selective for the cores of the second group and then a gradient magnetic field pulse which dephases these cores is irradiated onto the sample before the first 90 ° high-frequency pulse is irradiated .
  • the first and the second gradient magnetic field pulses are positioned in the time axis relative to the high frequency pulses in such a way that no stimulated echoes of uncoupled spins are generated.
  • This measure has the advantage that a stimulated echo, namely of unwanted uncoupled spins that could be refocused via the second and third 90 ° high-frequency pulse, is again dephased, because such unwanted refocussing is only possible with a symmetrical surface, i.e. the product of the intensity and length of the gradient magnetic field pulses to the high-frequency pulses could occur.
  • the time period that is set between the first and the second 90 ° high-frequency pulse and between the third 90 ° high-frequency pulse and the start of the spectra recording is also not critical, because a deviation from the theoretical value 1 / (2J) at An system or 1 / ⁇ 4J) in the AnXz system would only mean a certain signal loss if the transverse relaxation times T2 are much longer than the pulse sequence. With shorter relaxation times T2, however, shorter intervals may be more favorable.
  • the method according to the invention is supplemented by further measures known per se. These measures include, for example, the acquisition of the complete echo in time symmetry around the point, which is at a time interval ⁇ _ after the third 90 ° high-frequency pulse.
  • the gradient magnetic field pulses by varying the gradient magnetic field pulses and by applying a reading gradient over the echo with subsequent Fourier transformation, it is possible to perform an imaging, i.e. to achieve a pictorial representation of a two- or three-dimensional area.
  • a section of a measurement object e.g. in an in vivo measurement of a body organ with increased spatial resolution.
  • the method according to the invention can be integrated into known imaging methods, e.g. in the 2D-FT method with phase and reading gradient or in the back projection method with reading gradient at a variable angle or in chemical shift imaging, i.e. spatially resolved spectroscopy with two phase gradients (without reading gradient).
  • Fig. 1 is an extremely schematic representation of a
  • FIG. 2 shows a diagram for illustrating multi-quantum transitions using the example of an AX system
  • FIG. 3 shows a pulse program for explaining an exemplary embodiment of the method according to the invention for a homonuclearly coupled system
  • FIG. 4 shows an illustration of a first test sample for verifying the properties of the exemplary embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 8 shows an illustration, similar to FIG. 1, but for a heteronuclearly coupled system
  • 9A shows an impulse program for explaining an exemplary embodiment of the method according to the invention for heteronuclear coupled systems
  • FIG. 9B shows a variant of the pulse program of FIG. 9A
  • FIG. 11 shows a nuclear magnetic resonance spectrum, similar to FIG. 10, but which was recorded by the method according to the invention according to FIG. 9;
  • FIG. 12 shows an impulse program, similar to FIG. 9, but for the case of two- or three-dimensional imaging methods
  • FIG. 13 is a two dimensional representation of a methanol ball with natural l 3 C content environment in a Wasser ⁇ , taken with an imaging method according to the prior art;
  • FIG. 14 shows the representation of FIG. 13, but with the imaging two-dimensional method according to FIG. 12.
  • FIG. 1 shows in an extremely schematic manner on a baseline 1 a nuclear magnetic resonance spectrum of lactate, a system in which there is a J coupling between the protons of the CH3 group (A line at 1.35 ppm) and the proton of the CH Group (X line at 4.1 ppm).
  • the A line of the CH3 group of the lactate is covered by the much more intense B-line of the CH2 group of the surrounding lipid, because biological samples often have a much higher lipid concentration.
  • Fig. 2 shows schematically four energy levels 2, 3, 4, 5 of different heights.
  • the energy level 2 corresponds to the quantum state ⁇ , the energy level 3 to the quantum state ⁇ ß, the energy level 4 to the quantum state ⁇ and the energy level 5 to the quantum state ⁇ ß.
  • the single-quantum transitions take place between energy levels 2 and 3 or 4 and 5, which manifests itself in the spectrum in the form of a doublet.
  • DQ two-quantum transitions
  • ZQ zero-quantum transitions
  • the method according to the invention is now intended to prepare the A line from the superimposed spectrum by suitable editing.
  • the pulse program shown in FIG. 3 is used for this.
  • the pulse program is used to carry out a volume-selective measurement, it being understood that the method according to the invention is not restricted to volume-selective measurements.
  • the pulse program of Fig. 3 shows in the top line high-frequency pulses, including one in nuclear magnetic resonance technology understands keyed high-frequency signals with a defined envelope contour.
  • gradient magnetic field pulses G *, Gy and Gz are plotted for the three coordinate directions x, y and z.
  • the pulses marked with the symbol " ⁇ " in Fig. 3 are so-called “slice gradients”, i.e. Gradient pulses serving to select a spatial disk, while the pulses marked with the symbol “ ⁇ ” represent so-called “trim gradients”, i.e. Gradients preceding or following the slice gradients, which serve to focus the coherence.
  • the impulses marked with the symbol " ⁇ ” represent so-called “spoil gradients”, with which it is possible to dephase or rephase specific coherences in a targeted manner and thus to delete or revive their magnetization as a signal.
  • the gradient magnetic field pulses can be speed and acceleration compensated, as is known per se, for example from US-Z "Journal of Magnetic Resonance", 77 (1988), page 596.
  • a so-called high-frequency presaturation pulse or a corresponding dephasing gradient, or both can first be used in a manner known per se, before the pulse sequence of FIG. 3 begins, in order to magnetize the X group and possible others to delete disturbing signals, such as those from water, so that they can be neglected for the further procedure.
  • the actual method according to the invention begins with a first high-frequency pulse, preferably a 90 ° high-frequency pulse 10, which is radiated onto the sample in the x direction during the action of a first slice gradient 11 with a subsequent trim gradient 12.
  • a first high-frequency pulse preferably a 90 ° high-frequency pulse 10
  • the first 90 ° high-frequency pulse 10 is a so-called soft pulse, which has, for example, an envelope sinx / x and is present in the presence of a magnetic field gradient in x, y or z -Direction disc-selective.
  • the first 90 ° high-frequency pulse 10, like the further 90 ° high-frequency pulses, which will be explained further below, does not act selectively with regard to the chemical shift.
  • the pulse angles of the 90 ° high-frequency pulses are relatively uncritical. In principle, the pulse angle only has to be greater than 0 °.
  • the first "90 °" high-frequency pulse can be set as a so-called "ERNST" angle, which is less than 90 °. This angle allows a short repetition time for imaging measurements (imaging). It is also possible to replace the first 90 ° high-frequency pulse 10 by a temporally staggered pulse sequence comprising a 90 ° high-frequency pulse and a 180 ° high-frequency pulse which is selective for the A magnetization, in order to avoid interference signals, for example from water, to suppress even better.
  • the magnetization of the A group - more generally expressed - is approximately 1/2 by polarization transfer, 1/4 in a double quantum coherence and another 1/4 in a zero quantum -Coherence (in experiments with heteronuclear coupled spin systems: in a multi-quantum coherence) transferred.
  • the portion which is transferred by coherence transfer should be considered.
  • the portion of 1/2 that is transferred by way of polarization transfer should be considered.
  • the disclosure content of that application is also made the disclosure content of the present application by this reference.
  • the second 90 ° high-frequency pulse 13 causes the antiphase magnetization of the A group, and only this, to be converted from its single-quantum state into a double-quantum state by coherence transfer, which is due to the J coupling between the A group and the X group (CH) is possible with a certain chemical shift, while the B magnetization cannot be transferred due to the lack of a corresponding coupling.
  • the resulting double quantum coherence is a directly unobservable phenomenon. Further details on the theory of quantum transfer can be found in the aforementioned book by Sanders, op. Cit. , Page 121, ff. As a result of the double quantum state, the coherence evolves with twice the resonance frequency.
  • a third 90 "high-frequency pulse 17 is radiated onto the sample, which ensures that the double-quantum state is converted back into the single-quantum state of the A group.
  • the time interval Xz between the second high-frequency pulse 13 and the third high-frequency pulse 17 is set as short as possible.
  • the back-transferred magnetization now evolves in the subsequent ti interval to an in-phase magnetization, which is recorded and displayed in a recording interval AQ as free induction decay (FID) using known Fourier processing methods from time C at which an echo maximum occurs can be. Only the "right" side of the echo, i.e. from time C, added.
  • FID free induction decay
  • the A magnetization is rephased in a defined manner by the spoil gradients 19, ie again is decoded.
  • the pulse length of the trim gradient 19 is twice as long as the pulse length tz of the spoil gradient 15.
  • FIG. 4 schematically shows a sample 30 in which a ball 31 of approximately 1 cm 3 volume with a mixture of 50% pure acetate and 50% pure lactate is located in an environment 32 made of water.
  • FIG. 6 shows a measurement according to the method according to the invention with a pulse program according to FIG. 3, with otherwise unchanged experimental conditions, apart from a scaling factor 4 in the signal display. It can be clearly seen from FIG. 6 that the CH3 signal at 1.35 ppm, taking this scaling factor into account, is approximately the same as that in the spectrum of FIG. 5. The uncoupled spins of the acetate, on the other hand, have practically disappeared.
  • FIG. 7 shows a control measurement in which the volume selectivity of the method according to the invention was checked.
  • li, I2 ... is assigned to the A group, e.g. for the ⁇ 3X system (acetate), this is the CH3 group and I a + ⁇ corresponds to the X group, e.g. for the A3X system (acetate) this is the CH group.
  • nn ⁇
  • 2 Ikx I (n + l) z COS ⁇ i + 2 Iky I.n + i. z sin ⁇ i I k l
  • the second 90 ° high-frequency pulse 13 which can have a y-phase or any other phase, effects the double quantum transfer, i.e. the transfer of the A magnetization to an unobservable two-quantum coherence.
  • the zero-quantum coherence is spoiled away by gradients. The following now applies:
  • the third 90 ° high-frequency pulse 17 (x phase) now causes a double quantum back transfer of the X magnetization into an observable anti-phase A magnetization:
  • n ⁇ 1 V> "" 1 2 Ikx I ⁇ n + i) z cos ⁇ i cos (2 ⁇ 2)
  • FIG. 8 shows a hetero-nuclear coupled system in a representation similar to FIG. 1.
  • a heteronuclearly coupled spin system can be, for example, the spin system of glucose, glycogen or 13 C-enriched naturally occurring substances or medicaments which are of great interest for biomedical research. These systems allow conclusions to be drawn about the metabolism in organic tissue.
  • the variants of the method according to the invention explained below are used in heteronuclearly coupled systems in which there are couplings between different types of nuclei, illustrated using the example of protons ( 1 H) and 13 C.
  • the excitation and the signal reception on the proton side provide a maximum signal intensity.
  • large signal components from uncoupled spins, such as water, fat or, in the case of natural * ⁇ 3 C occurrence (1%), the main lines, must be completely suppressed in order to be able to indirectly detect the J-coupled * 3 C satellites.
  • heteronuclearly coupled spin systems on the proton side can be edited, ie prepared, while at the same time the interfering coupled and uncoupled signals are completely suppressed.
  • the representation of FIG. 9A corresponds completely to that of FIG. 3 with regard to the symbols used, only on the radio frequency side two axes X H and 13 C were used for the two types of core.
  • the signal namely the A doublet
  • the proton side in this variant of the method, where, owing to the three protons present there, a higher signal intensity occurs than on the 13 C side with the only nucleus present there would.
  • a high-frequency pulse namely a 90 ° high-frequency pulse 40
  • a slice gradient 41 with subsequent trimming gradient 42 becomes in the x direction and a sequence of a trimming gradient 43, a slice gradient 44 and another in the y direction Trimming gradient 45 and a trimming gradient 51, a slice gradient 52 and a further trimming gradient 53 connected in the z direction.
  • a first multiple-quantum transfer then takes over a irradiated to 13 C-side, and as a result of the slice gradient 44 slice-selective 90 ° rf pulse instead of 46, side C during the subsequent multi-quantum transfer back via a further 13 and obstn ⁇ due to the slice gradient 52 selective 90 ° - High frequency pulse 49 takes place.
  • the subsequent time interval X3 to echo C is usually as long in time as the first time interval Xi.
  • phase position of the high-frequency pulse 49 can be chosen as desired because the spoil gradients 47, 48 have previously caused the multi-quantum state to be dephased.
  • the generation of stimulated echoes of uncoupled protons is prevented by asymmetrical gradients in the proton interval.
  • FIG. 9A shows in the x direction that in the 13 C interval of length 2, two spoil gradients 47, 48 are exerted on the sample in a time-symmetrical manner to a 180 ° high-frequency pulse 50, the two spoil gradients 47, 48 having the same poles. Due to the four times smaller gyro-magnetic ratio of 13 C to protons, the gradients in the 2 interval must be four times larger, which is indicated by the four symbols "". Another spoil gradient 54 is placed in time in the x direction after the third 90 ° high-frequency pulse 49.
  • the effective areas of the gradient pulses 47, 48, 54 are dimensioned in such a way that the different gyro-magnetic relationships in the different quantum states are taken into account.
  • the I80 "high-frequency pulse 50 which can act selectively with regard to the chemical shift, on the one hand neutralizes the effect of the spoil gradients 47, 48 on the protons, it also refocuses the influence of the chemical shift and the magnetic field inhomogeneity, or the At the end of the time interval X2, the proton side is exactly in an undisturbed state, which is a prerequisite for the isolated reproduction of the A magnetization after the multi-quantum pressure transfer. This is because the multi-quantum state is in contrast to the polarization transfer, the affects only one type of nucleus ( X H or 13 C) in isolation, always affects both sides.
  • FIG. 9B shows a variant of the previously explained pulse program of FIG. 9A, specifically with regard to the two G x spoil gradients 47 and 48.
  • the spoil gradients 47 and 48 in cooperation with the 180 "pulse 50 have the sense that everything that was previously dephased can be rephased by the 180 ° pulse 50. If so corresponding to the variant of FIG. 9B, the spoil gradient 47 ' and 48 'is given a different polarity, this only affects the undesired, uncoupled spins (of the water), which are dephased even better in this way, namely by a factor of 5. The measure of different polarity has an effect on the other hand, do not look for the desired coupled spins that are not affected by it.
  • FIG. 10 shows a nuclear magnetic resonance spectrum, in which a sample of the type of FIG. 4 was used, in which a sphere surrounded by water with a volume of one cubic centimeter was filled with methanol enriched with 13 C. 10 is recorded with a non-editing three-pulse sequence according to the prior art at a magnetic field strength of 4.7 T during one pass.
  • FIG. 11 shows a nuclear magnetic resonance spectrum that was recorded with a pulse sequence according to FIG. 9. It can be seen that the CH3 signal at 3 ppm is approximately the same as that in FIG. 10, but the uncoupled spins at 4.7 ppm have practically disappeared.
  • FIG. 12 shows a pulse program, similar to that of FIG. 9, for the case of two- or three-dimensional imaging.
  • the conditions are unchanged, ie we have a first one 90 ° high-frequency pulse 60 on the proton side, a second 90 "high-frequency pulse 61 on the 13 C side, a third 90 ° high-frequency pulse 62 again on the 13 C side and symmetrical to the latter two pulses 61, 62 , ie in the middle of the X2 time interval a 180 "high-frequency pulse 63 on the proton side.
  • the echo can be recognized after the time interval X3 has elapsed.
  • FIG. 12 it is also indicated on the 3 C axis with DC that decoupling can also be carried out in the experiments of the type of interest here.
  • a phase gradient 65 can be seen on the x-axis, while a trimming gradient 66 and a reading gradient 67 can be seen on the y-axis.
  • FIG. 13 and 14 show the effect of the imaging method according to the invention.
  • Fig. 13 shows a conventional representation of a ball of pure methanol with a natural 13 C content in a water environment. The water environment is clearly recognizable as a rectangle.
  • 14, on the other hand shows a measurement on the same object, but with the editing two-dimensional method according to FIG. 12, and it can be clearly seen that the water environment is suppressed.

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Abstract

Ein Verfahren dient zur Aufnahme von Spinresonanzspektren von Proben mit mindestens drei Gruppen von Spins. Eine erste Gruppe ist mit einer zweiten Gruppe gekoppelt, während eine dritte Gruppe mit der zweiten Gruppe ungekoppelt ist, jedoch eine spektrale Lage, z.B. eine chemische Verschiebung aufweist, die nur mit derjenigen der ersten Gruppe im wesentlichen übereinstimmt. Zur alleinigen Darstellung des Signals der ersten Gruppe wird das Signal der dritten Gruppe unterdrückt. In an sich bekannter Weise wird eine Impulsfolge von drei Hochfrequenz-Impulsen (10, 13, 17) auf die Probe eingestrahlt. Der zweite Impuls (13) wird derart eingestellt, daß die Magnetisierung der Spins der ersten Gruppe und der Zweiten Gruppe mittels Kohärenztransfer in einen Zustand der Zwei-Quanten-Kohärenz übertragen wird. Sodann wird auf die Probe ein für die Zwei-Quanten-Kohärenz dephasierender, erster Gradienten-Magnetfeld-Impuls (15) einer vorbestimmten Impulsfläche (ε2) ausgeübt. Der dritte Hochfrequenz-Impuls (17) wird derart eingestellt, daß die Zwei-Quanten-Kohärenz mittels Kohärenztransfer wieder auf die Ein-Quanten-Kohärenz übertragen wird, die schließlich einem zweiten, für die Spins der ersten Gruppe (A) rephasierenden Gradienten-Magnetfeld-Impuls (19) ausgesetzt werden, dessen Impulsfläche das n-fache der Impulsfläche des ersten Gradienten-Magnetfeld-Impulses (15) beträgt.

Description

Verfahren zur Aufnahme von Soinresonanzspektren und zur Spinresonanz-Bildqebunα
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme von Kernre¬ sonanzspektren und zur Spinresonanz-Bildgebung von Proben mit mindestens drei Gruppen von Kernen derselben Kernar , von denen eine erste Gruppe mit einer zweiten Gruppe gekoppelt ist, während eine dritte Gruppe mit der zweiten Gruppe unge¬ koppelt ist, jedoch eine chemische Verschiebung aufweist, die nur mit derjenigen der ersten Gruppe im wesentlichen übereinstimmt, wobei zur alleinigen Darstellung des Signals der ersten Gruppe das Signal der dritten Gruppe unterdrückt wird.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Aufnahme von Kernresonanzspektren von Proben mit mindestens drei Gruppen von Kernen, von denen eine erste Gruppe einer ersten Kernart mit einer zweiten Gruppe einer zweiten Kernart gekoppelt ist, während eine dritte Gruppe der ersten Kernart mit der zweiten Gruppe ungekoppelt ist, jedoch eine chemische Verschiebung aufweist, die nur mit derjenigen der ersten Gruppe im wesent¬ lichen übereinstimmt, wobei zur alleinigen Darstellung des Signals der ersten Gruppe das Signal der dritten Gruppe unter¬ drückt wird.
Die Erfindung betrifft schließlich allgemein ein Verfahren zur Aufnahme von Spinresonanzspektren von Proben mit mindestens drei Gruppen von Spins, von denen eine erste Gruppe mit einer zweiten Gruppe gekoppelt ist, während eine dritte Gruppe mit der zweiten Gruppe ungekoppelt ist, jedoch ein Signal mit einer spektralen Lage aufweist, die nur mit derjenigen der ersten Gruppe im wesentlichen übereinstimmt, wobei zur alleinigen Darstellung des Signals der ersten Gruppe das Signal der dritten Gruppe unterdrückt wird.
In der Technik der Spinresonanz-Spektroskopie ist es bekannt, Spektren, bei denen Signale verschiedener Kerngruppen einander überlagern, zu "editieren". Hierunter versteht man verschiedene Auf ähmetechniken, mit denen es möglich ist, aus überlagerten Spektren Einzelsignale herauszufiltern. Üblicherweise geschieht dies, indem nacheinander mehrere Messungen mit unterschiedlichen Meßparametern ausgeführt und dann unerwünschte Signalanteile durch Differenzbildung eliminiert werden.
Beispiele derartiger Editiertechniken für Kernresonanz-Anwen¬ dungen sind in dem Lehrbuch von Sanders, Jere y K.M. und Brian K. Hunter "Modern NMR Spectroscopy", Oxford University Press, 1987, Seiten 237 bis 259 beschrieben. Weitere derartige Ver¬ fahren sind in der EP-OS 244 752 und der EP-OS 166 559 be¬ schrieben. Bei diesen weiteren bekannten Verfahren werden ungekoppelte Spins durch Differenzbildung zweier Messungen unterdrückt.
Die vorstehend beschriebenen Editiertechniken haben jedoch den gemeinsamen Nachteil, daß zur Aufnahme eines Spektrums mehrere, zeitlich versetzte Messungen mit unterschiedlichen Meßparametern durchgeführt werden müssen. Während dies bei langlebigen chemischen Proben in einem Labor kein wesentliches Problem darstellt, können sich erhebliche Probleme dann ergeben, wenn derartige Kernresonanzspektren an biologischen Proben, nämlich an lebendem Gewebe durchgeführt werden sollen. Dies gilt vor allem dann, wenn in-vivo-Messungen an Patienten durchgeführt werden und Bewegungsartefakte zu Meßwertverfäl¬ schungen führen können.
Differenzbildende Meßverfahren haben ferner den prinzipiellen Nachteil, daß infolge der Subtraktion von hohen Störsignal¬ amplituden Meßfehler auftreten können, die in derselben Größen¬ ordnung liegen wie das Nutzsignal. Es ist auch bekannt, Kernresonanzspektren volumenselektiv, d.h. nur für einen bestimmten, räumlich definierten Bereich einer Probe aufzunehmen. Diese Aufnahmetechnik hat besondere Bedeutung in der biologischen Forschung sowie der Medizin. Mit dieser Aufnahmetechnik ist es nämlich möglich, beispiels¬ weise an einem Patienten ein Kernresonanzspektrum eines bestimmten definierten Punktes in einem inneren Organ des Patienten aufzunehmen.
Die Aufnahme von volumenselektiven Kernresonanzspektren ist eine an sich bekannte Technik, Beispiele finden sich im Lehrbuch von Wehrli, Felix W. , Derek Shaw und J. Bruce Kneeland "Bio- medical Magnetic Resonance Imaging" , Verlag Chemie, 1988, Seiten 1 bis 45 und 521 bis 545.
Aus der US-Z "Journal of Magnetic Resonance", 67 (1986), Seite 148, ist z.B. das sogenannte SPARS-Verfahren und aus der US-Z "Journal of Magnetic Resonance", 68 (1986) , Seite 367, ist das sogenannte DIGGER-Verfahren bekannt. Bei diesen bekann¬ ten Verfahren handelt es sich um volumenselektive Verfahren, bei denen die Schichten außerhalb des selektierten Volumen¬ bereiches gesättigt werden, so daß nur noch der selektierte Volumenbereich übrig bleibt. Nachteilig bei diesen beiden bekannten Verfahren, insbesondere beim DIGGER-Verfahren, ist, daß eine hohe Hochfrequenzleistung benötigt wird, und bei beiden genannten Verfahren müssen die Vorsättigungs-Hochfre- quenzpulse sehr genau eingestellt werden, weil sonst zusätzliche Signale erzeugt werden.
Ein weiteres spezielles Verfahren zur volumenselektiven Aufnahme von Kernresonanzspektren unter Verwendung von drei zeitlich beabstandeten 90"-Hochfrequenz-Impulsen bei gleichzeitigem Anliegen verschiedener Gradiεnten-Magnetfeld-Impulse in unter¬ schiedlichen Koordinatenrichtungen ist auch in der DE-OS 34 45 689 beschrieben. Bei diesem bekannten Verfahren werden herkömmliche stimulierte Spin-Echos erzeugt.
Weitere ähnliche Verfahren sind aus der US-PS 4 680 546, der US-PS 4 703 270 sowie der US-Z- "Journal of Magnetic Resonance", Vol. 78, Seiten 205 bis 212; Vol. 81, Seiten 333 bis 338; Vol. 60, Seiten 337 bis 341 sowie Vol. 78, Seiten 355 bis 361 zu entnehmen.
Wenn nun das Kernresonanzspektrum an einem homonuklear oder heteronuklear gekoppelten Spinsystem der allgemeinen Form AnXm aufgenommen werden soll, wie dies für die biomedizinische Forschung von großem Interesse ist, weil derartige Messungen Rückschlüsse auf den Metabolismus im organischen Gewebe er¬ lauben, so stellt sich oft das Problem der Signalüberlappung. Bei einem homonuklear gekoppelten Spinsystem bestehen beide Kopplungspartner aus derselben Kernart, z.B. aus Protonen (1H) , während bei heteronuklear gekoppelten Spinsystemen die Kopplungspartner zu verschiedenen Kernarten gehören, z.B. die A-Gruppe zu den Protonen (XH) und die X-Gruppe zu einem Koh¬ lenstoff-Isotop (13C). Bei einem homonuklearen Beispielsfall von Lactat, einem A3X-System, hat z.B. die Methylgruppe (CH3 ) in etwa dieselbe chemische Verschiebung, d.h. Lage der Linie im Spektrum, wie die CH2 -Gruppe von Lipid, weil beide chemischen Verschiebungen ungefähr bei 1,35 ppm liegen. Da die Lipidkon- zentration in lebendem Gewebe jedoch wesentlich größer sein kann, verdeckt das CH2 -Signal des Lipids das CH3 -Signal des Lactats . Entsprechendes gilt allgemein für die Editierung von heteronnuklearen AnXm-Systemen, z.B. für ein A3X-System wie Methanol mit y 3 C-Anreicherung. Würde man nun im erstgenannten Beispielsfall eine volumenselek¬ tive Lactat-Messung in einer Lipid-U gebung mit den bekannten Editierungstechniken vornehmen, bei denen, wie erwähnt, zwei Messungen in zeitlicher Folge mit unterschiedlichen Parametern vorgenommen werden müssen, so ergäben sich Probleme dann, wenn sich der Patient während dieser beiden Messungen bewegt. Es entstehen dann nämlich Artefakte, durch die beide Messungen unterschiedlich beeinflußt werden, so daß bei einer anschließen¬ den Differenzbildung nicht nur die gewünschten isolierten CH3-Signale des Lactats, sondern auch die unerwünschten Lipid- Artefakte durch Editieren herauspräpariert werden.
Obwohl die Erfindung im Rahmen der vorliegenden Anmeldung anhand einer Anwendung auf dem Gebiet der Kernresonanz (NMR) erläutert wird, versteht sich, daß sie auch bei anderen Formen der Spinresonanz anwendbar ist, insbesondere bei der paramag¬ netischen Elektronenresonanz (EPR) oder Kern/Elektron-Doppel¬ resonanz-Techniken (ENDOR, ELDOR, NEDOR, Overhauser etc.).
Die Erfindung wird ferner am einfachen Beispiel der skalaren Kopplung (J) dargestellt, es versteht sich jedoch, daß Anwen¬ dungen auch bei anderen Kopplungsarten, z.B. der Dipolkopplung, möglich sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß mit einer einzigen Impulsfolge volumenselektive Messungen an biologischen Proben, insbesondere an Patienten, möglich sind.
Bei dem eingangs zunächst genannten Verfahren zur Aufnahme von Kernresonanzspektren an homonuklearen Systemen wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Impulsfolge von drei Hochfrequenz-Impulsen, vorzugsweise 90° -Hochfrequenz-Impulsen, auf die Probe eingestrahlt wird,
- daß der zweite Hochfrequenz-Impuls derart eingestellt wird, daß die Magnetisierung der Kerne der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe mittels Kohärenztransfer in einen Zustand der Zwei-Quanten-Kohärenz überführt wird, daß im Zeitintervall zwischen dem zweiten Hochfrequenz- Impuls und dem dritten Hochfrequenz-Impuls ein für die Zwei-Quanten-Kohärenz dephasierender, erster Gradien¬ ten-Magnetfeld-Impuls einer vorbestimmten Impulsfläche auf die Probe ausgeübt wird, daß der dritte Hochfrequenz-Impuls derart eingestellt wird, daß die Zwei-Quanten-Kohärenz mittels Kohärenz¬ transfer wieder in einen Zustand der Ein-Quanten-Kohärenz der Kerne der ersten Gruppe überführt wird und daß sodann ein für die Kerne der ersten Gruppe rephasie- render, zweiter Gradienten-Magnetfeld-Impuls auf die Probe ausgeübt wird, dessen Impulsfläche doppelt so groß bemessen ist wie die des ersten Gradienten-Magnet- feld-Impulses.
Bei dem eingangs als zweites genannten Verfahren zur Aufnahme von Kernresonanzspektren an heteronuklearen Systemen wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe einerseits dadurch gelöst, daß eine Impulsfolge von vier Hochfrequenz-Impulsen, vorzugsweise drei 90° -Hochfrequenz-Impulsen und einem I80°-Hochfrequenz-Impuls, auf die Probe eingestrahlt wird, - daß der zweite Hochfrequenz-Impuls derart eingestellt wird, daß die Magnetisierung der Kerne der der ersten Kernart angehörenden ersten Gruppe mittels Kohärenz¬ transfer in einen Zustand der Mehrquanten-Kohärenz überführt wird, daß im Zeitintervall zwischen dem zweiten Hochfrequenz- Impuls und dem vierten Hochfrequenz-Impuls mindestens ein für die Mehrquanten-Kohärenz hinsichtlich der zweiten Gruppe dephasierender, erster Gradienten-Magnetfeld- Impuls einer vorbestimmten Impulsfläche auf die Probe ausgeübt wird,
- daß im Zeitintervall zwischen dem zweiten Hochfrequenz- Impuls und dem vierten Hochfrequenz-Impuls ein für die Mehrquanten-Kohärenz hinsichtlich der ersten Gruppe refokussierender, dritter Hochfrequenz-Impuls auf die Probe eingestrahlt wird;
- daß der vierte Hochfrequenz-Impuls derart eingestellt wird, daß die Mehrquanten-Kohärenz mittels Kohärenz¬ transfer wieder in einen Zustand der Ein-Quanten-Kohärenz der Kerne der ersten Gruppe überführt wird und
- daß sodann ein für die Kerne der ersten Gruppe rephasie- render, zweiter Gradienten-Magnetfeld-Impuls auf die Probe ausgeübt wird.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe kann ferner für den allgemeinen Fall der Spinresonanz dadurch gelöst werden,
- daß eine Impulsfolge von mindestens drei Hochfrequenz- Impulsen, vorzugsweise 90°-Hochfrequenz-Impulsen, auf die Probe eingestrahlt wird, daß mindestens der zweite Hochfrequenz-Impuls derart eingestellt wird, daß die Magnetisierung der Spins der ersten Gruppe mittels Kohärenztransfer in einen Zustand der Mehrquanten-Kohärenz übertragen wird, daß nach dem zweiten Hochfrequenz-Impuls mindestens ein für die Mehrquanten-Kohärenz dephasierender, erster Gradienten-Magnetfeld-Impuls einer vorbestimmten Im¬ pulsfläche auf die Probe ausgeübt wird,
- daß mindestens ein weiterer der Hochfrequenz-Impulse derart eingestellt wird, daß die Mehrquanten-Kohärenz alsdann mittels Kohärenztransfer wieder auf die Ein¬ Quanten-Kohärenz übertragen wird und daß schließlich ein für die Spins der ersten Gruppe rephasierender, zweiter Gradienten-Magnetfeld-Impuls auf die Probe ausgeübt wird, dessen Impulsfläche das k-fache der Impulsfläche des ersten Gradienten-Magnet- feld-I pulses beträgt, wobei k vorzugsweise der Quotient der gyromagnetischen Verhältnisse der beteiligten Spins ist.
Durch diese Maßnahmen wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe vollkommen gelöst. Die Erfindung verwendet nämlich einen Kunstgriff, indem die Magnetisierung der interessierenden ersten Gruppe von Kernen für ein bestimmtes Zeitintervall in einen anderen Quantenzustand durch Kohärenztransfer überführt wird. Durch definierte Dephasierung der Zwei-Quanten-Kohärenz bzw. Mehrquanten-Kohärenz wird diese kodiert, um alsdann von der zweiten Gruppe durch Kohärenztransfer wieder auf die erste Gruppe übertragen und ebenso definiert rephasiert, d.h. wieder dekodiert zu werden, während in dieser Zeit das störende Signal der dritten Gruppe, das im seitherigen spektralen Bereich verblieben war, unterdrückt wird. Auf diese Weise kann eine definierte Dephasierung mit einer vorbestimmten Impulsfläche des Gradienten-Magnetfeld-Impulses in einem Doppel- bzw. Mehrquantenzustand vorgenommen werden, und die Rephasierung kann danach ebenso definiert in dem Ein- Quanten-Zustand geschehen, wenn die Impulsfläche im Verhältnis der gyromagnetischen Verhältnisse geändert wird.
Mit anderen Worten, es wird die interessierende Information, nämlich die Magnetisierung der Kerne der ersten Gruppe, für eine kurze Zeitdauer in einen Zwei- oder Mehrquanten-Zustand verbracht und durch Dephasierung kodiert, um dann die interes¬ sierende Information zu retransferieren, während danach die interessierende erste Gruppe rephasiert (dekodiert) wird und die nicht interessierende dritte Gruppe dadurch eine Signal¬ löschung erfährt, weil deren Spins infolge der geänderten Impulsfläche nicht rephasieren. Dies ist deswegen möglich, weil nur die interessierende erste Gruppe von Kernen mit der zweiten Gruppe gekoppelt ist und nur diese keine Signalloschung erfährt.
Hierbei sind zwei Gesichtspunkte zu berücksichtigen:
a) Gewichtung der Dephasierung über die Ordnung der Mehr¬ quanten-Kohärenz:
In diesem Falle wird von der bekannten Tatsache ausge¬ gangen, daß die dephasierende Wirkung eines Feldgradien¬ ten, d.h. eines Gradienten-Magnetfeld-Impulses bei einer Mehrquanten-Kohärenz um das Verhältnis der Summen¬ frequenz zur Einquantenfrequenz steigt. Im homonuklearen Fall bedeutet dies insbesondere, daß eine n-Quanten- Kohärenz in einem vorgegebenen Zeitintervall n-mal so stark dephasiert wie im Einquantenfall. Bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden demzufolge die Rephasierungs- und Dephasierungsgradienten invers gewichtet. Die Voraussetzung zur Rephasierung der nachzuweisenden Einquanten-Kohärenz ist dann, daß die Dephasierung in einem Mehrquanten-Kohärenz-Zustand erfolgt ist. Da dies nur auf die gekoppelten Spins zutreffen kann, nicht aber auf die ungekoppelten, die prinzipiell keine Mehrquanten-Kohärenzen ausbilden können, werden Signale der letzteren unterdrückt.
Gewichtung der Dephasierung über das gyromagnetische Verhältnis:
In diesem Falle hängt die Wirkung eines Feldgradienten auf Kohärenzen vom gyro agnetischen Verhältnis ab. Bei Mehrquanten-Kohärenzen im heteronuklearen Fall gehen die gyromagnetischen Verhältnisse aller an der Mehrquanten-Kohärenz teilnehmenden Kerne ein. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kompen¬ siert man nun die dephasierende Wirkung bezüglich einer Kernsorte (z.B. der Spins der ersten Gruppe A) durch einen Refokussierungsimpuls, so daß die Dephasierung im Intervall der Mehrquanten-Kohärenz nur vom gyromag- netischen Verhältnis des Heterokerns der zweiten Gruppe bestimmt wird, während die Rephasierung im nachfolgenden Intervall der Einquanten-Kohärenz entsprechend dem gyromagnetischen Verhältnis der anderen Kernsorte erfolgt. Die Gewichtung der Dephasierungs- und Rephasie- rungs-Feldgradienten invers zu den wirksamen gyromagne- tischen Verhältnissen führt zu einer selektiven Refokus- sierung der heteronuklear gekoppelten Spins. Insbesonder werden Kohärenzen der ungekoppelten Spins, die prin¬ zipiell nicht Mehrquanten-Kohärenzen ausbilden können, nicht refokussiert und damit entsprechende Signale unterdrückt.
Im Ergebnis bedeutet dies, daß das gewünschte editierte Signal bereits in einem einzigen Durchgang aufgenommen werden kann, so daß sich beispielsweise Bewegungsartefakte nicht störend auswirken können. Selbstverständlich ist es möglich, mehrere Durchgänge nacheinander aufzunehmen, um eine Erhöhung des Signal-Rauschverhältnisses in an sich bekannter Weise zu erhalten, oder zur Ausmittelung von Phasenfehlern an sich bekannte Techniken mit zyklischer Phasenverstellung anzuwenden, dies hat jedoch nichts damit zu tun, daß grundsätzlich das gesamte editierte Spektrum bereits mit einer einzigen Impuls¬ folge aufgenommen wird. Da, wie erwähnt, bei dem erfindungsge¬ mäßen Verfahren die unterschiedlichen Verhältnisse hinsichtlich chemischer Verschiebung und Kopplung der ersten und dritten Gruppe von Kernen zur zweiten Gruppe ausgenutzt werden, werden die störenden Signale der dritten Gruppe auch vollkommen unterdrückt.
Im Gegensatz zu den z.B. aus der DE-OS 34 45 689 bekannten Verfahren werden bei der vorliegenden Erfindung keine herkömm¬ lichen, stimulierten Spin-Echos, sondern vielmehr Kohärenz- Transfer-Spin-Echos erzeugt. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in an sich bekannter Weise zur Scheiben- bzw. volumenselektiven Darstellung die Probe einer Folge von Gradien- ten-Magnetfeld-Impulsen unterschiedlicher Koordinatenrichtung ausgesetzt, und es werden mindestens ein bis drei der Hochfre¬ quenz-Impulse scheibenselektiv eingestellt.
Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß selektive Messungen an definierten Bereichen im Inneren einer Probe, beispielsweise im Inneren eines lebendigen menschlichen Körpers, möglich sind. Es können also auf diese Weise gezielte Messungen an inneren Organen von Patienten vorgenommen werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsge¬ mäßen Verfahrens mit homonuklear gekoppelten Systemen wird das Verfahren an Lactat-Proben ausgeführt.
Dieser Anwendungsfall ist in der Biomedizin besonders bedeutsam.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der vorstehend genannten erfindungsgemäßen Verfahren wird vor dem Einstrahlen des ersten 90° -Hochfrequenz-Impulses ein für die Kerne der zweiten Gruppe selektiver Hochfrequenz-Vorsättigungs-Impuls und danach ein für diese Kerne dephasierender Gradienten-Magnetfeld-Impuls auf die Probe eingestrahlt.
Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß störende Signale, z.B. von Wasser, unterdrückt werden, die sich hinsichtlich der chemischen Verschiebung in unmittelbarer Nähe der zweiten Gruppe befinden. Die Maßnahmen haben auf den nachfolgenden Quantentransfer und Quantenrücktransfer keinen Einfluß bzw. unterdrücken nur sowieso nicht beobachtbare Kohärenzen. Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsge¬ mäßen Verfahrens werden der erste und der zweite Gradienten- Magnetfeld-Impuls in der Zeitachse relativ zu den Hochfrequenz- Impulsen derart positioniert, daß keine stimulierten Echos ungekoppelter Spins erzeugt werden.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß ein stimuliertes Echo, nämlich von unerwünschten ungekoppelten Spins, die über den zweiten und dritten 90°-Hochfrequenz-Impuls refokussiert werden könnten, wiederum dephasiert wird, weil eine solche unerwünschte Refokussion nur bei symmetrischer Fläche, d.h. dem Produkt aus Intensität und Länge der Gradienten-Magnetfeld-Impulse zu den Hochfrequenz-Impulsen auftreten könnte.
Im übrigen ergeben sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren noch weitere Vorteile, beispielsweise eine Phasenunabhängigkeit aller Impulse, da jeweils vor dem zweiten und dritten 90°- Hochfrequenz-Impuls die Magnetisierung durch Gradienten-Magnet¬ feld-Impulse dephasiert werden kann. Ferner wirkt sich der Betrag der Hochfrequenz-Feldstärke bei den Hochfrequenz-Impulsen nicht wesentlich auf das Meßergebnis aus, sondern bewirkt allenfalls einen gewissen SignalVerlust, so daß das erfin¬ dungsgemäße Verfahren auch mit Oberflächenspulen einsetzbar ist. Schließlich ist auch die Zeitdauer unkritisch, die zwischen dem ersten und dem zweiten 90°-Hochfrequenz-Impuls und zwischen dem dritten 90°-Hochfrequenz-Impuls und dem Beginn der Spektrenaufnahme eingestellt wird, weil ein Abweichen vom theoretischen Wert 1/(2J) beim An -System bzw. 1/{4J) beim AnXz-System nur einen gewissen SignalVerlust bedeuten würde, wenn die transversalen Relaxationszeiten T2 sehr viel länger als die Pulssequenz sind. Bei kürzeren Relaxationszeiten T2 können indes kürzere Intervalle günstiger sein. Es versteht sich schließlich, daß weitere Vorteile erzielt werden können, wenn das erfindungsgemäße Verfahren durch weitere, an sich bekannte Maßnahmen ergänzt wird. Zu diesen Maßnahmen gehört beispielsweise die Aufnahme des vollständigen Echos in zeitlicher Symmetrie um den Punkt herum, der im zeitlichen Abstand τ_ nach dem dritten 90°-Hochfrequenz-Impuls liegt.
Ferner ist es möglich, durch Variation der Gradienten-Magnet- feld-Impulse und durch Anlegen eines Lesegradienten über dem Echo mit jeweils anschließender Fourier-Transformation in an sich bekannter Weise ein Imaging, d.h. eine bildhafte Darstel¬ lung eines zwei-oder dreidimensionalen Bereiches zu erreichen. Dabei kann infolge der verwendeten vier Impulse auch ein Ausschnitt aus einem Meßobjekt, z.B. bei einer in-vivo-Messung eines Kδrperorgans mit erhöhter Raumauflösung dargestellt werden. Ferner ist es möglich, einen der beiden Hochfrequenz- Impulse für die zweite Gruppe (X) hinsichtlich der chemischen Verschiebung selektiv einzustrahlen, um auf diese Weise ein hinsichtlich der chemischen Verschiebung selektives Bild zu erhalten (chemical shift imaging) . Das erfindungsgemäße Ver¬ fahren läßt sich in bekannte Bildgebungsverfahren integrieren, z.B. in das 2D-FT-Verfahren mit Phasen- und Lesegradient oder in das Back-Projection-Verfahren mit Lesegradienten unter variablem Winkel oder auch in das Chemical-Shift-Imaging, d.h. die ortsaufgelöste Spektroskopie mit zwei Phasengradienten (ohne Lesegradient) .
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung. Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach¬ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine äußerst schematisierte Darstellung eines
Kernresonanz-Spektrums eines homonuklear gekoppelten AsX-Systems, nämlich von Lactat (CH3-CH(OH)-COOR) ;
Fig. 2 ein Schema zur Veranschaulichung von Mehrquanten¬ übergängen am Beispiel eines AX-Systems;
Fig. 3 ein Impulsprogramm zur Erläuterung eines Ausfüh¬ rungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens für ein homonuklear gekoppeltes System;
Fig. 4 eine Darstellung einer ersten Testprobe zur Verifi¬ zierung der Eigenschaften des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 5 bis 7 drei an einer Probe gemäß Fig. 4 aufgenommene Kernresonanzspektren ;
Fig. 8 eine Darstellung, ähnlich Fig. 1, jedoch für ein heteronuklear gekoppeltes System; Fig. 9A ein Impulsprogramm zur Erläuterung eines Ausfüh¬ rungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens für heteronuklear gekoppelte Systeme;
Fig. 9B eine Variante zum Impulsprogramm der Fig. 9A;
Fig. 10 ein Kernresonanzspektrum, das nach dem Stand der Technik an einem heteronuklear gekoppelten System aufgenommen wurde;
Fig. 11 ein Kernresonanzspektrum, ähnlich Fig. 10, das jedoch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Fig. 9 aufgenommen wurde;
Fig. 12 ein Impulsprogramm, ähnlich Fig. 9, jedoch für den Fall zwei- bzw. dreidimensionaler bildgebender Verfahren;
Fig. 13 eine zweidimensionale Darstellung einer Methanol- Kugel mit natürlichem l 3C-Gehalt in einer Wasser¬ umgebung, aufgenommen mit einem bildgebenden Verfahren nach dem Stand der Technik;
Fig. 14 die Darstellung der Fig. 13, jedoch mit dem bild¬ gebenden zweidimensionalen Verfahren gemäß Fig. 12.
Fig. 1 zeigt in äußerst schematisierter Weise auf einer Grund¬ linie 1 ein Kernresonanzspektrum von Lactat, einem System, bei dem eine J-Kopplung zwischen den Protonen der CH3-Gruppe (A-Linie bei 1,35 ppm) und dem Proton der CH-Gruppe (X-Linie bei 4,1 ppm) besteht. Die A-Linie der CH3-Gruppe des Lactats wird dabei von der sehr viel intensiveren B-Linie der CH2- Gruppe des umgebenden Lipids überdeckt, weil biologische Proben oft eine viel größere Lipidkonzentration aufweisen.
Fig. 2 zeigt in schematisierter Weise vier Energieniveaus 2, 3, 4, 5 unterschiedlicher Höhe. Das Energieniveau 2 entspricht dem Quantenzustand αα, das Energieniveau 3 dem Quantenzustand αß , das Energieniveau 4 dem Quantenzustand ßα und das Energie¬ niveau 5 schließlich dem Quantenzustand ßß. Die Ein-Quanten- übergänge finden zwischen den Energieniveaus 2 und 3 bzw. 4 und 5 statt, was sich im Spektrum in Form eines Dubletts manifestiert.
Darüber hinaus finden aber auch Zwei-Quanten-Übergänge (DQ) unmittelbar zwischen den Energieniveaus 2 und 5 sowie Null-Quanten-Übergänge (ZQ) zwischen den Energieniveaus 3 und 4 statt. Diese Quantenübergänge DQ und ZQ sind technisch nicht beobachtbar, sie sind jedoch existent und können, wie nachstehend noch erläutert werden wird, dazu ausgenutzt werden, um verschiedene Kohärenzwege zu selektieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll nun die A-Linie durch geeignete Editierung aus dem überlagerten Spektrum herausprä¬ parieren. Hierzu dient das in Fig. 3 gezeigte Impulsprogramm. Das Impulsprogramm dient zur Durchführung einer volumenselek¬ tiven Messung, wobei sich versteht, daß das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf volumenselektive Messungen eingeschränkt ist.
Das Impulsprogramm der Fig. 3 zeigt in der obersten Zeile Hochfrequenz-Impulse, worunter man in der Kernresonanztechnik getastete Hochfrequenz-Signale mit definierter Hüllkontur versteht. Man unterscheidet dabei zwischen sogenannten "Soft- I pulsen", d.h. Impulsen relativ langer Impulsdauer und relativ niedriger Amplitude und sogenannten "harten Impulsen" mit relativ kurzer Dauer und großer Amplitude. Außerdem unterschei¬ det man zwischen selektiven und nicht-selektiven Impulsen, je nachdem, ob die Hüllkurve der Impulse ein schmales oder ein breites Frequenzspektrum zur Folge hat.
In den drei mittleren Zeilen des Impulsdiagramms der Fig. 3 sind Gradienten-Magnetfeld-Impulse G* , Gy und Gz für die drei Koordinatenrichtungen x, y und z aufgetragen. Die in Fig. 3 mit dem Symbol " ■ " gekennzeichneten Impulse sind dabei sogenannte "Scheibengradienten", d.h. zur Selektion einer räumlichen Scheibe dienende Gradienten-Impulse, während die mit dem Symbol " ♦ " gekennzeichneten Impulse sogenannte "Trimmgradienten" darstellen, d.h. den Scheibengradienten vorausgehende oder ihnen nachfolgende Gradienten, die zur Fokussierung der Kohärenz dienen. Die mit dem Symbol " ▲ " gekennzeichneten Impulse stellen schließlich sogenannte "Spoil- gradienten" dar, mit denen es möglich ist, gezielt bestimmte Kohärenzen zu dephasieren oder zu rephasieren und damit deren Magnetisierung als Signal zu löschen bzw. wieder aufleben zu lassen.
Es versteht sich, daß die Gradienten-Magnetfeld-Impulse ge- schwindigkeits- und beschleunigungsko pensiert sein können, wie dies an sich bekannt ist, z.B. aus der US-Z "Journal of Magnetic Resonance", 77 (1988) , Seite 596. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann nun zunächst, bevor die Impulsfolge der Fig. 3 einsetzt, in an sich bekannter Weise ein sogenannter Hochfrequenz-Vorsättigungsimpuls oder ein entsprechender Dephasierungsgradient, oder beides, einge¬ setzt werden, um die Magnetisierung der X-Gruppe und möglicher weiterer störender Signale, z.B. die von Wasser, zu löschen, damit diese für das weitere Vorgehen vernachlässigt werden kann.
Das eigentliche erfindungsgemäße Verfahren beginnt indes mit einem ersten Hochfrequenz-Impuls, vorzugsweise einem 90°- Hochfrequenz-Impuls 10, der während der Wirkung eines ersten Scheibengradienten 11 mit nachfolgendem Trimmgradienten 12 in x-Richtung auf die Probe eingestrahlt wird.
Der erste 90°-Hochfrequenz-Impuls 10 ist ebenso wie die weiter unten noch zu erläuternden weiteren 90°-Hochfrequenz-Impulse ein sogenannter Softpuls, der beispielsweise eine Hüllkurve sinx/x aufweist und in Gegenwart eines Magnetfeldgradienten in x-, y- oder z-Richtung scheibenselektiv wirkt. Der erste 90° -Hochfrequenz-Impuls 10 wirkt ebenso wie die weiteren 90° - Hochfrequenz-Impulse, die weiter unten noch erläutert werden, nicht selektiv hinsichtlich der chemischen Verschiebung.
Die Pulswinkel der 90° -Hochfrequenz-Impulse sind relativ unkritisch. Prinzipiell muß der Pulswinkel nur größer als 0° sein. Beispielsweise kann der erste "90° "-Hochfrequenz-Impuls als sogenannter "ERNST"-Winkel eingestellt werden, der kleiner als 90° ist. Dieser Winkel erlaubt bei bildgebenden Messungen (Imaging) eine kurze Repetitionszeit. Es ist ferner möglich, den ersten 90°-Hochfrequenz-Impuls 10 durch eine zeitlich vorversetzte Impulsfolge aus einem 90° -Hochfrequenz-Impuls und einem für die A-Magnetisierung selektiven 180°-Hochfrequenz-Impuls zu ersetzen, um Störsignale z.B. von Wasser, noch besser zu unterdrücken.
Infolge des ersten 90°-Hochfrequenz-Impulses 10 kippt die gesamte Magnetisierung der A- und X-Kerne in die x-y-Ebene, wobei dies für die X-Magnetisierung naturgemäß nur dann gilt, wenn diese nicht zuvor in der oben beschriebenen Weise gelöscht wurde.
Die Magnetisierung der A-Gruppe, d.h. z.B. die der Methylgruppe des Lactats (A3 -System) evolviert nun unter dem Einfluß der J-Kopplung im nachfolgenden Zeitintervall ti , wobei für ein AnX-System in Abhängigkeit von der transversalen Relaxationszei T2 allgemein gilt:
ti = are cot
Figure imgf000023_0001
Für diesen Ausdruck gilt somit: τ_ ≤ 1/(2J) oder ein ungerad¬ zahliges Vielfaches davon.
Für ein AnX2-System gilt entsprechend:
ti = are cot
2 π J 2 π J T2
Es bildet sich nun eine Antiphasenmagnetisierung aus. Für Lactat beträgt J z.B. 7,35 Hz, so daß das Zeitintervall τ_ mit 68 ms eingestellt wird. Nach Ablauf der Zeit τi wird nun ein zweiter 90"-Hochfrequenz- Impuls 13 auf die Probe eingestrahlt, während gleichzeitig in y-Richtung ein Scheibengradient 14 bzw. ein Spoilgradient 15 auf die Probe ausgeübt wird. Die Impulsfläche des Spoil- gradienten 15 ist definiert groß, in Fig. 3 ist sie durch die Impulsbreite zz gekennzeichnet.
Durch den zweiten 90°-Hochfrequenz-Impuls 13 wird die Mag¬ netisierung der A-Gruppe - allgemeiner ausgedrückt - zu etwa 1/2 durch Polarisationstransfer, zu 1/4 in eine Doppelquanten- Kohärenz und zu einem weiteren 1/4 in eine Nullquanten-Kohärenz (bei Experimenten mit heteronuklear gekoppelten Spinsystemen: in eine Mehrquanten-Kohärenz) übertragen. Im Rahmen der in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Erfindung soll nur der¬ jenige übertragene Anteil betrachtet werden, der durch Kohärenz¬ transfer übertragen wird. Im Rahmen einer parallelen Anmeldung vom selben Tage und derselben Anmelderin (Anwaltsaktenzeichen: 1213P100) soll derjenige Anteil von 1/2 betrachtet werden, der im Wege des Polarisationstransfers übertragen wird. Der Offenbarungsgehalt jener Anmeldung wird durch diese Bezugnahme auch zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung gemacht.
Der zweite 90°-Hochfrequenz-Impuls 13 bewirkt, daß die Anti- phasenmagnetisierung der A-Gruppe, und nur diese, aus ihrem Ein-Quanten-Zustand in einen Doppelquanten-Zustand durch Kohärenztransfer überführt wird, was aufgrund der J-Kopplung zwischen der A-Gruppe und der X-Gruppe (CH) bei bestimmter chemischer Verschiebung möglich ist, während die B-Magnetisie- rung mangels entsprechender Kopplung nicht transferiert werden kann. Die sich ergebende Doppelquanten-Kohärenz ist eine direkt nicht beobachtbare Erscheinung. Weitere Einzelheiten über die Theorie des Quantentransfers finden sich in dem genannten Buch von Sanders, aaO. , Seite 121, ff. Infolge des Doppelquanten-Zustandes evolviert die Kohärenz mit der doppelten Resonanzfrequenz. In Verbindung mit der definier¬ ten Impulslänge tz des Spoilgradienten 15 führt dies zu einer definierten, d.h. kodierten Dephasierung der Doppelquanten- Kohärenz. Die durch die Hochfrequenz-Impulse 10 und 13 vor¬ gegebene beliebige Phase bezüglich des dritten 90"-Hochfrequenz- Impulses 17 ist auf diesen ohne Einfluß, so daß eine Scheiben¬ selektion in z-Richtung ermöglicht wird.
Im zeitlichen Abstand τ∑ zum zweiten 90°-Hochfrequenz-Impuls 13 wird ein dritter 90"-Hochfrequenz-Impuls 17 auf die Probe eingestrahlt, der für eine Rücküberführung des Doppelquanten- Zustandes in den Ein-Quanten-Zustand der A-Gruppe sorgt. Das Zeitintervall Xz zwischen dem zweiten Hochfrequenz-Impuls 13 und dem dritten Hochfrequenz-Impuls 17 wird dabei so kurz wie möglich eingestellt.
Die rücktransferierte Magnetisierung evolviert nun in dem anschließenden ti -Intervall zu einer In-Phasen-Magnetisierung, die ab dem Zeitpunkt C, an dem ein Echomaximum auftritt, in einem Aufnahmeintervall AQ als freier Induktionsabfall (FID) mit bekannten Fourier-Verarbeitungs ethoden aufgenommen und dargestellt werden kann. Dabei wird vorzugsweise nur die "rechte" Seite des Echos, d.h. ab dem Zeitpunkt C, aufgenommen.
Dabei wird nach dem dritten 90"-Hochfrequenz-Impuls 17 ein Trimmgradient 19, 20 in y-Richtung und ein Scheibengradient 21, 22 in z-Richtung auf die Probe ausgeübt.
Auf diese Weise wird erreicht, daß die A-Magnetisierung durch die Spoilgradienten 19 definiert rephasiert, d.h. wieder dekodiert wird. Die Impulslänge des Trimmgradienten 19 ist mit 2ε2 doppelt so lang bemessen wie die Impulslänge tz des Spoilgradienten 15. Hierdurch werden die im Ein-Quanten-Zustand jetzt wieder mit einfacher Präzessionsfrequenz umlaufenden A-Spins, und nur diese, definiert wieder rephasiert, d.h. deko¬ diert, während die mit 2 zz in diesem Zeitintervall dephasierte B-Spins, die im Zeitintervall τ.2 im Ein-Quanten-Zustand mit einfacher Präzessionsfrequenz umliefen, nunmehr nicht rephasier werden.
Nach dem Quantenrücktransfer durch den dritten 90"-Hochfrequenz Impuls 17 und der Rephasierung der A-Magnetisierung durch den Trimmgradienten 19 doppelter Länge 2ε2 ist an dieser Stelle des Spektrums somit nur noch eine meßbare Magnetisierung der A-Gruppe vorhanden, die dann in der bekannten Weise ausgewertet werden kann, während ggf. noch auftretende stimulierte Echos durch den Trimmgradienten 19 unterdrückt werden.
Man erkennt aus Fig. 3 nämlich, daß die Gradientenimpulse asymmetrisch zu den 90"-Impulsen 13 und 17 wirken, so daß keine unerwünschte Refokussierung anderer ungekoppelter Spins erfolgen kann, weil dies durch die asymmetrische Anordnung der Gradientenimpulse in beiden ti-Intervallen verhindert wird.
Man erkennt aus Fig. 3 ferner, daß der Einfluß der chemischen Verschiebung und von Magnetfeldinhomogenitäten auf die A- Magnetisierung während der Dauer des ersten Ti-Intervalls durch die beiden 90"-Impulse 13 und 17, die gedanklich als 180°-Impuls zusammengefaßt werden können, im zweiten τi-Inter¬ vall wieder rückgängig gemacht werden. Die Wirkungsweise des in Fig. 3 gezeigten Impulsprogra mes wurde experimentell u.a. mit folgenden Versuchen verifiziert:
Fig. 4 zeigt schematisch eine Probe 30, bei der sich eine Kugel 31 von etwa 1 cm3 Volumen mit einer Mischung aus 50 % reinem Acetat und 50 % reinem Lactat in einer Umgebung 32 aus Wasser befindet.
Fig. 5 zeigt hierzu ein nach dem Stand der Technik aufgenommenes Spektrum mit einer Aufnahme, bei dem neben der Lactat-Linie bei etwa 1,35 ppm noch eine störende Acetat-Linie bei etwa 2,0 ppm auftritt. Die Messung wurde mit einer Impulsfolge ähnlich derjenigen durchgeführt, die in der US-Z "Journal of Magnetic Resonance", 72, 1987, Seite 379, beschrieben ist. Die Magnetfeldstärke betrug 4,7 T.
Fig. 6 zeigt demgegenüber eine Messung nach dem erfindungsge¬ mäßen Verfahren mit einem Impulsprogramm nach Fig. 3, bei ansonsten unveränderten experimentellen Bedingungen, abgesehen von einem Skalierungsfaktor 4 bei der Signaldarstellung. Man erkennt aus Fig. 6 deutlich, daß das CH3 -Signal bei 1,35 ppm unter Berücksichtigung dieses Skalierungsfaktors etwa gleich hoch ist, wie beim Spektrum der Fig. 5. Die ungekoppelten Spins des Acetats sind hingegen praktisch verschwunden.
Fig. 7 zeigt eine Kontrollmessung, bei der die Volumenselekti¬ vität des erfindungsgemäßen Verfahrens überprüft wurde.
Bei der Messung der Fig. 7 wurde eine Probe mit einem räumlichen Aufbau gemäß Fig. 3 verwendet, jedoch bestand die Kugel 31 aus reinem Acetat während die Umgebung 32 aus reiner Milchsäure bestand. Man erkennt aus Fig. 7 deutlich, daß die Messung selektiv arbeitet, weil lediglich der Volumenbereich der Kugel 31 gemessen wurde, bei der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die ungekoppelten Spins des Acetats unterdrückt werden, während kein CH3-Signal der Milchsäure (Laetat) gemessen wurde, weil sich am Ort der Kugel 31, und nur dort, keine Milchsäure befindet.
Die vorstehend beschriebenen Verfahren zur Messung von Kern¬ resonanzspektren an homonuklear gekoppelten Spinsystemen beruhen auf der folgenden Überlegung:
Der reduzierte Gleichgewichtsdichteoperator in einem An -System lautet in Hochtemperatur-Näherung:
Figure imgf000028_0001
k=l
Dabei ist li , I2... , In der A-Gruppe zugeordnet, z.B. beim Ä3X-System (Laetat) ist dies die CH3-Gruppe und Ia+ι entspricht der X-Gruppe, z.B. beim A3X-System (Laetat) ist dies die CH- Gruppe.
Nach dem ersten 90° -Hochfrequenz-Impuls 10 (x-Phase) gilt für den Gleichgewichtsdichteoperator, wobei der Einfachheit halber In+i , d.h. die X-Gruppe, weggesättigt ist:
nn δ =
'k=l Nach dem ersten Evolutionsintervall Xi = 1/(2J) ergibt sich einschließlich der Dephasierungsgradienten, welche den Spins eine ortsabhängige Phase Φ aufprägen (diese sei sehr viel größer als die chemische Verschiebung, so daß diese vernach¬ lässigbar ist) :
nn δ = |2 Ikx I(n+l )z COS Φi + 2 Iky I.n+i . z sin Φi I k=l
Kompliziertere zusätzlich auftretende Terme können dabei vernachlässigt werden, weil diese praktisch nicht beobachtbar sind, bzw. durch eine zusätzliche Vorsättigung der X-Gruppe (bzw. von Wasser) erst gar nicht auftreten.
Der zweite 90°-Hochfrequenz-Impuls 13, der eine y-Phase aber auch eine beliebige andere Phase haben kann, bewirkt den Doppelquantentransfer, d.h. den Transfer der A-Magnetisierung auf eine unbeobachtbare Zwei-Quanten-Kohärenz. Die Null-Quanten- Kohärenz wird dabei durch Gradienten weggespoilt. Es gilt nun:
IIkkxx II..nn++ii.. yy ++ 22 IIkkyy II<<nn++ιi>)xx|j COSΦi
Figure imgf000029_0001
Nach den Dephasierungsgradienten 14, 15 im Zeitintervall 2 gilt:
j2 Ikx I.n+Dy + 2 Ik I.n + l. xl COSΦi COS (2Φ2 )
Figure imgf000029_0002
k=l Terme, die zum Signal nichts beitragen, sind in dieser Formel weggelassen.
Der dritte 90° -Hochfrequenz-Impuls 17 (x-Phase) bewirkt nun einen Doppelquantenrücktransfer der X-Magnetisierung in eine beobachtbare Antiphasen-A-Magnetisierung:
n δ = 1 V >""1 2 Ikx I< n + i ) z cos Φi cos (2Φ2 )
2 L 1 k=l
Im letzten x_.-Intervall (wobei weiter gilt: xi = 1/(2J)) wird die A-Antiphasenmagnetisierung in eine In-Phasen-Magnetisierung überführt. Gleichzeitig werden die Dephasierungen in den vorangegangenen Intervallen wieder rückgängig gemacht:
π π
Figure imgf000030_0001
0 o
mit
_> - -i _,y
woraus folgt, daß der Signalverlust etwa 1/8 gegenüber einer fiktiven Messung mit freiem Induktionsabfall (FID) eintritt. Eine entsprechende Betrachtung läßt sich z.B. auch für Spins mit I > — durchführen.
Fig. 8 zeigt in einer Darstellung ähnlich Fig. 1 ein hetero¬ nuklear gekoppeltes System. Ein solches heteronuklear gekoppel¬ tes Spinsystem kann z.B. das Spinsystem von Glukose, Glykogen bzw. 13C angereicherten natürlich vorkommenden Substanzen oder Medikamenten sein, die für die biomedizinische Forschung von großem Interesse sind. Diese Systeme erlauben nämlich Rückschlüsse auf den Metabolismus im organischen Gewebe.
Bei den vorstehend erläuterten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens in ihrer Anwendung bei homonuklear gekoppelten Systemen spielte sich der Doppelquantentransfer und der Doppelquantenrücktransfer innerhalb derselben Kernart, nämlich typischerweise bei Protonen ab.
Im Gegensatz hierzu finden die nachstehend erläuterten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens Anwendung bei heteronuklear gekoppelten Systemen, bei denen Kopplungen zwischen unterschied¬ lichen Kernarten, dargestellt am Beispiel von Protonen (1H) und 13C bestehen. Die Anregung und der Signalempfang auf Protonenseite liefert dabei eine maximale Signalintensität. Dabei müssen allerdings große Signalanteile von ungekoppelten Spins, wie z.B. Wasser, Fett oder bei natürlichem *■ 3 C-Vorkommen (1 %) die Hauptlinien, vollständig unterdrückt werden, um die J-gekoppelten *3 C-Satelliten indirekt nachweisen zu können.
Mit der anhand der Fig. 9A beschriebenen Impulsfolge können heteronuklear gekoppelte Spinsysteme auf der Protonenseite editiert, d.h. herauspräpariert werden, während gleichzeitig die störenden gekoppelten und ungekoppelten Signale vollständig unterdrückt werden. Die Darstellung der Fig. 9A entspricht dabei hinsichtlich der verwendeten Symbole vollständig derjenigen der Fig. 3, lediglich auf der Hochfrequenzseite wurden zwei Achsen XH und 13C für die beiden Kernarten eingesetzt.
Die Betrachtung der Fig. 8 und 9A soll am Beispiel der 13C- angereicherten Testsubstanz Methanol, einem A3X-System, vor¬ genommen werden, bei dem eine J-Kopplung zwischen den Protonen der CH3 -Gruppe (A-Linie bei 3 ppm) und dem 13C-Kern (X-Linie bei 50 ppm) besteht. Die heteronukleare J-Kopplung der biolo¬ gisch interessanten Substanzen beträgt etwa, wie bei Methanol, J = 141 Hz, was nach der bereits weiter oben erläuterten Formel für das Zeitintervall xi einen Wert von xi = 10,7 ms für den Fall xi = 3/(2J) ergibt.
Wie bereits erwähnt, wird bei dieser Verfahrensvariante das Signal, nämlich das A-Dublett auf der Protonenseite detektiert, wo aufgrund der dort vorhandenen drei Protonen zusätzlich eine höhere Signalintensität auftritt als dies auf der 13 C- Seite bei dem dort nur vorhandenen einen Kern der Fall wäre.
In Fig. 9A ist erkennbar, daß auf der Protonenseite zunächst wiederum ein Hochfrequenz-Impuls, nämlich ein 90° -Hochfrequenz- Impuls 40 eingestrahlt wird. Während der erste 90"-Hochfrequenz- Impuls 40 auf der Protonenseite eingestrahlt wird, werden in x-Richtung ein Scheibengradient 41 mit nachfolgendem Trimm¬ gradient 42 sowie in y-Richtung eine Folge aus einem Trimm¬ gradienten 43, einem Scheibengradienten 44 sowie einem weiteren Trimmgradienten 45 und in z-Richtung ein Trimmgradient 51, ein Scheibengradient 52 sowie ein weiterer Trimmgradient 53 geschaltet. Ein erster Mehrquantentransfer findet dann über einen auf 13C-Seite eingestrahlten und infolge des Scheibengradienten 44 scheibenselektiven 90° -Hochfrequenz-Impuls 46 statt, während der anschließende Mehrquantenrücktransfer über einen weiteren 13C-seitigen und infolge des Scheibengradienten 52 scheiben¬ selektiven 90° -Hochfrequenz-Impuls 49 stattfindet. Das nach¬ folgende Zeitintervall X3 bis zum Echo C ist üblicherweise zeitlich ebenso lang wie das erste Zeitintervall Xi .
Auch in diesem Falle ergibt sich der Vorteil, daß die Phasenlage des Hochfrequenz-Impulses 49 beliebig gewählt werden kann, weil zuvor die Spoilgradienten 47, 48 eine Dephasierung des Mehrquanten-Zustandes bewirkt haben.
Die Erzeugung stimulierter Echos ungekoppelter Protonen wird durch asymmetrische Gradienten in dem Protonenintervall ver¬ hindert.
Fig. 9A zeigt in x-Richtung, daß im 13 C-Intervall der Länge 2 zwei Spoilgradienten 47, 48 zeitlich symmetrisch zu einem 180°- Hochfrequenz-Impuls 50 auf die Probe ausgeübt werden, wobei die beiden Spoilgradienten 47, 48 gleichpolig sind. Aufgrund des viermal kleineren gyro agnetischen Verhältnisses von 13C gegenüber Protonen müssen die Gradienten im 2 -Intervall viermal größer sein, was durch die vier Symbole " " angedeutet ist. Ein weiterer Spoilgradient 54 ist zeitlich nach dem dritten 90°- Hochfrequenz-Impuls 49 in x-Richtung plaziert.
Auch hier sind die wirksamen Flächen der Gradienten-Impulse 47, 48, 54 so bemessen, daß den unterschiedlichen gyro¬ magnetischen Verhältnissen in den unterschiedlichen Quanten- zuständen Rechnung getragen wird. Der I80"-Hochfrequenz-Impuls 50, der im Hinblick auf die chemische Verschiebung selektiv wirken kann, neutralisiert zum einen die Wirkung der Spoilgradienten 47, 48 auf die Protonen, er refokussiert darüber hinaus den Einfluß der chemischen Verschiebung sowie der Magnetfeldinhomogenität, bzw. die darauf beruhende Dephasierung. Am Ende des Zeitinter¬ valls X2 befindet sich die Protonenseite damit exakt in einem ungestörten Zustand, der Voraussetzung für die isolierte Wiedergabe der A-Magnetisierung nach dem Mehrquantenrucktransfer ist. Dies liegt daran, daß der Mehrquantenzustand im Gegensatz zum Polarisationstransfer, der sich isoliert immer nur auf eine Kernart (XH oder 13C) auswirkt, stets beide Seiten be¬ trifft.
In Fig. 9B ist eine Variante zu dem zuvor erläuterten Impulspro¬ gramm der Fig. 9A zu erkennen, und zwar im Hinblick auf die beiden Gx-Spoilgradienten 47 und 48.
Während bei der zuvor erläuterten Impulsfolge gemäß Fig. 9A dieser beiden Spoilgradienten 47 und 48 gleichpolig auf die Probe ausgeübt wurden und jeweils die doppelte Fläche des weiteren Spoilgradienten 54 hatten, ist bei der Variante gemäß Fig. 9B vorgesehen, daß die beiden Spoilgradienten 47' und 48 ' gegenpolig eingestellt werden und nur die halbe Fläche des weiteren Spoilgradienten 54 aufweisen.
Man macht sich hierbei die Überlegung zunutze, daß die Spoil¬ gradienten 47 und 48 in Zusammenwirken mit dem 180"-Impuls 50 den Sinn haben, daß durch den 180°-Impuls 50 alles wieder rephasiert werden kann, was zuvor dephasiert wurde. Wenn nun entsprechend der Variante der Fig. 9B den Spoilgradienten 47' und 48' eine unterschiedliche Polarität gegeben wird, so wirkt dies nur auf die unerwünschten, ungekoppelten Spins (des Wassers) , die auf diese Weise noch besser dephasiert werden, und zwar etwa um einen Faktor 5. Die Maßnahme der unterschied¬ lichen Polarität wirkt sich hingegen nicht auf die gewünschten gekoppelten Spins aus, die davon nicht berührt werden.
Aufgrund der unterschiedlichen Polarität der Spoilgradienten 47* und 48' bei der Impulsfolgen-Variante der Fig. 9B ist es erforderlich, deren Fläche kleiner zu machen und zwar auf die Hälfte der Fläche des weiteren Spoilgradienten 54.
Fig. 10 zeigt ein Kernresonanzspektrum, bei dem eine Probe nach Art der Fig. 4 verwendet wurde, bei der eine von Wasser umgebene Kugel eines Volumens von einem Kubikzentimeter mit mit 13C angereichertem Methanol befüllt war. Das Kernresonanz¬ spektrum der Fig. 10 ist mit einer nicht-editierenden Drei-Puls-Sequenz nach dem Stand der Technik bei einer Magnet¬ feldstärke von 4,7 T bei einem Durchlauf aufgenommen.
Demgegenüber zeigt Fig. 11 ein Kernresonanzspektrum, das mit einer Impulsfolge gemäß Fig. 9 aufgenommen wurde. Man erkennt, daß das CH3 -Signal bei 3 ppm etwa gleich hoch ist wie das in Fig. 10, die ungekoppelten Spins bei 4,7 ppm sind jedoch praktisch verschwunden.
Fig. 12 zeigt ein Impulsprogramm, ähnlich dem der Fig. 9, für den Fall zwei- bzw. dreidimensionaler Bildgebung.
Auf der Hochfrequenzseite bei den Kernarten 1H und 13C sind die Verhältnisse unverändert, d.h. wir haben einen ersten 90°-Hochfrequenz-Impuls 60 auf Protonenseite, einen zweiten 90"-Hochfrequenz-Impuls 61 auf 13C-Seite, einen dritten 90°- Hochfrequenz-Impuls 62 wieder auf 13C-Seite und symmetrisch zu den beiden letztgenannten Impulsen 61, 62, d.h. in der Mitte des X2-Zeitintervalles einen 180"-Hochfrequenz-Impuls 63 auf Protonenseite. Bei 64 bzw. bei C ist nach dem Ablauf des Zeitintervalls X3 das Echo zu erkennen.
In Fig. 12 ist zusätzlich auf der -■ 3C-Achse mit DC noch an¬ gedeutet, daß bei den Experimenten der hier interessierenden Art auch eine Entkopplung vorgenommen werden kann.
Auf der x-Achse ist ein Phasengradient 65 zu erkennen, während auf der y-Achse ein Trimmgradient 66 und ein Lesegradient 67 zu erkennen sind.
In z-Richtung wird in Fig. 12 zwischen den Fällen einer zwei- dimensionalen Bildgebung mit GZ 2D bzw. Gz3D für den Fall der dreidimensionalen Bildgebung differenziert.
Im Falle der zweidimensionalen Bildgebung wird in z-Richtung eine Folge von Scheiben-, Trimm- und Spoilgradienten 68 bis 75 geschaltet, wie dies mit den entsprechenden Symbolen (vgl. Legende in Fig. 3) in Fig. 12 angegeben ist.
Im Falle der dreidimensionalen Bildgebung sind in z-Richtung zwei Spoilgradienten 76 und 77 sowie ein zusätzlicher Phasen¬ gradient 78 vorgesehen.
Die in z-Richtung geschalteten Gradienten ersetzen bei dem Impulsprogramm der Fig. 12 die G -Funktion, wie sie in Fig. 9 beschrieben wurde. Nun findet im Falle Gz D eine zweidimen- sionale und im Falle Gz3 D eine dreidimensionale Bildgebung statt, indem entsprechend vielfach Fourier-transformiert wird, wie dies an sich bekannt ist.
Fig. 13 und 14 zeigen die Auswirkung des erfindungsgemäßen bildgebenden Verfahrens. Fig. 13 zeigt eine herkömmliche Darstellung einer Kugel aus reinem Methanol mit natürlichem 13C-Gehalt in einer Wasserumgebung. Die Wasserumgebung ist als Rechteck deutlich erkennbar. Fig. 14 zeigt demgegenüber eine Messung an demselben Objekt, jedoch mit dem editierenden zweidimensionalen Verfahren gemäß Fig. 12, und man erkennt deutlich, daß die Wasserumgebung unterdrückt ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Aufnahme von Kernresonanzspektren von
Proben (30) mit mindestens drei Gruppen (A, B, X) von Kernen derselben Kernart, von denen eine erste Gruppe
(A) mit einer zweiten Gruppe (X) gekoppelt ist, während eine dritte Gruppe (B) mit der zweiten Gruppe (X) ungekoppelt ist, jedoch eine chemische Verschiebung aufweist, die nur mit derjenigen der ersten Gruppe
(A) im wesentlichen übereinstimmt, wobei zur alleinigen Darstellung des Signals der ersten Gruppe (A) das Signal der dritten Gruppe (B) unterdrückt wird, dadurch gekenn¬ zeichnet,
- daß eine Impulsfolge von drei Hochfrequenz-Impulsen, vorzugsweise 90"-Hochfrequenz-Impulsen (10, 13,
17) auf die Probe (30) eingestrahlt wird,
- daß der zweite Hochfrequenz-Impuls (13) derart eingestellt wird, daß die Magnetisierung der Kerne der ersten Gruppe (A) und der zweiten Gruppe (X) mittels Kohärenztransfer in einen Zustand der Zwei-Quanten-Kohärenz überführt wird,
- daß im Zeitintervall ( 2 ) zwischen dem zweiten Hochfrequenz-Impuls (13) und dem dritten Hochfre¬ quenz-Impuls (17) ein für die Zwei-Quanten-Kohärenz dephasierender, erster Gradienten-Magnetfeld-Impuls (15) einer vorbestimmten Impulsfläche ( zz ) auf die Probe (30) ausgeübt wird, daß der dritte Hochfrequenz-Impuls (17) derart eingestellt wird, daß die Zwei-Quanten-Kohärenz mittels Kohärenztransfer wieder in einen Zustand der Ein-Quanten-Kohärenz der Kerne der ersten Gruppe (A) überführt wird, und daß sodann ein für die Kerne der ersten Gruppe (A) rephasierender, zweiter Gradienten-Magnetfeld- Impuls (19) auf die Probe (30) ausgeübt wird, dessen Impulsfläche (2ε∑ ) doppelt so groß bemessen ist wie die des ersten Gradienten-Magnetfeld- Impulses (17) .
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (30) eine Lactat-Probe ist.
Verfahren zur Aufnahme von Kernresonanzspektren von Proben mit mindestens drei Gruppen (A, B, X) von Kernen, von denen eine erste Gruppe (A) einer ersten Kernart (1H) mit einer zweiten Gruppe (X) einer zweiten Kernart (13C) gekoppelt ist, während eine dritte Gruppe (B) der ersten Kernart {1 E) mit der zweiten Gruppe (X) ungekoppelt ist, jedoch eine chemische Verschiebung aufweist, die nur mit derjenigen der ersten Gruppe (A) im wesentlichen übereinstimmt, wobei zur alleinigen Darstellung des Signals der ersten Gruppe (A) das Signal der dritten Gruppe (B) unterdrückt wird, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß eine Impulsfolge von vier Hochfrequenz-Impulsen (40, 46, 50, 49; 60, 61, 62, 63) , vorzugsweise drei 90° -Hochfrequenz-Impulsen (60, 61, 62) und einem 180°-Hochf equenz-Impuls (50; 63) auf die Probe eingestrahlt wird, daß der zweite Hochfrequenz-Impuls (46; 61) derart eingestellt wird, daß die Magnetisierung der Kerne der der ersten Kernart (1H) angehörenden ersten Gruppe (A) mittels Kohärenztransfer in einen Zustand der Mehrquanten-Kohärenz überführt wird,
- daß im Zeitintervall (x∑ ) zwischen dem zweiten Hochfrequenz-Impuls (46; 61) und dem vierten Hochfrequenz-Impuls (49; 62) mindestens ein für die Mehrquanten-Kohärenz hinsichtlich der zweiten Gruppe (X) dephasierender, erster Gradienten- Magnetfeld-Impuls (47, 48; 70 bis 74) einer vorbe¬ stimmten Impulsfläche auf die Probe ausgeübt wird,
- daß im Zeitintervall (X2 ) zwischen dem zweiten Hochfrequenz-Impuls (46; 61) und dem vierten Hochfrequenz-Impuls (49; 62) ein für die Mehr¬ quanten-Kohärenz hinsichtlich der ersten Gruppe (A) refokussierender, dritter Hochfrequenz-Impuls (50; 63) auf die Probe eingestrahlt wird;
- daß der vierte Hochfrequenz-Impuls (49; 62) derart eingestellt wird, daß die Mehrquanten-Kohärenz mittels Kohärenztransfer wieder in einen Zustand der Ein-Quanten-Kohärenz der Kerne der ersten Gruppe (A) überführt wird, und daß sodann ein für die Kerne der ersten Gruppe (A) rephasierender, zweiter Gradienten-Magnetfeld- Impuls (54; 75) auf die Probe ausgeübt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfläche des zweiten Gradienten-Magnetfeld- Impulses (54; 75) das k-fache der Impulsfläche des ersten Gradienten-Magnetfeld-Impulses (47, 48; 70 bis 74) beträgt, wobei k der Quotient der gyromagnetischen Verhältnisse der Kerne der beiden Kernarten ist. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet daß zwei gleichpolige erste Gradienten-Magnetfeld-Impuls (47, 48) auf die Probe ausgeübt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei ungleichpolige erste Gradienten-Magnetfeld-Impulse (47', 48') auf die Probe ausgeübt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfläche des zweiten Gradienten-Magnetfeld- Impulses (54) das 1/k-fache der Impulsfläche der ersten Gradienten-Magnetfeld-Impulse (47*, 48') beträgt, wobei k der Quotient der gyromagnetischen Verhältnisse der Kerne der beiden Kernarten ist.
8. Verfahren zur Aufnahme von Spinresonanzspektren von Proben mit mindestens drei Gruppen (A, B, X) von Spins, von denen eine erste Gruppe (A) mit einer zweiten Gruppe (X) gekoppelt ist, während eine dritte Gruppe (B) mit der zweiten Gruppe (X) ungekoppelt ist, jedoch ein Signal mit einer spektralen Lage aufweist, die nur mit derjenigen der ersten Gruppe (A) im wesentlichen über¬ einstimmt, wobei zur alleinigen Darstellung des Signals der ersten Gruppe (A) das Signal der dritten Gruppe
(B) unterdrückt wird, dadurch gekennzeichnet,
- daß eine Impulsfolge von mindestens drei Hochfre¬ quenz-Impulsen, vorzugsweise 90° -Hochfrequenz- Impulsen auf die Probe eingestrahlt wird,
- daß mindestens der zweite Hochfrequenz-Impuls derart eingestellt wird, daß die Magnetisierung der Spins der ersten Gruppe (A) mittels Kohärenz¬ transfer in einen Zustand der Mehrquanten-Kohärenz übertragen wird, - daß nach dem zweiten Hochfrequenz-Impuls mindestens ein für die Mehrquanten-Kohärenz dephasierender, erster Gradienten-Magnetfeld-Impuls einer vorbe¬ stimmten Impulsfläche auf die Probe ausgeübt wird,
- daß mindestens ein weiterer der Hochfrequenz-Impulse derart eingestellt wird, daß die Mehrquanten- Kohärenz alsdann mittels Kohärenztransfer wieder auf die Ein-Quanten-Kohärenz übertragen wird und daß schließlich ein für die Spins der ersten Gruppe (A) rephasierender, zweiter Gradienten-Magnetfeld- Impuls auf die Probe ausgeübt wird, dessen Im¬ pulsfläche das k-fache der Impulsfläche des ersten Gradienten-Magnetfeld-Impulses beträgt, wobei k vorzugsweise der Quotient der gyromagnetischen Verhältnisse der beteiligten Spins ist.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise zur Scheiben- bzw. volumenselektiven Darstellung die Probe (30) einer Folge von Gradienten-Magnetfeld- Impulsen (11, 12, 14, 15, 19, 20, 21, 22; 41 bis 45, 51 bis 53; 68 bis 78) unterschiedlicher Koordinatenrich¬ tung (x, y, z) ausgesetzt wird, und daß mindestens ein bis drei der Hochfrequenz-Impulse (10, 13, 17; 40, 46, 49; 60, 61, 62) scheibenselektiv eingestellt werden.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einstrahlen des ersten Hochfrequenz-Impulses (10; 40; 60) ein für die Kerne bzw. Spins der zweiten Gruppe (X) sowie für ungekoppelte Kerne (H2O) bzw. Spins selektiver Hochfre- quenz-Vorsättigungs-Impuls und danach ein für die Kerne bzw. Spins der zweiten Gruppe (X) selektiver dephasie- render Gradienten-Magnetfeld-Impuls auf die Probe (30) eingestrahlt wird.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Gradienten-Magnetfeld-Impuls (15, 19; 47/48, 54) in der Zeitachse (t) relativ zu den Hochfrequenz- Impulsen (13, 17; 46, 49) derart positioniert werden, daß keine stimulierten Echos ungekoppelter Spins erzeugt werden.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall (xi ) zwischen dem ersten Hochfrequenz-Impuls (10; 40; 60) und dem zweiten Hochfrequenz-Impuls (13; 46; 61) gleich einem ungeradzahligen Vielfachen des Kehrwertes des zweifachen der Kopplungskonstanten (J) zwischen der ersten Gruppe (A) und der zweiten Gruppe (X) bemessen wird.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß für ein An -System das Zeitintervall (xi ) zwischen dem ersten Hochfrequenz- Impuls (10; 40; 60) und dem zweiten Hochfrequenz-Impuls (13; 46; 61) nach der Formel
Xi = are cot
Figure imgf000043_0001
bemessen wird, wobei J die Kopplungskonstante zwischen der ersten Gruppe (A) und der zweiten Gruppe (X) und T2 die transversale Relaxationszeit ist. 14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß für ein AnX2-System das Zeitintervall (xi ) zwischen dem ersten Hochfrequenz- Impuls (10; 40; 60) und dem zweiten Hochfrequenz-Impuls (13; 46; 61) nach der Formel
Figure imgf000044_0001
2 π J 2 π J T2
bemessen wird, wobei J die Kopplungskonstante zwischen der ersten Gruppe (A) und der zweiten Gruppe (X) und T2 die transversale Relaxationszeit ist.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise eine bildgebende Darstellung der Probe (30) durchgeführt wird.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Darstellung eines Ausschnittes aus einem Meßobjekt gleichzeitig mit dem Aussenden eines der für die Kerne der zweiten Kernart (13C) eingestrahlten Hochfrequenz-Impulses (61, 62) ein Gradienten-Magnetfeld-Impuls angelegt wird.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß einer der für die Kerne der zweiten Kernart (13C) eingestrahlten Hochfre¬ quenz-Impulse (61, 62) hinsichtlich der chemischen Verschiebung selektiv eingestellt ist.
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