DE2928551A1 - Verfahren und vorrichtung zum aufzeichnen von linien der atomkerndichte innerhalb eines objekts unter anwendung der magnetischen kernresonanz - Google Patents

Description

MERTENS & KEIL

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The Regents of the University of California 2200 University Avenue

Berkeley, State of California United States of America

"Verfahren und Vorrichtung zum Aufzeichnen von Linien der Atomkerndichte innerhalb eines Objekts unter Anwendung der magnetischen Kernresonanz"

Die Vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gerät und ein Verfahren zur Erzeugung eines Querschnittsbildes der relativen Kerndichte in einem Objekt. Insbesondere ist sie gerichtet auf die Anwendung der magnetischen Kernresonanztechnik für die in vivo-Aufzeichnung von Linien von einer Resonanz unterworfenen Atomkerndichten im Körper von Menschen oder anderen Lebewesen.

Die gegenwärtig verwendeten Techniken für die nicht-eingreifende Überprüfung oder Diagnose eines Körpers verwendet Röntgenstrahlen (z.B. die computergesteuerte Tomographie) und Ultraschallverfahren· Ein anderes nicht-eingreifendes Verfahren wendet die magnetische Kernresonanz (NMR) an, um eine Querschnittsdarstellung der Kerndichten innerhalb des Körpers zu ermitteln. Die mittlere Atomzahl (Z) von Atomkernen in Tumoren neigt dazu, sich signifikant von derjenigen von Normalgewebe zu unterscheiden. Wasserstoffkerndichten, die mit NMR-Techniken ermittelt werden, sieht man gegenwärtig als ein gutes Mittel zur Feststellung von Veränderungen in der mittleren Atomzahl Z in Geweben an, da Wasserstoff der am meisten verbreitetste Atomkern mit

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ungerader Atomzahl in lebendem Gewebe ist. Die NMR-Technik eignet sich sehr gut für die Aufzeichnung relativer Wasserstoff kerndicht en in lebendem Gewebe.

Die Prinzipien der NMR-Technik sind an sich bekannt. Alle Atomkerne mit einer ungeraden Zahl von Protonen und Neutronen (d.h. ungerader Massenzahl) verhalten sich insgesamt wie kleine Magnete. Wenn sie in ein gleichmäßiges äußeres Magnetfeld gebracht werden, präzessiert die magnetische Achse dieser Atomkerne (und daher diejenigen der Atome selbst) in einem Winkel um die Achse des angelegten Feldes. Dadurch entsteht ein magnetisches Moment oder ein "Spin" bei einer sogenannten Larmor-Frequenz. Die Larmor-Frequenz (f_o) steht in Beziehung zu dem magnetischen Feld (B_n) in der Position des Atomkernes durch die Gleichung f~ = 2Jp y^Bq, wobei γ-'eine Konstante ist, nämlich die Eigen-schaft des gyromagnetischen Verhältnisses eines bestimmten Atomkerntyps.

Es ist bekannt, daß die Richtung des effektiven Winkelmomentes oder "Spins" einer Gruppe von Atomkernen (und somit ihre effektive magnetische Achse) umgelenkt werden kann bezüglich des äußeren magnetischen Feldes und zwar durch elektromagnetische Signale mit einer Frequenz, die gleich der Larmor-Frequenz ist. Das elektromagnetische Signal lenkt den effektiven Spin der Resonanzatomkerne (also derjenigen mit Larmor-Frequenz) um einen Betrag entsprechend seiner Amplitude und seiner Dauer um. Die Richtung der Umlenkung (Nutation) ist eine Funktion der Phase des elektromagnetischen Signals in Bezug auf die Kernpräzession um das angelegte magnetische Feld.

Nimmt man an, daß die Kernspins, die anfänglich auszurichten sind und dann quer zu der Anfangsrichtung umgelenkt werden,

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so werden die Veränderungen der Orientierungen der magnetischen Kernachsen ein charakteristisches RF-Signal in einer Spule induzieren, die an einen RF-Signalempfanger angeschlossen ist. Die Wiederpolarisierung (Wiederausrichtung bezüglich des angelegten Feldes) tritt danach in Übereinstimmung mit einer (longitudinalen) Spingitterrelaxationszeit T₁ auf.

Wo ein Gradient des magnetischen Feldes in einem Objekt herrscht oder wenn Inhomogenitäten in dem angelegten magnetischen Feld existieren, haben Atomkerne mit dem gleichen gyromagnetischen Verhältnis V-'unterschiedliche Larmor-Frequenzen in Übereinstimmung mit ihren Positionen in dem Objekt. Ein Volumen mit Atomkernen in einem Objekt kann so angesehen werden, als habe es einen Bereich von Präzessionsfrequenzen, in dessen Mitte eine vorgegebene Larmor-Frequenz liegt.

Man kann den Kernprozeß auch einfach verstehen, wenn man ihn von einem rotierenden Bezugssystem aus beschreibt, welches mit Larmor-Frequenz rotiert derart, daß ein magnetisches Kernmoment η, welches mit genau der gleichen Larmor-Frequenz präzessiert, stationär erscheint. In diesem Bezugsfeld ist die Makroskopische Magnetisierung M (bis zur Umlenkung) nominell ausgerichtet mit der Richtung des angelegten magnetischen Feldes B,..

Beim Eintreten des Wiederausrichtens der Atomkerne beginnen die relativen Phasen der einzelnen Spins (wobei "Phase" definiert ist als Winkel zwischen der Projektion des Spin auf eine Ebene in dem rotierenden Bezugssystem und einer Achse in dieser Ebene, welche durch die Rotationsachse geht) zu divergieren, indem einige Atomkerne schneller und einige langsamer als die mittlere Larmor-Frequenz präzessieren. Auf diese Weise tritt ein allmähliches "Aus-

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einanderlaufen der Phasen" dtr einzelnen Kernspins und folglich Verlust der Phasenkoherenz auf. Anfänglich wird bei der Umlenkung eine relativ hohe Spannung in den Empfängerspulen induziert, welche allmählich in der Amplitude entsprechend dem Energieaustausch zwischen den Spins abnimmt (Spin-Spin-Relaxationszeitkonstante T_?) und somit Auseinanderlaufen der Phasen der Spins, was beides zusammen charakterisiert ist durch eine Relaxationszeit Ίί. Dieses Signal wird freier Induktionsabfall (FID) genannt.

Wie bekannt, kann ein "Spinecho" oder eine nachfolgende Darstellung des FID dadurch erzeugt werden, indem man die jeweiligen Spins in ihre Phasenkoherenz zurückbringt.

Wenn beispielsweise zu einem Zeitpunkt t- nach der Umlenkung (z.B. um 90° bezüglich der Anfangsrichtung) der Kernspins durch einen ersten elektromagnetischen Impuls von geeigneter Frequenz, Größe und Dauer (nachfolgend als 90°-Impuls bezeichnet) ein weiteres elektromagnetisches Signal geeigneter Frequenz, Größe und Dauer zur Hervorrufung einer 180°-Umlenkung (Nutation) der Kernspins (nachfolgend als 180 -Impuls bezeichnet) angelegt wird, so wird jeder einzelne Spin um 180 gedreht (in dem rotierenden Bezugssystem). Dies bedeutet, daß die Phase nunmehr die negative Phase ist, die vor dem 180°-Impuls angenommen wurde. Die Akkumulation weiterer Phasenabweichungen für einzelne Kernspins ist die gleiche wie zuvor; daher kommen zu einem Zeitpunkt 2 ^*"{nach der Anfangsstörung) alle einzelnen Spins wieder in Phasenkoherenz (die negative Phase beseitigt die weiter akkumulierte Phase). Auf diese Weise wird ein sogenanntes "Spinecho" des FID erzeugt. Die Spitzenamplitude des Spinechos ist abhängig von der Querrelaxationszeitkonstante T₂. Das Spinecho enthält im Endeffekt ein Spiegelbild und Echo des FID, welches um einen Zeitpunkt 2 f nach der Anfangsstörung zentriert ist.

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Es soll darauf hingewiesen werden, daß das Spinecho immer zu einer Zeitperiode nach der Anwendung des 180 -Impulses einen Spitzenwert annimmt, welcher gleich dem Zeitintervall zwischen der Anwendung der anfänglichen Störung (90 Impuls, welcher den FID erzeugt) und der Anwendung des 180°-Impulses ist. Dieses Phänomen wird nachfolgend als "Regel von den gleichen Zeiten" genannt.

Wegen weiterer Einzelheiten der Grundprinzipien der NMR wird auf Farrar und Becker "Pulse and Fourier Transform NMR Introduction to Theory and Methods", Academic Press, New York, 1971 verwiesen.

Während die NMR-Techniken lange für die Messung magnetischer Felder und chemischer Analysen benutzt wurden, ist die NMR erst kürzlich auf medizinische Bilddarstellungen angewendet worden. Im allgemeinen beruhen die NMR-Abbildungs-Techniken auf der Prämisse, daß bei bewußtem Anordnen einer Probe innerhalb eines positionsveränderlichen Magnetfeldes (ein Magnetfeld mit einer Intensität, welche entsprechend der jeweiligen Position variiert), die Larmor-Frequenzen der Atomkerne, die in unterschiedlichen Positionen verteilt liegen, damit unterschiedlich gemacht werden. Auf diese Weise wird eine Frequenzdiskriminante gebildet für Spins von Atomkernen in unterschiedlichen Positionen und die Spindichte einer Einheit oder eines Elementes eines Volumens innerhalb des angeregten Volumens von Atomkernen wird durch eine besondere Frequenzkomponente des FID dargestellt.

Abbildungstechniken, die die NMR benutzen, fallen in fünf verschiedene Kategorien: Abbildungen von Projektionen, FONAR, Abbildung eines empfindlichen Punktes, Fourier-Abbildung und Abbildung durch selektive Bestrahlung.

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Die Abbildung nach der Projektionstechnik umfaßt die Erzeugung einer Vielzahl von Projektionen vieler unterschiedlicher Orientierungen beispielsweise durch Erzeugung eines linearen Feldgradienten in dem Objekt und Aufzeichnen einer eindimensionalen Projektion der Kerndichte in der Richtung, die von dem Gradienten bestimmt wird. Ein Abbild wird dann aus den Projektionen durch mathematische Verfahren rekonstruiert, die ähnlich denjenigen sind, die bei der X-Strahlen-Tomograhpie angewendet werden. Ein solches Verfahren ist von Lauterbur, Nature, 242:190, März 1973 beschrieben.

Die FONAR-Technik benutzt gestaltete Magnetfelder, die an das Objekt angelegt werden derart, daß nur ein schmales Resonanzfenster innerhalb der Probe ein NMR-Signal erzeugt, Der empfindliche Bereich wird dann über das Objekt geschwenkt beispielsweise durch räumliche Bewegung. Im Zusammenhang mit der Beschreibung der FONAR-Technik wird auf Damadian et al, "Focusing Nuclear Magnetic Resonance (FONAR)", Visualization of a Tumor in a Live Animal* Science, Vol. 194, Seiten 1430-1432, Dezember 1976 und US-PS 37 89 832 (Damadian) verwiesen.

Die Abbildungstechnik mit empfindlichem Punkt, die auch als Spin-Aufzeichnung bekannt ist, ist ein Verfahren, durch welches das NMR-Signal von bestimmten Einheitsvolumen in Aufeinanderfolge aufgezeichnet wird. Ein Magnetfeldgradient, der mit einer vorbestimmten niedrigen Frequenz (in der Größenordnung von 50 Hz)· wechelst, wird entlang einer Achse des Objektes erzeugt. Das NMR-Signal von allen Elementen in dem Objekt wird so mit der Frequenz des Gradientenwechsels moduliert, mit Ausnahme der Protonen, die in der Nullebene des Gradienten liegen. Ähnlich können wechselnde Gradienten mit asynchronen Frequenzen entlang von Querachsen angelegt werden, um im Endeffekt einen Nullpunkt in dem Objekt am

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Schnittpunkt der Gradientennullebenen zu definieren. Eine entsprechende Tiefpaß-Filterung liefert auf diese Weise einen Kenntwert des HMR-Signals von dem Schnittpunkt der drei Nullebenen. Eine rasterähnliche Abtastung des Objekts wird durch Variation der relativen Gradienten erzielt. Die Abbildungstechnik des empfindlichen Punktes wird bei Hinshaw, Journal of Applied Physics, Vol. 47, Nr. 8, August 1976 beschrieben.

Das Verfahren mit vielfachen empfindlichen Punkten benutzt zwei orthogonale wechselnde Gradienten zur Definition einer Null-Linie und eine Reihe von kohärenten im gleichen Phasenabstand befindlicher wechselnder Resonanzradiofrequenzimpulse, wie es beispielsweise von Andrew et al, "NMR Images by Multiple Sensitive Point Method, Application to Larger Biological Systems", Phys. Med. Biol., 1977, Vol. 22, Nr. 5, Seiten 971-974 vorgeschlagen ist. Es wird festgestellt, daß eine diskrete Fourier-Transformation des Signals, welches zwischen RF-Impulsen empfangen wird, zur Schaffung eines Kennwertes der Protonendichte entlang der Schnittlinie von zwei Nullebenen wechselnder Gradienten benutzt wird.

Die Fourier-Abbildungs-Techniken verwenden im allgemeinen einen anfänglichen RF-Impuls zur Umlenkung der Spins der Protonen in dem Objekt um 90°. Während des sich ergebenden FID-Signals wird das Objekt aufeinanderfolgenden Gradienten unterworfen, die in schneller Folge entlang der drei Hauptachsen des cartesischen Koordinatensystems angelegt werden. Das FID-Signal wird in Anwesenheit des zuletzt angelegten Gradienten aufgefangen und eine dreidimensionale Fourier-Transformation wird zur Entwicklung eines dreidimensionalen Abbildes ausgeführt. Zweidimensionale Fourier-Transformations-Methoden sind ebenfalls bekannt. Zur näheren

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Erläuterung der Föurier-NMR-Techniken wird Bezug genommen auf Kumar et al, "NMR Fourier Zeugmatography", Journal of Magnetic Resonance, 18, Seiten 69-83, 1975.

Die Abbildung durch selektive Bestrahlungstechniken umfaßt die Verwendung einer Folge von elektromagnetischen Impulsen mit vorbestimmten Frequenzspektren. Ein erster Magnetgradient wird längs einer gegebenen Achse angelegt und das Objekt wird mit einer Folge von elektromagnetischen Impulsen bestrahlt, die ein kombiniertes Frequenzspektrum mit gleicher Intensität bei allen Larmor-Frequenzen in dem Objekt mit Ausnahme eines schmalen Bandes haben. Als Ergebnis der Bestrahlung werden alle Atomkerne innerhalb des Objekts, mit Ausnahme einer schmalen Ebene, gesättigt. Die gesättigten Atomkerne werden dadurch für weitere elektromagnetische Signale für eine Zeitperiode in der Größenordnung der Spin-Gitter-Relaxationszeitkonstante T₁ unempfindlich. Der erste magnetische Gradient wird durch einen Gradienten in einer orthogonalen Richtung ersetzt und das Objekt wiederum durch eine Folge von elektromagnetischen Impulsen bestrahlt, dieses Mal mit einer Bandbreite, die einem bestimmten Elementarstreifen innerhalb der ungesättigten Ebene entspricht. Die zweite Folge von Impulsen lenkt die Spins der Atomkerne innerhalb des vorbestimmten Streifens um 90° Um, wodurch sich die Erzeugung eines FID ergibt. Der FID wird dann in Anwesenheit eines Magnetgradienten in der dritten orthogonalen Richtung (längs der Richtung des Streifens) aufgezeichnet und eine Fourier-Transformation vorgenommen, um die Kerndichteverteilung längs der Linie festzustellen. Wegen Einzelheiten der Abbildung mit selektiver Bestrahlung wird auf die US-PS 40 726 (Garroway et al) verwiesen.

so mt* tut

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Im übrigen wird im Zusammenhang mit den NMR-Abbildungs-Techniken und anderen damit verbundenen Techniken Bezug genommen auf:

P.C. Lauterbur et al., "Magnetic Resonance Zeugmatography" I8th Amper. Conf. 1974; P. Mansfield, P.K. Grannel & A.A. Maudsley, "Diffraction and Microscopy in Solids by NMR,¹; 18th Amper. Conf. 197¹I, pp. 131-132; P.C. Lauterbur, "Magnetic Resonance Zeugmatography¹¹ j P.C. Lauterbur, "Flow Measurements by NMR Zeugmatography," October 21, 1973; P.C. Lauterbur, "Stable Isotope Distributions by NMR," Proe. First International Conf. on Stable Isotopes Conf. 730525, May 9-18, 1973; PP. 255-260; P.C. Lauterbur, "Image Formation by Induced Local Interactions: Examples Employing Nuclear Magnetic Resonance," Nature, Vol. 212, March 16, 1973, PP- 190-191; P.C. Lauterbur et al., "ESR Zeugmatography - Distributions of unpaired Electrons Within Objects," Gordon Conf. August 12-16, 1971; P.C. Lauterbur et al., "In Vivo Studies of Cancer by NMR Zeugmatography," Gordon Conf. August 12-16, 1971; P-C Lauterbur, "Reconstruction in Zeugmatography - The Spatial Resolution of Magnetic Resonance Signals," Intl. Workshop on 3-D Image Reconstruction Techniques, July 16-19, 1971; A.N. Garroway, "Velocity Profile Measurements by NMR," I8th Amper. Conf. 1971, pp. I35-I36; W.S. Hinshaw, "The Application of Time Dependent Field Gradients to NMR Spin Mapping," 18th Amper. Conf. 1971, pp. 133-131; J.M.S. Hutchinson, J.R. Mallard & CC. GoIl, "In Vivo Imaging of Body Structures Using Proton Resonance," I8th Amper. Conf. 1971, pp. 283-281; P. Mansfield & A.A. Maudsley, «Line Scan" Proton Spin Imaging in Biological Structures by NMR," Phys. in Medicine and Biology 21 No. 5 (1976), pp. 817-852; P.K. Grannel, "NMR Body Images," Physics Bulletin, March 1976, pp.· 95-96; P.C. Lauterbur, D.M.

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Krammer, W.V. House, C. Chen, "Zeugmatographic High Resolution NMR Spectroscopy, Images of Chemical Inhomogeneity Within Macroscopic Objects," American Chemical Society Journal, 97-23, November 12, 1975; P. Mansfield & P.K. Grannel, "Diffraction and Microscopy in Solids and Liquids by NMR," Physical Review B, Vol. 12, No. 9, November 1, 1975, pp. 3618-363¹I; P. Mansfield, A.A. Maudsley & T. Baines, "Fast Scan Proton Density Imaging by NMR," J. of Physics E, Vol. 9, 1976, pp. 271-278; P.C. Lauterbür, "Bibliography on Magnetic Resonance Zeugmatography," June 3, 1975; A.N. Garroway, P.K. Grannel 4P. Mansfield, "Image Formation in NMR by a Selective Irradiative Process," J. Phys. C: Vol. 7, 197²*, pp. 457-462; A. Kumar, D. Welt & R. Ernst,- "NMR Fourier Zeugmatography," J. Mag. Res. 18, 69-83 (1975); P. Mansfield & A.A. Maudsley, "Medical Imaging by NMR," British Journal of Radiology 50, 188-194 (1977); D.I. Hoult, "Zeugmatography: A criticism of the Concept of a Selective Pulse in the presence of a Field Gradient," J. Mag. Res. 26, 165-167 (1977); P. Mansfield & A.A. Maudsley, "Planar Spin Imaging by NMR," J. of Physics C.,Vol. 9, 1976, pp. L409-412; Ρ. Mansfield, "Proton Spin Imaging by Nuclear Magnetic Resonance," Contemporary Physics, Vol. 17» No. 6, 1976 pp. 553-576; R. Damadian et al., "Field Focusing Nuclear Magnetic Resonance (FONAR): Visualization of a Tumor in a Live Animal," Science, Vol. 19¹I, 2¹J December 1976, pp. 1430-1431, E.R. Andrew, "Zeugmatography," lVth Amper. Summer School, _m Sept. 1976; W.S. Hinshaw, "Image Formation by Nuclear Magnetic Resonance: The Sensitive-Point Method," J. of Applied Physics, Vol. 47, No. 8, August 1976; R. Damadian, M. Goldsmith & L. Minkoff, "NMR in Cancer: XVI FONAR Image of the Live Human Body," Pliysiol. Chem. and" Phys. 9, (1977), pp. 97-108; G.N. Holland & P.A. Bottomley, "A Colour Display

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Technique for NMR Imaging," J. of Physics E: 10 (1977), pp. 71*1-716; T. Baines & P. Mansfield, "An Improved Picture Display for NMR Imaging," Journal of Physics E: Scientific Instruments 9 (1976), pp. 809-811; E.R. Andrew et al., "NMR Images by the Multiple Sensitive Point Method: Application to Larger Biological Systems," Physics in Medicine and Biology 22, No. 5, 971-97¹I (1977); L- Minkoff, R. Damadian, T-E. Thomas, N. Hu, M. Goldsmith, J. Koutcher & M. Stanford, "NMR in Cancer: XVII. Dewar for a 53-Inch Superconducting NMR Magnet," Physiol. Chem. and Phys. 9 (1977), pp. 101-109; Ros Herman, "NMR Makes Waves in Medical Equipment Companies," New Scientist, January 12, 1978; L.E Crooks, T.P. Grover, L. Kaufman & J.R. Singer, "Tomographie Imaging with Nuclear Magnetic Resonance," Investigative Radiology, 13, 63 Jan-Feb. 1978; W.S. Hinshaw, P.A Bottomley & G.N. Holland, "Radiographic Thin-Section Image of the Human Wrist by Nuclear Magnetic Resonance," Nature, Vol. 270, No. 22, 29 December, 1977, pp. 722-723; and T.C. Farrar & E.D. Becker, "Pulse and Fourier Transform NMR "- Introduction to Theory and Methods," Academic Press, 1971, New York, PP- 1-33.

Außerdem wird auf die US-Patentschriften 39 75 675 (Dunand et al), 40 21 726 (Garroway et al), 40 15 196 (Moore et al), 40 34 191 (Tomlinson et al), 37 89 832 (Damadian), 39 32 805 (Abe et al), 36 51 396 (Hewitt et al) und 39 99 118 (Hoult) verwiesen.

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Alle der zuvor beschriebenen Techniken sind in gewisser Weise nachteilig. Beispielsweise erfordert die Technik zur Entwicklung eines Abbildes aus Projektionen eine umfangreiche mathematische Datenverarbeitung. Die FONAR-Technik erfordert offensichtlich entweder ein äußerst kompliziertes System zur Abtastung des magnetischen Feldes oder Einrichtungen zur Erzeugung relativer Bewegung zwischen dem Feld und dem Objekt. .

Die dreidimensionelle Fourier-Transformations-Technik erfordert, daß alle Ebenen simultan mehrfach abgetastet werden, um genügend Dateniriformation zu erhalten, so daß die Dateninformation "von den verschiedenen Ebenen mathematisch getrennt werden kann. Bei der zweidimensionalen Fourier-Transformations-Technik ist die WiederhOlungsrate begrenzt durch die T..-Spin-Gitter-Relaxatiönszeit der Atomkerne, da jede Bestrahlung das gesamte Spinsystem beeinflußt. Außerdem wird hierbei ein beachtlicher Umfang an Computerspeicherung notwendig.

Die Abbildungstechnik, die selektive Bestrahlung anwendet, bei welcher das gesamte Objekt mit Ausnahme einer einzigen Ebene gesättigt wird, ist insofern nachteilig, als ein solches System nicht einfach für die rasch aufeinanderfolgende Abtastung mehrfacher Ebenen angepaßt werden kann. Dies bedeutet, daß vor der Adressierung einer zweiten Ebene eine genügende Zeit vergangen sein muß, in welcher das Objekt ungesättigt wird.

Die vorliegende Erfindung ist auf eine Technik gerichtet, die die selektive Bestrahlung des Objektes durch elektromagnetische Impulse zur Erzeugung von Spinechos (also ent—

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gegengesetzt zum Nachweis von Signalen des freien Induktionsabfalles (FID-Signalen)), um daraus eine rasche Mehrfachebenenabtastung zu erhalten.

Das Phänomen von Spinechos ist an sich bekannt. In der Vergangenheit wurde jedoch das Spinecho hauptsächlich für Messungen der Querrelaxationszeitkonstante T_ einer Probe angewendet. Ein Beispiel für ein System, welches Spinechos für die Messung der Relaxationszeit T„ bei der Feststellung von Erdformationen, die von Bohrlöchern durchquert sind, verwendet, ist in der US-PS 31 28 425 (Codrington) beschrieben. Ähnlich beschreibt die US-PS 32 13 355 (Woessner) ein System zur Messung der Dimensionen eines Behälters unter Verwendung von Spinechos zur Bestimmung der Querrelaxationszei t Tp.

Mansfield und Maudsley, "Planar Spin Imaging by NMR", J. Phys. C: Solid State Physics, Vol. 9, 1976 scheinen anzudeuten, daß nach dem Abfall eines FID-Signals verschiedene Signalrefokussierungsanordnungen (selektive 180°-Impulse, 90°-Impulse und verschiedene Kombinationen mit Feldgradientenumkehrungen) angewendet werden können, um das Signal für Signalmittelwertbildungszwecke abzurufen. Der spezifische Mechanismus der Refokussierungsanordnungen ist in diesem Artikel jedoch nicht beschrieben. Eine ähnliche Abhandlung (US-PS. 37 81 650 (Keller)) scheint ein NMR-Spektrometer zu beschreiben, worin FID-Signale und Spinechos zu Zwecken der Interferenzreduktion kombiniert werden.

In der Veröffentlichung von Hoult, Journal of Magnetic Resonance, 26, 165-167 (1977) ist festgestellt, daß die selektiven Bestrahlungstechniken das "Ungewißheitsprinzip" verletzen, wenn nicht Nicht-Linearitäten in dem NMR-System ausgewertet werden. Hoult stellt fest, daß ein selektiver

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Rechteckimpuls ein weites Spektrum an Frequenzen enthält und daß während der Zeit, in welcher der Impuls angelegt wird, die "umgekippten Spins" außer Phase geraten. Es wird dort jedoch weiter behauptet, daß die Situation insoweit nicht unwiderbringlich ist, als bei Umkehrung des Feldgradienten nach dem Impuls ein Echo des Impulses gebildet wird und in der Mitte des Echos bei Impulsen mit geringem Phasenwinkel alle Spins in Phase liegen.

Die Veröffentlichung von Hoult schließt ein, daß die Gestalt des ausgewählten Bereichs im wesentlichen identisch mit der Gestalt des Spektrums der ausgewählten Bestrahlung ist. Es wurde jedoch mit der vorliegenden Erfindung festgestellt, daß, da das Ansprechvermögen der Kernspins gegenüber RF-Magnetfeiderη nicht linear ist, die Gestalt des ausgewählten Volumens nicht genau der Gestalt des Spektrums des anregenden RF-Magnetfeldes ist. So regt beispielsweise ein Spektrum mit einem genauen Rechteckblock an Frequenzen ein Volumen an, welches einen Frequenzbereich überdeckt, der etwas breiter als der Block- an Frequenzen ist; ferner sind die Ränder des angeregten Volumens abgeflacht und nicht vertikal. Die Gestalt des angeregten Volumens kann man berechnen unter Verwendung der Block-Gleichungen, die bei Farrar und Becker, Seiten 7 und 8 beschrieben sind mit einem geeigneten zeitabhängigen RF-Magnetfeld mit dem betrachteten Frequenzspektrum. Die Benutzung der Block-Gleichungen bestimmt auch das Außerphasegeraten des Spins, das während des RF-Impulses eintritt. Es kann so gezeigt werden, daß der Gradientenumkehrvorschlag von Hoult auch für Kippwinkel arbeitet, die nicht klein sind. Für einen Kippwinkel von 90° ist die erforderliche Gradientenumkehr zur Erlangung eines Maximalsignales von den Spins in dem ausgewählten·Volumen ein umgekehrter Gradient mit der gleichen Stärke wie das Original aber mit einer Dauer, die

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etwa der Hälfte der Dauer der Bestrahlung entspricht. Die genaue Dauer des Umkehrgradienten ist von der Gestalt des RF-Impulses abhängig. Die Wirkung dieses umgekehrten Gradienten besteht darin, daß die meisten der Spins, die während der selektiven Bestrahlung außer Phase geraten, sich wieder sammeln. Da das Außerphasegeraten während der selektiven Bestrahlung nicht linear ist, ist das Wiederinphasebringen nicht vollkommen aber doch weitgehend erreichbar. Nach der Beendigung des Umkehrgradienten erhält man ein Signal, welches als FID-Signal anzusehen ist, obgleich es Hoult ein Echo nennt. Der andere große Kippwinkel, der häufig benutzt wird, ist 180°. Eine selektive Bestrahlung dieses Wertes erfordert keine Phasenkorrektur. Der Grund liegt darin, daß das Außerphasegeraten des Spins während der ersten 90° des Umkippens durch ein Wiederinphasekommen während des zweiten 90°-Umkippens ausgeglichen wird.

Die Gradientenumkehr nach einer selektiven Bestrahlung ist eine der vielen Arten von Phasenkorrekturen, die für die Ausführung der Linienaufzeichnungstechniken, die hier beschrieben werden, notwendig sind. Die Anlegung eines umgekehrten Gradienten für eine Zeitdauer, die etwa der Hälfte der Dauer der selektiven Bestrahlung entspricht, wird nachfolgend als Phasenkorrektur Typ I bezeichnet. In der Praxis ist die Fläche unter dem Korrekturgradienten aufgetragen gegen die Zeitwellenform der kritische Faktor. Wenn der Korrekturgradient zweimal so stark wäre, müßte er nur für die Hälfte der Zeit angelegt werden. Dies trifft für alle Arten von Phasenkorrekturen zu und die vorliegende Beschreibung bezieht sich nur der Einfachheit halber beispielsweise auf gleiche Stärken. Eine zweite Art von Phasenkorrektur, nachfolgend als Phasenkorrektur Typ II bezeichnet, ist die unmittelbare Korrektur für einen Gradienten-

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impuls, der gerade geendet hat; die Phasenverbreiterung, welche in Teilen des Objektes stattfindet, ist nicht einer selektiven Bestrahlung ausgesetzt; während der Anwendung wird der Gradientenimpuls korrigiert durch sofortige Anlegung eines gleichen und entgegengesetzten Gradienten während des gleichen Zeitbetrages, wie der Originalgradientenimpuls. Eine Erweiterung der Phasenkorrektur Typ II besteht in der Einführung einer Verzögerungszeit vor der Anlegung des Korrekturgradienten. Ereignisse wie Spinechos, können während dieser Verzögerungszeit beobachtet werden. Eine solche Phasenkorrektur, bei welcher ein entgegengesetzt polarisierter Gradient nach einer Verzögerungszeit angelegt wird, ist nachfolgend als Phasenkorrektur Typ III bezeichnet. Eine weitere Phasenkorrektur Typ IV ist der Korrektur Typ III ähnlich mit der Ausnahme, daß ein 180°- RF-Impuls an das interessierende Volumen angelegt wird während einer. Zeitperiode zwischen der Anlegung des Originalgradienten und des Korrekturgradienten derart, daß die Polarität des Korrekturgradienten der gleiche ist wie der des ersten Gradienten. Der Korrekturgradient hat die gleiche Polarität wie der erste Gradient -,. da der dazwischentretende 180°-RF-Impuls die Phasen negativ macht.

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zur Abbildung mittels selektiver Bestrahlung gerichtet, bei welchem eine direkte Analyse des Spinechos (im Gegensatz zur Analyse des FID-Signals) eine rasch aufeinanderfolgende Abtastung mehrerer Ebenen (planarer Volumen) innerhalb eines Objekts erlaubt. Eine vorbestimmte Zahl an parallelen Ebenen wird aufeinanderfolgend selektiv derart angeregt, daß die Spins der Atomkerne, die darin angeordnet sind, um etwa 90° umgelenkt werden. Eine vorbestimmte Zahl von Querebenen in dem Objekt wird dann selektiv angeregt zur Um-

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lenkung der Spins der darin befindlichen Atomkerne um 180 Die Kerne, die in den jeweiligen Schnitten der 90°-umgelenkten Ebenen und 180°-umgelenkten Ebenen liegen, erzeugen danach Spinechosignale zu Zeitpunkten in Übereinstimmung mit der Regel der gleichen Zeiten. Die Spinechosignale werden so während einer Folge jeweiliger Zeitperioden erzeugt. Durch Messung der Spinechos in Anwesenheit eines positionsveränderlichen Magnetfeldes längs der Schnittlinie kann die Spindichte der Einheitsvolumen innerhalb jeder einzelnen Schnittlinie durch Fourier-Transformation der jeweiligen Spinechosignale dargestellt werden.

Wenn die Sätze an wiederholten Ausgabewerten einer bestimmten' Linie zu häufig auftreten, verringern T.-Effekte die Signalstärke von den Einheitsvolumen. Somit zeigt die Signalstärke die kombinierten Effekte von Spindichte und T₁ an. Volumenelemente mit langen ^-Werten haben dann geringere als normale "scheinbar" Spindichten.. Volumenelemente mit kurzen T₁-Werten zeigen sehr geringe Veränderung von der "wahren" Spindichte. Dieser Effekt erlaubt die Konstruktion eines T₁-Abbildes durch Herstellung mehrerer "scheinbarer" Spindichteabbildungen unter Verwendung immer kürzerer Zeiten zwischen den Sätzen wiederholter Ablesungen. Die Abnahme der scheinbaren Dichte als Funktion der Zeit zwischen den wiederholten Ablesungen kann zur Berechnung des Wertes T₁ für jedes Volumenelement benutzt werden. Die T₁-Werte aller'Volumenelemente können dann zur Erzeugung eines T₁-Abbildes des Objekts verwendet werden.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger

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ilombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.

Es zeigen:

Fig. 1A-1D_ schematische Darstellungen eines Gegenstandes, der Einlinien-Abtast-Spinechosegment in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ausgesetzt ist,

Fig. 2 ein Diagramm, welches die selektive Spinechosequenz von Fig. 1 veranschaulicht,

Fig. 3 eine schematische Veranschaulichung der Spinechosequenz nach den Fig. 1 und 2,

Fig. 4A-4C schematische Darstellungen eines Gegenstandes, der einer Mehrfachlienen-Spinechoabtastsequenz ausgesetzt ist,

Fig. 5 ein Diagramm, welches eine Zweilinien-Spinabtastsequenz veranschaulicht,

Fig. 6 u. 7 schematische Graphen weiterer Mehrfachlinien-Spinechosequenzen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,

Fig. 8, 9 u. 10 schematische Graphen, welche die Spinecho-Abtastsequenz in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung unter Anwendung des Kopierens veranschaulichen,

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Fig. 11 ein schematisches Blockdiagramm eines Gerätes zum Erzeugen von Spinecho-Abtastsequenzen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,

Fig. 12 eine auseinandergezogene bildliche Darstellung eines Teiles des Gerätes von Fig. 11, und

Fig. 13 ein schematisches Blockdiagramm der Demodulator- und Frequenz-Sythesizer/Phasengeneratorelemente nach Fig. 11.

Gemäß Fig. 1 und 2 wird eine Spinecho-Abtastsequenz in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung anhand der Bestimmung der normalen oder Ί^-modifizierten Dichte von Kernspins (nachfolgend als "Spindichte" bezeichnet) in einem Einheitsvolumen 11 in einem Objekt 10 erläutert. Ein geeignetes Gerät zur praktischen Anwendung einer derartigen Spinecho-Abtastsequenz wird nachfolgenden in Zusammenhang mit den Fig. 11, 12 und 13 beschrieben.

Der erste Schritt der Spinecho-Abtastsequenz ist, wie bei den anderen NMR-Abbildungs-Techniken, die Schaffung einer anfänglichen Ausrichtung der Kernspins in dem Objekt Zu diesem Zweck wird ein intensives Magnetfeld B_n beispielsweise entlang der Z-Richtung eines cartesisehen Koordinatensystems erzeugt, welches mit dem Objekt 10 (Fig. IA) ausgerichtet ist. Wie zuvor erwähnt, nehmen die Kernspins der Atomkerne Larmor-Frequenzen an, die direkt proportional dem herrschenden Magnetfeld sind und zu einer Ausrichtung mit dem Magnetfeld B_Q neigen.

Als nächstes wird ein bestimmtes Volumen innerhalb des Objektes 10 angeregt, um die Spins der Atomkerne in dem Volumen in eine Querorientierung, vorzugsweise um 90°,

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umzulenken. Atomkerne mit Spins einer vorgegebenen Larmor-Frequenz sind auf äußere elektromagnetische Signale nur ansprechbar, soweit sie im wesentlichen ebenfalls Larmor-Frequenz haben. Wenn somit ein Objekt 10 einem positionsveränderlichen Magnetfeld, also beispielsweise einem magnetischen Gradienten längs der X-Richtung (g =

ausgesetzt wird, so haben die Atomkerne, die in den verschiedenen Y-Z-Ebenen (planaren Volumen) an unterschiedlichen Stellen (Positionen) längs der X-Achse liegen, unterschiedliche Larmor-Frequenzen. Eine einzelne Y-Z-Ebene kann somit durch Bestrahlung des Objektes 10 adressiert werden (in Anwesenheit des X—positionsveränderlichen Feldes) durch ein elektromagnetisches Signal mit einem Frequenzspektrum, welches der besonderen Larmor- Frequenz der Ebene entspricht. In der Praxis hat natürlich das adressierte Volumen von Atomkernen eine endliche X- Dimension; dementsprechend werden Spins mit Larmor-Frequenzen in einer vorbestimmten Bandbreite eingeschlossen.

Somit wird nach der anfänglichen Ausrichtung der Spins durch das Feld B₀ ein X-veränderliches Magnetfeld^ geeigneterweise ein Gradient g (Fig. 2) in dem Objekt 10 erzeugt, um eine Larmor-Frequenzdiskriminante entlang der X-Achse zu schaffen. In Anwesenheit des Gradienten g wird ein bestimmtes planares Volumen 12 (Fig. IB) in dem Objekt 10 durch die Bestrahlung des Objektes 10 mit einem elektromagnetischen 90 -Impuls X. mit einem Frequenzspektrum, welches im wesentlichen aus den Frequenzkomponenten, die den Larmor—Frequenzen der Atomkerne, die in der Ebene (dem planaren Volumen) 12 entsprechen, adressiert.

Das Verhältnis von 90 -Impuls X₁ und Gradient g ist in Fig. 2 veranschaulicht. Die Fig. 2 (und Fig. 5) stellt die Anwesenheit oder Abwesenheit des Gradienten und nicht die Gestalt oder die Form des Gradienten selbst dar.

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Um die folgende Erörterung zu erleichtern, werden die nachfolgenden Annahmen getroffen: Der Prozeß der Bestrahlung des Objekts mit einem elektromagnetischen Signal eines vorbestimmten Frequenzspektrums in Anwesenheit eines positionsveränderlichen Feldes zur Anregung eines vorbestimmten Volumens von Atomkernen wird nachfolgend als "Prozeß der selektiven Bestrahlung" bezeichnet. Ähnlich werden die planaren Volumen, in welchen die Kernspins um 90° oder 180° umgelenkt werden, nachfolgend als 90°-Ebenen oder 180°-Ebenen bezeichnet.

Wie zuvor bemerkt, sind die Kernspins in dem Volumen 12 nach einem 90 -Impuls X₁ und einer Typ I-Phasenkorrektur -g anfänglich ausgerichtet und unter 90 in Bezug auf die ursprüngliche Orientierung. Somit induzieren sie eine relativ starke Spannung in einer Spule, die um die X-Achse angeordnet ist. Die induzierte Spannung fällt jedoch mit der Zeit ab, während sich die Phasen der Spins in unterschiedlichen Positionen in dem Volumen 12 verbreitern. Das Signal des freien Induktionsabfalls (FID), welches von den Atomkernen in dem Volumen 12 als Ergebnis eines 90°-Impulses X- erzeugt wird, ist in Fig. 2 veranschaulicht.

Nun wird eine Typ IV-Phasenkorrektur durch den Gradienten g . angelegt. Dieser Gradient wird zur Verbreiterung der Phasen längs der Z-Richtung angelegt, so daß sie durch g ρ während der ersten Hälfte der Spinechoanzeige refokussiert werden, g . hat die gleiche Fläche wie die erste Hälfte von g „. Fig. 2 zeigt g . so, daß es keinen anderen Gradienten zur Vereinfachung der Darstellung des FID-Signals überlappt. Es ist natürlich möglich, daß g_zl auch -g ohne nachteiligen Effekt auf das Spinecho und eine Reduktion in der für die Sequenz erforderlichen Zeit überlappt.

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Der nächste Schritt in der Spinecho-Abtastsequenz ist die Erzeugung einer 180°-Rotation der Kernspins in einem Volumen quer zum Volumen 12, welches das Volumen 12 schneidet derart, daß ein EinheiLsvolumen 11 beiden Volumen gemeinsam ist. Ein Y-positionsveränderliches Magnetfeld, geeigneterweise ein Gradient g =(f"B / J"y wird daher in dem Objekt 10 erzeugt und ein vorbestimmtes X-Z-Planarvolumen 14 (Fig. IC) wird mit einem 180^ο-ΐΓηρυΙε Υ. angeregt, welcher ein Frequenzspektrum hat, das dem Band der Larmor-Frequenzen der Atomkerne in dem Volumen 14 entspricht. Somit werden die Phasen der Spins der Kerne in dem Volumen 14 umgekehrt und das Volumen 14 wird eine 180°-Ebene. Die Wirkung der Phasenumkehr auf solche Atomkerne, die in beiden Ebenen 12 und 14 (nachfolgend als Schnittvolumen 16, Fig. ID) bezeichnet) liegen, ist die Zusammenführung der Spinphasen. Somit wird durch das Schnittvolumen 16 ein Spinecho (Fig. 2) erzeugt.

In Bezug auf Fig. 3 sei erwähnt, daß ein 180°-Impuls Y₁ im Endeffekt als ein Spiegelbild bezüglich des FID-Impulses 22 wirkt. Während sich die Phasen wieder zu gruppieren beginnen, wird eine Reflektion des Abfalls hervorgerufen und ein Spitzensignal wird zum Zeitpunkt 2 f-erzeugt, wobei ^gleich der Zeit zwischen der Erzeugung des 90°-Impulses X₁ und des 180°-Impulses Y₁ ist, in Übereinstimmung mit der Regel der gleichen Zeiten. Die Phasen der Spins verbreitern sich nachher und die Spinechöabfälle in ähnlicher Weise wie der Abfall des FID-Signals. Wie nachfolgend erläutert, kann die Regel der gleichen Zeiten in einem Viellinien-Äbtastsystem zur Erzeugung nicht-interferierender Spinechos von den Mehrfachebenen benutzt werden. Während ferner das Spinecho von geringerer Größe ist als das FID-Signal entsprechend der Querrelaxation (T ) liefert der Spiegeleffekt zweimal die Sammelperiode für die Aufnahme der Dateninformation.

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Das Spinecho wird in Anwesenheit eines positionsveränderlichen Magnetfeldes aufgenommen, bei welchem die Intensität des Magnetfeldes als Funktion der Position entlang der Schnittlinie variiert. Entsprechend Fig. 1 und 2 werden die einzelnen Spindichten der Einheitsvolumen innerhalb des Schnittvolumens 16 dadurch bestimmt, daß das Objekt 10 einem Z-positionsveränderlichen Magnetfeld, geeigneterweise einem Gradienten g = cfB / tfz (Fig. 1) während einer

Z Z

Zeitperiode unterworfen wird, während das Spinecho 24 erzeugt wird. Das Spinechosignal wird aufgenommen und eine Fourier-Transformation des aufgenommenen Spinechcsignals ausgeführt, um im Endeffekt die Intensität der verschiedenen Frequenzkomponenten des Spinechos zu messen. Die Spindichte des bestimmten Einheitsvolumens 11 wird somit durch die Intensität der Spinechofrequenzkomponente repräsentiert, welche der besonderen Larmor-Frequenz des Einheitsvolumens entspricht.

Wenn der Gradient g derart ist, daß sein Betrag zu B

Z Z

in der Mitte des Schnittvolumens 16 gleich Null ist, so haben Einheitsvolumen in gleichen Z-Abständen auf beiden Seiten der Mitte Larmor-Frequenzen mit gleichem Frequenzabstand oberhalb und unterhalb der mittleren Larmor-Frequenz. Die demodulierten Signalkomponenten derartiger Einheitsvolumen liegen bei gleichen und entgegengesetzten Frequenzen und können somit durch einfache 90°-Verschiebung-Nachweistechniken, wie noch beschrieben wird, diskriminiert werden.

Die zuvor beschriebene Spinecho-Abtastsequenz ist besonders vorteilhaft, weil sie auf einfache Weise an die rasche Mehrfachlinien-Abtastung angepaßt werden kann. Durch selektives Adressieren einer Folge jeweiliger Ebenen mit 90°- Impulsen, dann aufeinanderfolgendes Adressieren ausgewählter

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Querebenen mit 180°-Impulsen, kann eine zeitlich festgelegte Sequenz von Spinechos von mehreren Schnittlinien aus bewirkt werden. Die zuvor erwähnte Regel der gleichen Zeiten liefert eine Zeitdiskriminante zwischen den jeweiligen Spinechos. Als Beispiel wird mit Bezug auf die Fig. 4 und 5 nun eine Zweilinien-Sequenz erläutert.

Wie bei der Einlinien-Abtastsequenz wird eine erste Ebene 12 (Fig. 4A) durch selektive Bestrahlung adressiert, wobei geeigneterweise ein 90 -Impuls X₁ in Zusammenwirken mit: einem X-Gradienten g (Fig. 5) benutzt wird. Danach werden aufeinanderfolgende selektive Bestrahlungsprozesse ausgeführt , um Phasenumkehrungen in Querebenen 14A und 14B (Fig. 4B) zu erhalten. Wie in Fig. 5 veranschaulicht, wird ein Y-positionsveränderliches Magnetfeld, geeigneterweise ein Gradient g ., in dem Objekt 10 erzeugt und ein 180 -Impuls Y₁ mit geeignetem Frequenzspektrum zur selektiven Anregung des Volumens 14A um 180 angelegt. Eine zweite X-Z-Ebene 14B wird durch einen selektiven Bestrahlungsprozeß unter Verwendung eines zweiten 180 -Impulses Y_ und einen Y-Gradienten g „ in vorbestimmter Zeitbeziehung zu den impulsen X₁ und Y₁ angeregt. Die X-Z-Ebene 14B wird bei einer Y-Position ausgewählt, die unterschiedlich von der Ebene 14A ist, indem das Frequenzspektrum des 180°-Impulses Yp um eine geeignete Frequenz Δ F abgesetzt wird., wodurch das Hauptmagnetfeld B_Q um einen vorbestimmten Betrag Δ. Β (die Verschiebung A B bewirkt eine Verschiebung in der relativen Larmor-Frequenz in dem gesamten Objekt) oder durch eine Kombination von beiden. Die Δ B-Methode ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Die Atomkerne, die sowohl der 90°-Ebene als auch der 180°-Ebene gemeinsam sind, d.h. den Schnittvolumen X₁Y₁ und X₁Yp (Fig. .4C), erzeugen jeweilige Spinnechos (ebenfalls mit X₁Y-, und X₁Y₂ ⁱⁿ Fig.

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5 bezeichnet) zu jeweiligen Zeiten in Übereinstimmung mit der Regel der gleichen Zeiten. Die jeweiligen Spinechos werden in Anwesenheit von positionsveränderlichen Magnetfeldern, nämlich Gradienten g . und g _ (Fig. 5) aufgenommen, um eine Larrnor-Frequenzdiskriminante entlang der Schnittlinie darzustellen. Fourier-Transformationen werden von den aufgezeichneten Spinechos abgeleitet zur Entwicklung von Kennwerten der Spindichten oder T..-modifizierten Spindichten der Einheitsvolumen innerhalb der Schnittvolumen.

Es wird darauf hingewiesen, daß die jeweiligen Spinechos X₁Y₁ und X₁Y₂ ^zu Zeitperioden nach dem Impuls Y₁ und nach dem Impuls Y_ jeweils auftreten, die gleich den Zeitperioden zwischen den Impulsen Y₁ und X₁ und den Impulsen Y_? und X₁ sind. Somit können durch richtige relative Zeitgebung der Impulse Y₁ und Y„ Spinechos X-jY-. und X₁Y₂ ^so gemacht werden, daß sie mit einem gewünschten Zeitintervall nacheinander auftreten, um eine richtige Diskriminierung zwischen den Linien zu erzeugen.

Die Spinphasen der Atomkerne, die nicht in den jeweiligen momentan ausgewählten Ebenen liegen, verbreitern sich durch das Anlegen der jeweiligen Magnetgradienten. Die nachteilige Phasenverbreiterung entsprechend den Gradienten und Schritten in dem Magnetfeld Δ Β wird durch Anlegen verschiedener Arten von Phasenkorrekturen korrigiert. Gemäß Fig. 5 ist beispielsweise ein Gradient g eine Typ I-Phasenkorrektur, die nach einer selektiven 90 -Bestrahlung erforderlich ist. Der Gradient g . bewirkt eine Phasenausbreitung in der 180°-Ebene 14B vor dem Impuls Y„ und der Gradient g verursacht eine Phasenausbreitung in der 180°-Ebene 14A nach dem Impuls Y₁. Eine Korrektur für solche unerwünschten Phasenausbreitungen sollte vor der Erzeugung eines Spinechosignals von den Atomkernen in der beeinflußten Ebene

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vorgenommen werden. Folglich wird zur Vermeidung von Fehlern, die auf unerwünschte Phasenausbreitung in dem Spinecho X₁Y₁ zurückgehen, ein (Typ II)-Negativgradient -g ₂ unmittelbar nach der Beendigung des Gradienten g _ angelegt. Der negative Gradient -g _? beeinflußt jedoch die Ebene 14B nach dem Impuls Y_? und muß selbst korrigiert werden. . _ Die Korrektur für die Einwirkungen der Gradienten g . und -g ₂ auf die Ebene 14B und somit das Echo X.Yp wird durch Anlegen eines TYP IV-Korrekturgradienten g _ und eine Gradientenkorrektur vom Typ III g . erreicht. Die erste Hälfte des Anzeigegradienten g ₁ muß die Spinphasen refokussieren, unrein Echo zu erzeugen. Dies erfordert, daß die Spins zu Beginn der Sequenz defokussiert sind. Dies wird durch den Gradienten g ₀ erreicht. Die Fläche des Gradienten g ₀ ist halb so groß wie die von g - derart, daß die Refokussierung in der Mitte des Echos vollständig ist. Die erste Hälfte von g . ist in der Tat eine Typ IV-Phasenkorrektur für g. _.. G _Q kann zur gleichen Zeit wie -g angelegt werden.

Die Phasenyerbreiterungseffekte der zweiten Hälfte des Gradienten g . in der Ebene 14B werden durch Anlegen des negativen Gradienten -g - korrigiert (eine Typ II-Phasenkorrektur). Das Spinecho wird während dieser Korrektur refokussiert und Abfragewerte, die während dieser Zeitperiode genommen werden, können in der Signalmittelwertbildung benutzt werden.

Fig. 6 veranschaulicht schematisch eine Dreilinien-Spinechoabtastsequenz. Ein 90°-Impuls X₁ wird zum Zeitpunkt t_Q (in Anwesenheit eines X-Gradienten) angelegt und eine Sequenz von Y-Impulsen (in Anwesenheit von Y-Gradienten) auf das Objekt zu den Zeitpunkten 3 Γ/2, 2 Γ"und 5 Γ/2 gestrahlt. Dementsprechend wird ein Spinecho X₁Y₁ zu einem

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Zeitpunkt 3^durch die Atomkerne erzeugt, die in beiden 90°-Ebenen liegen, die dem Impuls Y- zugeordnet sind. Ähnlich werden Spinechos X₁Y₀ und X₁Y₀ durch die Atomkerne erzeugt, die den Ebenen gemeinsam sind, die den Impulsen X₁ und Yp und den Impulsen X₁ und Y₃ zu den Zeitpunkten 4 "Cund 5Tjeweils zugeordnet sind. Eine (nicht dargestellte) Phasenkorrektur kann in einer Weise beeinflußt v/erden, wie die in Fig. 5 beschriebene. Die Spinechos werden in Anwesenheit eines Z-Gradienten aufgezeichnet und eine Fourier Transformation zur Entwicklung von Kennwerten der relativen normalen oder T -modifizierten Spindichten ausgeführt.

Wie in Fig. 7 schematisch veranschaulicht, kann eine Vielzahl Y-Z-Ebenen nacheinander in Zusammenwirken mit einer oder mehreren X-Z-Ebenen angeregt werden, um eine Viellinien-Abtastung zu erstellen. Nimmt man.beispielsweise an, daß die Y-Z-Ebenen 12A, 12B und 12C (Fig. 4A) zu 90°- Orientierungen angeregt werden durch einen selektiven Bestrahlungsprozeß, der eine Bestrahlung des Objektes durch aufeinandei folgende 90 -Impulse X., X_'und X„ in Anwesenheit von X-Gradienten einschließt. Wie zuvor festgestellt, sind die Ebenen längs der X-Achse (und Y-Achse) einzig ausgewählt durch Annahme geeigneter Frequenzspektren für die jeweilige 90 -Impulse durch Versetzung des Magnetfeldes B₀ oder durch eine Kombination beider Techniken. Nachdem die Y-Z-Ebenen 12A, 12B und 12C auf 90° angeregt sind, werden die ausgewählten X-Z-Ebenen 14A und 14B durch einen ähnliehen Prozeß der selektiven Bestrahlung unter Verwendung von 180°-Impulsen Y₁ und Y₃ auf 180° angeregt. Der Schnitt der jeweiligen Y-Z-Ebenen und X-Z-Ebenen führt zu einer Vielzahl von Schnittlinien, wie in Fig. 4C mit X₁Y₁, Xp^Yi> X₃Y₁, X₁Y₂T ^X2^Y2 ^{und X}3^Y2 ^dar2^estellt· Jede solche Schnitt linie erzeugt ein Spinechosignal, welches in Fig. 7 durch die jeweilige zugeordnete Schnittlinie in Übereinstimmung mit der zuvor erwähnten Regel der gleichen Zeiten bezeichnet ist.

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Durch richtige Auswahl der Zeitintervalle zwischen jeweiligen Impulsen werden die jeweiligen Spinechos in einer nichtwechselwirkenden Sequenz erzeugt. Nimmt man beispielsweise an, daß 90 -Impulse X₁, X_ und X₃ zu den Zeitpunkten 0, "C-und 2 £-erzeugt werden und daß 180°-Impulse Y₁ und Y_? zu den Zeitpunkten 11 T~/A und 3 ^-erzeugt werden, so wird das Spinecho von der Schnittlinie X₀Y₁ zum Zeitpunkt 3 Γ" /2, von der Schnittlinie X3Y0 ^zurn Zeitpunkt 4T, von der Schnittlinie X-Y- zum Zeitpunkt 9 t/2, von der Schnittlinie X_Yp zum Zeitpunkt 5 c", von der Schnittlinie X-Y- zum Zeitpunkt 11 fr/2 und von der Schnittlinie X-Yp zum Zeitpunkt 6 f erzeugt. Eine Korrektur der Phasenverbreiterung entsprechend den Einflüssen der jeweiligen Gradienten würde wiederum in ähnlicher Weise, wie in Zusammenhang mit Fig» 5 beschrieben, vorgenommen. Die jeweiligen Spinechos werden dann in Anwesenheit eines Z-Gradienten aufgezeichnet und eine Fourier-Transformation zur Entwicklung von Kennwerten der normalen oder T--modifizierten Spindichten der einzelnen Einheitsvolumen in den Schnittlinien ausgeführt. Unter Verwendung einer Spinechosequenz in Übereinstimmung mit · der vorliegenden Erfindung kann somit eine Vielzahl von Linien in dem Volumen 10 in rascher Folge abgetastet werden, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die nicht durch die Spin-Gitter-Relaxationszeit T₁ des Objekts, wie bei Abtasttechniken, die die Sättigung ausnutzen, begrenzt ist.

In einigen Fällen ist es erwünscht, mehrere Aufzeichnungen des Spinechos von einer gegebenen Schnittlinie für die Signalmittelwertbildung zu nehmen. Wie zuvor erwähnt, haben Mansfield und Maudsley gezeigt, daß nach dem Abfall des FID verschiedene Signalrefokussierungsanordnungen angewendet werden können, um das Signal für die Signalmittelwertbildung wieder hervorzurufen. Ein ähnlicher Prozeß kann zur Wiedererstellung des Spinechosignals angewendet werden. Gemäß

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Fig. 8 wird ein Spinecho X₁Y₁ durch eine erste selektive Bestrahlung einer ersten Ebene (eines ersten planaren Volumens) mit einem 90°-Impuls X₁ erzeugt und danach eine Querebene mit einem 180 -Impuls Y₁ bestrahlt. Nimmt man an, daß das Zeitintervall zwischen dem Impuls X₁ und Y₁ gleich T₁ ist, so wird das Spinecho X₁Y₁ mit einem Spitzenwert zum Zeitpunkt f-, nach der Einstrahlung des 180°-Impulses Y₁ erzeugt, in Übereinstimmung mit der Regel der gleichen Zeiten. Wenn ein weiterer 180 -Impuls Y ' mit einem Frequenzspektrum, das dasjenige des Impulses Y₁ einschließt, zu einem Zeitpunkt Tr„ nach dem Spitzenwert des Spinechos X₁Y₁ erzeugt wird, so werden die Phasen der Kernspins, die das Spinecho X₁Y₁ .erzeugen, umgekehrt, wodurch die Phasen konvergieren und dadurch eine Kopie oder Nachbildung X₁Y₁' des Spinechos X₁Y₁ erzeugt wird.

Die Regel der gleichen Zeiten findet auf das Phänomen des Kopierens Anwendung. Demzufolge tritt die Nachbildung X₁Y₁' zu einem Zeitpunktt. nach der Erzeugung des 180 -Impulses Y₁ ■ auf. Weitere Nachbildungen können durch Anwendung weiterer 180°-Impulse erzeugt werden. Die Gesamtapiituden der Signale nehmen jedoch ab in Übereinstimmung mit der Querrelaxationszeit T₂. Dieser Abfall stellt eine praktische Grenze für die Anzahl der Nachbildungen dar, die erzeugt werden können.

Es wird darauf hingewiesen, daß, wenn der 180°-Impuls Y₁' Spektralkomponenten enthält, die nicht in dem Impuls Y₁ enthalten sind, eine Phasenumkehr von Teilen der ursprünglichen 90 -Ebene bewirkt wird, die von dem Impuls Y₁ nicht beeinflußt wird. Somit erzeugen diese Teile der ursprünglichen 90°-Ebene ein parasitäres Spinecho P zu einem Zeitpunkt 2 £".. + T'p nach der Erzeugung des Impulses Y₁'- Das para-

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si tare Echo P kann dadurch vermieden werden, daß das Frequenzspektrum des 180 pulses Y. gemacht wird:

quenzspektrum des 180 -Impulses Y₁' identisch dem des Im-

Nachbildungen einer Vielzahl von Spinechos können durch Anwenden eines einzigen 180 -Impulses erzeugt v/erden, welcher ein Frequenzspektrum hat, das die einzelnen Frequenzspektra der ursprünglichen 18Q°-Impulse einschließt, d.h. die jeweiligen 180°-Ebenen überdeckt. Ein solches Verfahren ist schematisch in den Fig. 9 und 10 veranschaulicht. In Fig. 9 wird eine erste Ebene selektiv durch einen 90°-Impuls X₁ bestrahlt; dann werden jeweilige Querebenen selektiv in Aufeinanderfolge durch 180°-Impulse Y₁, Y_- und Y„ bestrahlt, die zu den Zeitpunkten 3T~/2, 2fund 5 T~/2 angewendet werden. Dementsprechend werden Spinechos von den jeweiligen Schnittlinien Χ-,Υ-, , Χ,Υρ und X.Y„ zu den Zeitpunkten 3f, "4 rund 5 T erzeugt.

Die Anwendung eines 180°-Impulses Y¹ mit breitem Spektrum beispielsweise zum Zeitpunkt 11 T/2 erzeugt Nachbildungen der Spinechos in umgekehrter Folge. In Übereinstimmung mit der Regel der gleichen Zeiten wird-die Nachbildung X₁Y₀ ¹ zum Zeitpunkt 6 1"(1/2TiIaCh der Anlegung des Impulses Y-¹, ein Zeitintervall, welches gleich der Zeit zwischen dem Auftreten des Spinechos X₁Y₃ bei 5 f*und dem Impuls Y¹ ist). Ähnlich entsteht eine Nachbildung X-Y₂ zürn Zeitpunkt 7rund eine Nachbildung X Y ' zum Zeitpunkt Qf.

Die Anwendung eines zweiten 180°-Impulses Y_?' mit breitem Spektrum beispielsweise zum Zeitpunkt 17 ΐ~/2 wird weitere Nachbildungen des Spinechos erzeugen, dieses Mal in der gleichen Folge wie die ursprünglichen Spinechos. Die Nachbildungen X₁Yp''' ^Xl^Y?'' ^uncl-^X1^Y3"' ^{treten zu den} Zeitpunkten 9 tr, 10 Tund 11 t-auf.

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Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß der 180°-Impuls Y¹ mit breitem Spektrum eine Phasenumkehr in Teilen der 90 Ebene hervorruft, die nicht von dem Impuls Y₁ in ihrer Phase umgekehrt, wurden. Dementsprechend wird ein parasitäres Spinecho P gebildet. In Übereinstimmung mit der Regel der gleichen Zeiten wird dieses parasitäre Echo zum Zeitpunkt 11 f erzeugt. Somit macht das parasitäre Echo P die Nachbildung Y-X₁' im wesentlichen unbrauchbar.

O X

Das parasitäre Echo kann durch Verringerung der Anteile der 90°-Ebene verringert v/erden, die von dem Impuls Y-nicht phasenumgekehrt werden. Die Wirkungen der parasitären Echos können auch verringert oder auf verschiedene der Nachbildungen verteilt werden durch Veränderung der relativen
Spektrum.

relativen Zeitpunkte der 180 -Impulse Y¹ und Y¹¹ mit breitem

Fig. 10 zeigt eine alternative Spinecho-Abtastsequenz unter Verwendung des Kopierens bzw. Nachbildens. In diesem Fall wird eine Vielzahl von 90°-Ebenen durch selektives Bestrahlen mit jeweiligen 90 -Impulsen X-, Xp und X₃ erzeugt, gefolgt von einem 180°-Impuls Y- mit vorbestimmtem Frequenzspektrum. Die resultierenden Schnittlinien erzeugen jeweilige Spinechos XoYi » X_oYi ^und X-iYi ^1Π Übereinstimmung mit der Regel

ο X c. X XX

der gleichen Zeiten. Danach wird ein Kopieren bzw. Nachbilden erreicht durch selektives Bestrahlen unter Anwendung jeweiliger 180 -Impulse Y₁ ¹ und Y₁ ¹¹ mit einem zu dem Impuls Y- identischen Frequenzspektrum. Da das Frequenzspektrum der jeweiligen 180°-Ii treten keine parasitären Echos auf.

quenzspektrum der jeweiligen 180°-Impulse identisch ist,

Im Zusammenhang mit den Fig. 11 und 12 wird ein geeignetes Gerät für die Ausführung der Spinecho-Abtastsequenzen nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Fig. 11 zeigt das

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Gesamtgerät in Blocksehemadarstellung, während das Gerät, welches für die Erzeugung der verschiedenen Magnetfelder (Steuerkreise ausgeschlossen) benutzt wird, in auseinandergezogener Perspektive in Fig. 12 dargestellt ist.

Der Gegenstand 10 wird in eine RF-Spule 22 gelegt, welche um die nominelle X-Achse eines cartesischen Koordinatensystems liegt. Die RF-Spule 22 wird bei der Bestrahlung des Objekts 10 benutzt, um die Spinechosignale, die von dem Objekt 10 erzeugt werden, aufzufangen und bildet einen geeigneten Auflagehalter für das Objekt 10.

Die Spule 22 ist andererseits zwischen jeweiligen Polenden 24 und 26 eines Hauptmagneten 28 angeordnet. Der Magnet 28 wird zur Erzeugung des Hauptmagnetfeldes B_Q längs der Z—Richtung des nominellen Koordinatensystems (quer zur Achse der Spule 22) benutzt. Der Magnet 28 hat einen üblichen Eisenkern mit einer Umwicklung von Kupferleitern, welche an eine Stromquelle (nicht dargestellt) angeschlossen und zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur wassergekühlt sind.

Die Z-positionsveränderlichen Felder werden selektiv durch Z-Gradientenspulen (g ) 34 und 36 erzeugt. Die Spulen 34 und 36 sind an den entsprechenden Stirnflächen der Polenden 24 und 26 angebracht und haben zweckmäßigerweise eine Maxwell-Spulen-Geometrie. Dies bedeutet, daß die Spulen kreisförmig und konzentrisch zu den Polenden sind, wobei der Radius der Spulen in Übereinstimmung mit dem Abstand der Spulen bestimmt ist. Die Z-Gradientenspulen 34 und 36 sind elektrisch in Reihe derart geschaltet, daß die Magnetfelder, die dadurch erzeugt werden, entgegengerichtet sind und sich im Nullpunkt des Koordinatensystems ausgleichen.

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— 4ft —

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Die X-Positions-Gradienten-Magnetfelder werden selektiv durch X-Gradienten (g )-Spulen 38 und 40 vorgesehen. Die Spulen 38 und 40 haben zweckmäßigerweise rechteckige Gestalt und sind auf den Polenden 24 und 26 vorgesehen, um unbegrenzte Leiter, die in X-Richtung verlaufen, zu simulieren. Die Spulen 38 und 40 sind elektrisch so verbunden, daß entgegengesetzte Magnetfelder erzeugt werden, die sich ebenfalls im Nullpunkt des Koordinatensystems ausgleichen.

Die Y-posistionsveränderlichen Magnetfelder werden selektiv durch Y-Gradienten (g )-Spulen 42 und 44 vorgesehen. Die Spulen 42 und 44 haben zweckmäßigerweise die gleiche Gestalt und die gleiche Fläche wie die X-Gradientenspulen 38 und 40, sie sind aber an den Polenden 24 und 26 in einer Weise angeordnet, daß unbegrenzte Leiter, die in Y-Richtung verlaufen, simuliert werden. Die Spulen 42 und 44 sind ebenfalls elektrisch so verbunden, daß entgegengesetzte Felder erzeugt werden, die sich im Ursprung des Koordinatensystems aufheben.

Positionsunabhängige Veränderungen im Hauptfeld B_n können hervorgerufen werden, wenn erwünscht, durch Δ B-Spulen 32A und 32B, die um die Außenseite der Polenden 24 und 26 angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet sind, so daß sie ein zusätzliches Magnetfeld (bezogen aufeinander) hervorrufen. Wegen Einzelheiten geeigneter Spulen zur Erzeugung von magnetischen Gradienten wird auf die US-PS 40 15 196 (Moore et al) verwiesen.

Die RF-Spule 22 ist elektrisch über ein geeignetes Anpassungsimpedanznetzwerk 50 an einen Anschluß eines richtungsempfindlichen Netzwerkes oder Zirkulators (magisches T-Netzwerk) 52 angeschlossen. Das Impedanzanpassungsnetzwerk 50 enthält zweckmäßigerweise ein Paar variabler Kondensatoren

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für das Abstimmen der RF-Spule 22. Die variablen Kondensatoren bestehen zweckmäßigerweise aus nicht-magnetischem Material, beispielsweise Kupfer oder Messing, und sind vorzugsweise so dicht wie möglich an der RF-Spule 22 angeordnet.

Das magische T-Netzwerk 52 koppelt selektiv die RF-Spule 22 (in gegenseitiger ausschließlicher Weise) an den Übertrager 54 und einen Vorverstärker 56. Das magische T-Netzwerk 52 arbeitet, wie an sich bekannt, zur Verbindung des Übertragers 54 an die Spule während solcher Zeiten, zu denen der Übertrager 54 überträgt, und verbindet die Spule 22 mit dem Vorverstärker 56 während solcher Zeitperioden, während welcher der Übertrager 54 nicht überträgt. Der Vorverstärker 56 ist zweckmäßigerweise üblicher Art mit hoher Verstärkung und großer Bandbreite. Es ist erwünscht, den Vorverstärker' während der Übertragung oder zwischen Perioden abzuschalten, um eine größere Isolierung von dem Übertrager 54 zu erhalten. Dementsprechend kann ein torgesteuerter Vorverstärker benutzt werden. Die Ausgangssignale von dem Vorverstärker 56 werden über einen Dioden— detektor 62 und ein Tiefpaßfilter 64, wenn erwünscht, zur Überwachung während der Abstimmung des Systems und über einen Puffer 58 auf einen Demodulator 60 angelegt.

Der Demodulator 60 ist zweckmäßigerweise ein 90°-Verschiebung-Demodulator, so daß nicht nur eine Frequenzversetzung (von der Kitte1frequenz, wie noch erläutert wird) und Amplitudeninformation geliefert wird, sondern auch das Vorzeichen der Frequenzversetzung bestimmt werden kann, um die jeweiligen Frequenzkomponenten bestimmten Positionen in dem Objekt 10 auf gegenüberliegenden Seiten des Nullpunktes zuordnen zu können. Die Benutzung eines 90°-Verschiebung-Demodulators vermeidet Phasenfehler aufgrund

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von Schaltungsverzögerungen. Der Demodulator 60 nimmt Signale auf, die übertragene Signale (ebenso wie die aufgenommenen Signale) kennzeichnen und erzeugt phasengleiche (I) und um 90° verschobene (Q) Ausgangssignale (die Q-Ausgangssignale sind um 90 phasenverschoben relativ zu dem I-Eingangssignal). Die I- und Q-Ausgangssignale enthalten Komponenten, die für die Summe und Differenz der aufgenommenen Signalfrequenz und der übertragenen Signalfrequenz kennzeichnend sind. Das Spinechosignal (abzüglich der Trägerfrequenz) wird durch Bildung der Quadratwurzel der Summe ■der Quadrate der I- und Q-Signale gewonnen. Eine detailliertere Beschreibung eines zweckmäßigen Demodulators 60 erfolgt in Verbindung mit Fig. 13.

Die I- und Q-Demodulator-Ausgangssignale werden über jeweilige Tiefpaßfilter 68 an einen Zweikanal-Analog-Digital-Konverter (A/D) 70 gelegt. Der A/D-Konverter 70 ist andererseits über eine Zwischeneinheit 72 für direkten Speicherzugriff (DMA) eines zweckentsprechenden Computers 96 verbunden.

Der Übertrager 54 ist zweckmäßigerweise ein Verstärker der Klasse A mit einer Bandbreite, die ausreicht, um eine gewünschte Bandbreite von Larmor-Frequenzen abzudecken und wird von Signalen eines Modulators 74 angetrieben. Der Modulator 74 enthält vorteilhafterweise einen abgeglichenen Mischer (gefiltert) und nimmt ein Pulsformprüfsignal von einer geeigneten Mikrocomputersteuerung 76 (wie nachfolgend beschrieben) auf und ein Signal bei einer gewünschten Larmor-Träger(Mittel)-Frequenz.

Das Larmor-Träger-Frequenzsignal wird zweckmäßigerweise von dem Ausgangssignal eines Kristalloszillators 78 von einem Frequenzsynthesizer/Phasengenerator 80 erzeugt, welcher in Phase mit dem Kristalloszillator 78 verriegelt ist sowie

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mit einer geeigneten Bandpaßfilter- und Pegeleinstellschaltung 84. Das Bandpaßfilter 84 liefert eine Sinuswelle mit einer vorbestimmten konstant cn Hüllkurve vom Ausgang des Frequenzsynthesizers 80. Eine detailliertere Beschreibung des Frequenzsynthesizers/Phasengenerators 80 erfolgt in Verbindung mit Fig. 13. Die Erzeugung des Larmor-Mittel-Frequenzsignals erfolgt auf ein Steuersignal von dem Mikrocomputer-Steuergerät 76 aus.

Der Mikrocomputer-Steuerkreis 76 steuert im wesentlichen die Sequenz der Ereignisse innerhalb des NMR-Systems: Die Zwischenverbindung zwischen einem Rechner 96 und dem System, die Anzeige von Dateninformation, beispielsweise durch einen Kathodenstrahlröhrenanschluß 100, die Erzeugung von Feldgradienten, die Zeitgebung, Amplitude, Frequenz und Phase der übertragenen elektromagnetischen Signale. Der Mikrocomputer-Steuerkreis 76 beruht zweckmäßigerweise auf einem Mikrocomputer vom Typ LSI-Il. Ein solcher Mikrocomputer kann für schnellere Betriebsweise modifiziert werden (beispielsweise bezüglich der Anschaltung und Abschaltung des Trägersignals, der Auswahl der Gradientenrichtung und der Auswahl der Phase) durch die Ergänzung mit auf den speziellen Zweck abgestimmten fest verdrahteten Zwischenschaltkreisen. In diesem Zusammenhang wird auf J. Hoenninger und L. Crooks, "An NMR Sequencer for Imaging" (im Druck) verwiesen.

Bei der Erzeugung der Magnetfeldgradienten erzeugt der Mikrocomputer-Steuerkreis 76 jeweilige Steuersignale, die für gewünschte Gradientenwerte kennzeichnend sind und insbesondere die Gradientenrichtungen. Ein ähnliches Steuersignal, welches für die besonderen Werte von Δ Β und/oder Δ f kennzeichnend sind, wird bei Bedarf erzeugt. Die Gradientenwert-Steuersignale und/oder das Δ B-Signal werden an übliche Spannung-Zu-Strom-Konverter und Verstärker 90

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angelegt, die ihrerseits die Gradientensignale an die richtigen (gJ-Spulen 34, 36, (g )-Spulen 38, 40 und (g )- ζ λ y

Spulen 42, 44 anlegen und die Δ, B-Signale an die Spulen 32A und 32B.

Der Mikrocomputer-Steuerkreis 76 liefert Steuersignale, die für die gewünschte RF-Impulsgestalt für den Modulator 74 repräsentativ sind, um so die Amplitude und Dauer der elektromagnetischen Signale und dementsprechend den Spinreorientierungs(Nutations)-Winkel, z.B. 90°, 180°, der von dem Signal hervorgerufen wird, festzusetzen. Der gewünschte Form- und Amplitudenskalenfaktor des elektromagnetischen Impulses wird im Speicher beibehalten und selektiv für die Erzeugung der Steuersignale benutzt.

Beim selektiven Bestrahlungsprozeß sollen die elektromagnetischen Impulse ein schmales Bandfrequenzspektrum haben. Dementsprechend wird eine (sin t)/t-Impulsform benutzt (welche nahezu ein quadratisches Frequenzspektrum liefert). Eine Gauss-Impulsform (welche ein Gauss-Frequenz-Spektrum liefert) wird ebenfalls in Betracht gezogen.

Der Mikrocomputer-Steuerkreis 76 enthält ferner zweckmäßigerweise Vorkehrungen zur Steuerung der Wertabfragung durch A/D-Konverter 70 und für die Steuerung der Übertragung der Dateninformation von der DÜA-Zwischeneinheit 72 zum Computer 96. Auf Signale von dem Mikrocomputer-Steuerkreis 76 hin nimmt der A/D-Konverter 70 eine vorbestimmte Anzahl von Meßwertpunkten des demodulierten Signals und überträgt die Dateninformation zum Hauptcomputer 96 (Speicher 98) über die DMA-Einheit 72. Wenn eine Gruppe von Meßwerten von dem Hauptcomputer 96 aufgenommen ist, wird sie an geeigneten Stellen des Speichers 98 gespeichert. Die Programmierung des Mikrocomputer-Steuerkreises 76 und Hauptcomputer 96 wird zu koordiniert, daß die Dateninformation, die von der DMA-Einheit 72 aufgenommen wird, richtig be-

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züglich der Sequenz ausgewertet werden kann. Danach wird eine Fourier-Transformation der Dateninformation ausgeführt und die Fourier-transformierte jeweilige Linienabtastungen auf dem Kathodenstrahlröhrenschirm 101 angezeigt. Bei Bedarf können Vorkehrungen zur Steuerung von Servo- . - mechanismen für die Positionierung der Probe (des Objekts 10) bezüglich der verschiedenen Spulen getroffen werden.

Mit Bezug auf Fig. 13 wird eine nähere Beschreibung eines geeigneten 90°-Verschiebung-Demodulators 60 und eines geeigneten Frequenzsynthesizer/Phasengenerators 80 gegeben. Um die Streuung möglichst gering zu halten, wird der Frequenzsynthesizer/Phasengenerator 80 und der Demodulator 60 zweckmäßigerweise hauptsächlich bei Zwischenfrequenzen betrieben, die von denjenigen verschieden sind, die tatsächlich von dem Übertrager 94 übertragen und von dem Vorverstärker 56 empfangen werden. In diesem Zusammenhang wird auf die US-PS 36 51 396 (Hewitt et al) Bezug genommen. Dementsprechend liefert der Kristalloszillator 78 ein Rechteckwellen-Ausgangssignal vorbestimmter Frequenz (10 MHz) an den Frequenzsynthesizer/Phasengenerator 80. Wenn die gewünschte Larmor-Frequenz in der Größenordnung von 15 MHz liegt, wird das 10 MHz-Oszillatorsignal dann geeigneterweise an einen Frequenzteiler 102 (-j- 5) angelegt, um ein 2 KHz-Signal zu erzeugen. Das 2 MHz-Signal wird an einen programmierbaren Frequenzsynthesizer 104 und an eine phasenverriegelte Schleife 106 gelegt. Der programmierbare Frequenzsynthesizer 104 nimmt Kontrollsignale auf, die kennzeichnend für den gewünschten Frequenzausgang von dem Mikrocomputer-Steuerkreis 76 sind. Das Ausgangssignal des Frequenzsynthesizers 104 wird an ein Gatter 108 gelegt unter der Kontrolle des Mikrocomputer-Steuerkreises 76 und eines Tiefpaßfilters 110 an einen üblichen ausgeglichenen Mischer 112. ' . . _

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Die phasenverriegelte Schleife 106 enthält zweckmäßigerweise einen spannungsgesteuerten Oszillator, der bei einer vorbestimmten Mittelfrequenz von etwa 52 MHz arbeitet, die mit dem 2 MHz-Signal phasenverriegelt ist. Das 52 MHz-Ausgangssignal der phasenverriegelten Schleife 106 wird dann an einen üblichen Vierphasengenerator 116 gelegt, der Signale bei der Mittelfrequenz von 13 MHz liefert mit relativen Phasen von 0°, 90°, 180° und 270°. Die Ausgangssignale des Phasengenerators 116 werden an eine geeignete Selektor-Torsteuerschaltung 116 gelegt auf Steuersignale vom Mikrocomputer-Steuerkreis 76 hin. Das ausgewählte Zwischenfrequenzsignal wird über ein Tiefpaßfilter 120 dem Mischer 112 zugeführt, um eine Differenzsignalkomponente bei der gewünschten Larmor-Trägerfrequenz zu entwickeln.

Wenn die gewünschte Frequenz 15 MHz sein soll, wird der programmierbare Frequenzsynthesizer 104 von dem Mikrocomputer-Steuerkreis 76 so eingestellt, daß er ein 28 MHz-Signal liefert, wodurch die Differenzkomponente, die von dem Modulator 112 (28 MHz-13 MHz) bei der gewünschten 15 MHz-Frequenz liegt. Die Differenzkomponente wird von einer Bandpaßfilter- und Pegeleinstellschaltung 84 abgenommen, um eine Sinuswelle mit konstanter Hüllkurve bei der gewünschten Larmor-Trägerfrequenz zu bilden. Der Ausgang des programmierbaren Frequenzsynthesizers 104 wird auch an einen Pufferverstärker 122 in dem Demodulator 60 gelegt. Das gepufferte Signal wird über ein Gatter 124 (unter der Kontrolle des Mikrocomputer-Steuerkreises 76) an einen ausgeglichenen Mischer 126 gelegt. Der Mischer 126 nimmt auch die aufgenommenen Signale, wie sie vom Vorverstärker 56 und Puffer 58 verstärkt sind, auf. In dem Beispiel, bei dem die übertragene Trägerfrequenz 15 MHz ist und der Synthesizerausgang 28 MHz, ist die Differenzkomponente des Ausgangssignals des Mischers 126 bei der Zwischenfre-

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quenz 13 MHz. Die Differenzkomponente wird von dem Mischerausgangssignal durch ein Teifpaßfilter 128 abgenommen und an einen geeigneten IF-Verstärker 130 gelegt, der auf 13 MHz abgestimmt ist. Die Ausgangssignale von dem IF-Verstärker 130 werden an jeweilige abgeglichene Mischer 132 und geführt. Die Mischer 132 und 134 nehmen jeweils 0°- und 90°-Phasen-Zwischensignale von dem Phasengenerator 116 in dem Frequenzsynthesizer/Phasengenerator 80 auf. Die Mischer 132 und 134 liefern somit jeweils phasengleiche und um 90° phasenverschobene Audiofrequenzsignale, die für die jeweiligen Magnetisierungskomponenten der Spinechosignale kennzeichnend sind.

Wie zuvor erwähnt, werden die I- und Q-Ausgangssignale abgefiltert und abgetastet und dann in dem Gedächtnis des Computers 96 gespeichert. Der Computer 96 berechnet die Vektorsumme der I- und Q-Komponenten und bildet eine Fourier-Transformation aus der Vektorsumme, um Kennzeichenwerte für die kennzeichnenden Amplituden der jeweiligen Frequenzkomponenten der Spinechosignale zu entwickeln.

Da der Demodulator 16 und der Frequenzsynthesizer/Phasengenerator 80 hauptsächlich bei Zwischenfrequenzen arbeiten, die von der Larmor-Trägerfrequenz verschieden ist, ist eine Streuung von dem Übertrager in den Demodulator 60 wesentlich verringert.

Der Betrieb des Gerätes gemäß Fig. 11, 12 und 13 wird nun beispielsweise für eine Einzellinien-Abtastung beschrieben. Die besonderen gewünschten Sequenzen selektiver Bestrahlungen werden eingegeben (oder vom Gedächtnis abgerufen) und die Sequenz ausgelöst durch ein Bereit-Signal von dem Hauptcomputer 96 an den Mikrocomputer-Steuerkreis 76. Der Hauptmagnet 28 wird angeregt, um die Kernspins in ihre anfängliche Ausrichtung zu bringen.

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Der Mikrocomputer-Steuerkreis 76 berechnet oder ruft von dem Gedächtnis oder von einer Nachschlagetabelle die Impulsgestalt, -amplituden und -dauern ab, die für die 90 - und 180°-Spinumlenkung notwendig sind, sowie die gewünschten jeweiligen Zeitintervalle zwischen den Impulsen und die gewünschten Werte der Gradienten.

Geeignete Steuersignale werden erzeugt, um das besondere Volumen (Y-Z-Ebene 12, Fig. 10) mit einem 90°-Impuls zu bestrahlen. Ein geeignetes Signal wird an die g -Spulen 38 und 40.angelegt, um einen X-Gradienten in dem Objekt 10 zu erzeugen. Ein RF-Impulsformsignal geeigneter Amplitude und Dauer .zur Erzeugung des gewünschten Rotationswinkels (d.h. 90°) wird erzeugt und an den Modulator 74 gelegt.

Gleichzeitig werden geeignete Steuersignale an den Frequenzsynthesizer/Phasengenerator 80 gelegt, um ein Trägersignal bei Larmor-Frequenz, die der Ebene 12 zugeordnet ist, zu erzeugen. Der programmierbare Frequenzsynthesizer 104 (Fig. 13) wird mit einem geeigneten Frequenzkode von der Mikrocomputer-Steuerschaltung 76 beladen und ein Signalerzeugungsmodus, ausgelöst.

Zu Zwecken der Signalmittelwertbildung ist es manchmal erwünscht, die Spins selektiv um einen vorgewählten Winkel (90°, 180°) in unterschiedliche Richtungen (z.B. Rotieren der Spins in Richtung der Y- oder -Y-Achsen oder X- oder -X-Achsen) umzulenken. Dementsprechend erzeugt der Mikrocomputer-Steuerkreis 76 auch ein geeignetes Steuersignal für das Selektorgatter 118 und des Frequenzsynthesizer/ Phasengenerators 80 (Fig. 13), um das mit geeigneter Phase versehene IF-Signal zu dem Mischer 112 weiterzugeben, so daß das Trägersignal eine solche Phase hat, daß der über-

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tragene elektromagnetische Impuls die Rotation in der gewünschten Richtung beeinflußt. Das Gatter 108 (Fig. 13) wird dann geschlossen, um das Trägerfrequenzsignal an den Modulator 74 anzulegen. Der Modulator 74 legt somit einen geformten RF-Impuls bei der gewünschten Larmor-Frequenz (und Phase) an den Übertrager 54. Der Übertrager 54 erzeugt dementsprechend ein Signal über das T-Netzwerk 52, den RF-Schalter 53 und das 50 Ohm-Anpassungsnetzwerk 50 und bestrahlt dadurch das Objekt 10. Somit wird die Y-Z-Ebene 12 in dem Objekt 10 durch den Prozeß der selektiven Bestrahlung um 90° angeregt.

Der Mikrocomputer-Steuerkreis 76 erzeugt dann ein geeignetes Gradientenprüfsignal entgegengesetzter Polarität für eine vorbestimmte Zeitperiode um einen negativen Gradienten für die Phasenkorrektur zu erzeugen, und nimmt dann das Gradientensteuersignal von den g -Spulen 28, 40 und beseitigt dadurch den X-Gradienten. Ein geeignetes Signal wird an die g -Spulen 34 und 36 gelegt, um einen Z-Gradienten in dem Objekt 10 zu entwickeln. Nach einer vorbestimmten Zeit werden diese Signale weggenommen, wodurch der Z-Gradient abgeschaltet wird. Die Zeitgebung für diese Ereignisse können modifiziert werden, so daß der Z-Gradient für eine Zeit angelegt wird, welche sich mit der Zeit, während der der X-Gradient für die Phasenkorrektur angelegt wird, überlappt.

Geeignete Steuersignale werden dann erzeugt, um eine selektive Bestrahlung X-Z-Ebene 14 (Fig. IC) mit einem 180°- Impuls zu bewirken. Ein KF-Impulsformsignal mit einer Amplitude und einer Dauer, die einem 180°-Rotationswinkel entspricht, wird an den Modulator 74 gelegt. Geeignete

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Kontrollsignale werden für den Frequenzsynthesizer 104 und den Phasenselektor 116 hergestellt, um die Frequenz und Phase des Trägersignals jeweils einzustellen. Das Gatter 108 ist abgeschaltet und das modulierte Signal (180°-Impuls) in die Spule übertragen, um die selektive Bestrahlung der Ebene 14 vorzunehmen. Gleichzeitig wird ein geeignetes Signal an die g -Spulen 42 und 44 gelegt, um ein Y-Gradienten in dem Objekt 10 hervorzurufen. Nach einer geeigneten Zeitdauer wird der Transmitter und der Gradient über das Gatter 103 und den Gradientenwertausgang des Mikrocomputer-Steuerkreises 76 abgeschaltet.

Nach einer Zeitperiode in Übereinstimmung mit der Regel der gleichen Zeiten erzeugt die Schnittlinie 16 (Fig. ID) der zueinander querverlaufenden Ebenen 12 und 14 ein Spinecho. Bei einem Zeitpunkt kurz vor der erwarteten Erzeugung des Spinechos werden geeignete Steuersignale benutzt, um ein Gradientenwertsignal an die g -Spulen 34 und 36 zu legen und so ein Z-Gradienten in dem Objekt 10 zu erzeugen. Das Gatter 124 ist zur Anschaltung des Demodulators angeschaltet.

Die Spinechosignale werden in der Spule 22 induziert und über das T-Netzwerk 52 an den Vorverstärker 56 und von dort über den Puffer 58 zu dem 90°-Phasenverschiebungs-Demodulator 60 geführt. Der Demodulator 60 erzeugt im Zusammenwirken mit dem Tiefpaßfilter 68 ein Audiosignal, welches mit einer vorbestimmten Rate von dem A/D-Umsetzer 70 abgetrastet wird auf Steuersignale von dem Mikrocomputer-Steuerkreis 76 hin. Die digitalisierten Meßwerte ..erden dann in einem Gedächtnis 98 über eine Zwischeneinheit 72 und den Computer 76 gespeichert.

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Die Sequenz wird in einer vorbestimmten Anzahl von Zeiten wiederholt und eine geeignete Signalmittelwertbildung von dem Computer 96 vorgenommen. Die Fourier-Transformation wird dann von dem Computer 96 ausgeführt und die Ergebnisse auf dem Kathodenstrahlröhrenschirm 101 angezeigt.

Bei einer Mehrfachlinien-Abtastung werden aufeinanderfolgende selektive Bestrahlungen von parallelen Ebenen entweder durch Veränderung der Trägerfrequenz durch geeignete Beaufschlagung des programmierbaren Frequenzsynthersizers 104 mit der Larmor-Frequenz + Äf und/oder geeignete Veränderung in dem Hauptmagnetfeld durch Anlegen eines geeigneten /LB-Signals an die ΔΒ-Spulen 32A und 32B aus geführt.

Die vorstehende Beschreibung des Geräts veranschaulicht die verschiedenen Typen, die für die Ausführung der Spinecho-Abtastsequenzen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung benutzt werden können« Es können ebensogut auch andere Geräte eingesetzt werden, beispielsweise das Gerät nach der US-PS 40 21 726 (Garroway et al), welches an die Spinecho-Abtastsequenz anpaßbar ist. Die verschiedenen Leiter, die die verschiedenen Elemente der Fig. 11, 12 und 13 verbinden, sind als Einzellinien veranschaulicht; dies soll nicht beschränkend aufgefaßt werden; jede Leitung kann mehrere Verbindungen aufweisen.

Das zuvor beschriebene spezielle Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt ebenfalls keine Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens dar. Modifikationen können gemacht werden in der Folge und Anordnung der Impulse oder der Ausführung oder Anordnung der Elemente, um die Erfindung zu verwirklichen.

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Claims (11)

MERTENS & KEIL PATENTANWÄLTE 1 3. Juli 1979 P 21 P 6 The Regents of the University of California : 2200 University Avenue Berkeley, State of California United States of America "Verfahren und Vorrichtung zum Aufzeichnen von Linien der Atomkerndichte innerhalb eines Objekts unter Anwendung der magnetischen Kernresonanz" Patentansprüche:

1.) Verfahren zur Bestimmung der relativen Dichte von Atomkernen innerhalb eines Objekts, wobei die Atomkerne einen Kernspin bei einer Larmor-Frequenz in Übereinstimmung mit der Intensität eines auf sie einwirkenden magnetischen Feldes haben, gekennzeichnet durch die Schritte:

Selektives Hervorrufen der Erzeugung von Spinechosignalen durch die Atomkerne, die innerhalb eines vorbestimmten Volumens des Objekts verteilt sind, und

Nachweisen der Intensität der Spinechosignale zur Schaffung eines Maßes der relativen normalen oder T₁-modifizierten

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Dichte der Atomkerne in dem vorbestimmten Volumen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das selektive Hervorrufen der Erzeugung von Spinechosignalen durch in einem vorbestimmten Volumen verteilte Atomkerne folgende Schritte enthält:

Selektives Anregen eines ersten planaren Volumens, welches das vorbestimmte Volumen einschließt, um die Kernspins der Atomkerne in dem ersten planaren Volumen um etwa umzulenken, und

selektives Anregen eines zweiten planaren Volumens, welches quer zu dem ersten planaren Volumen liegt, in einem vorbestimmten Zeitintervall danach, wobei das vorbestimmte Volumen in dem Schnittbereich des ersten und zweiten planaren Volumens liegt, um die Kernspins der Atomkerne in dem zweiten planaren Volumen um etwa 180° umzulenken, wodurch die Atomkerne innerhalb des Schnittbereiches danach Spinechosignale zu Zeitpunkten erzeugen, die dem vorbestimmten Zeitintervall entsprechen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Nachweisen folgende Schritte umfaßt:

Aufnehmen der Spinechosignale,

Erzeugen eines Magnetfeldes in dem vorbestimmten Volumen mit einer Intensität, die als Funktion der Position variiert, während der Aufnahme der Spinechosignale, und

Entwickeln von Kennwerten, welche die relativen Intensitäten der verschiedenen Frequenzkomponenten, die in den Spinechosignalen vorhanden sind, repräsentieren.

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4. Gerät zur Erzeugung von Kennwerten der relativen normalen oder T^-modifizierten Kerndichten von Atomkernen innerhalb eines Objekts, wobei die Atomkerne Kernspins bei Larmor-Frequenzen entsprechend der Intensität des magnetischen Feldes, welches auf das Objekt einwirkt, haben, gekennzeichnet durch:

Mittel zürn anfänglichen Ausrichten der Kernspins der Atomkerne ,

Mittel zum nachfolgenden selektiven Anregen der Atomkerne, die in einer vorbestimmten Zahl von parallelen ersten im allgemeinen planaren Volumen innerhalb des Objekts verteilt sind, zur Umlenkung der Kernspins der Atomkerne in den ersten im allgemeinen planaren Volumen um einen ersten vorbestimmten Winkel,

Mittel zum nachfolgenden selektiven Anregen der Atomkerne, die in einer vorbestimmten Zahl von zweiten im allgemeinen planaren Volumen verteilt sind, welche Volumen quer zu den ersten im allgemeinen planaren Volumen liegen und die ersten im allgemeinen planaren Volumen innerhalb des Objekts schneiden, um die Kernspins der Atomkerne in den zweiten im allgemeinen planaren Volumen um einen zweiten vorbestimmten Winkel umzulenken, derart, daß die Kernspins der. Atomkerne, die in den jeweiligen Schnittbereichen der ersten und zweiten Volumen verteilt sind, während jeweiliger aufeinanderfolgender Zeitperioden jeweilige Spinechosignale erzeugen , und

Mittel zum Aufnehmen der jeweiligen Spinechosignale und daraus Bestimmen der normalen oder T^-modifizierten Dichte der Atomkerne, die in den jeweiligen Schnittbereichen verteilt sind.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Aufnehmen der jeweiligen Spinechosignale

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und daraus Bestimmen der normalen oder T--modifizierten Dichte der Atomkerne in den jeweiligen Schnittbereichen, Mittel zum Erzeugen von positionsveränderlichen Magnetfeldern während der jeweils aufeinanderfolgenden Zeitperioden, wobei die Intensität des positionsveränderlichen Feldes mit der Position in dem jeweiligen Schnittbereich variiert, und Mittel zum Entwickeln der Fourier- Transformaten der Spinechosignale aufweisen.

6. Verfahren zur Bestimmung der relativen normalen oder T₁-modifizierten Dichten von Atomkernen in einem Objekt, wobei die Atomkerne Kernspins mit Larmor-Frequenzen in Übereinstimmung mit der Intensität des einwirkenden Magnetfeldes haben, wobei eine Folge von positionsveränderlichen Magnetfeldern erzeugt wird, um nacheinander die Intentsität der Magnetfelder in dem Objekt als Funktion der Position in jeweiligen Querrichtungen zu verändern, Bestrahlen des Objekts mit einer Folge von Signalen mit jeweiligen vorbestimmten Frequenzspektren in Anwesenheit von zugeordneten positionsveränderlichen Magnetfeldern zur selektiven Umlenkung der Kernspins der Atomkerne, die Larmor-Frequenzen in den jeweiligen Frequenzspektren haben, und Nachweisen der Signale, die von den Atomkernen erzeugt werden, gekennzeichnet durch die Schritte:

Erzeugen einer weiteren Folge von positionsveränderlichen magnetischen Feldern, wobei jedes folgende Feld auf ein entsprechendes Feld der ersten erwähnten positionsveränderlichen Magnetfelder hin erzeugt wird, Verändern der Intentsität des Magnetfeldes innerhalb des Objekts in einer geeigneten Richtung relativ zur Richtung des entsprechenden zuerst erwähnten positionsveränderlichen Feldes zur Korrektur einer unerwünschten Phasenverbreiterung in dem Objekt aufgrund des entsprechenden zuerst erwähnten Feldes.

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7. Verfahren zur Bestimmung der relativen normalen oder IL-modifizierten Dichte von Atomkernen innerhalb eines Objekts, wobei die Atomkerne Kernspins bei Larmor- Frequenzen in Übereinstimmung mit der Intensität des einwirkenden Magnetfeldes haben, gekennzeichnet durch die Schritte:

a) Anordnen des Objekts in einem intensiven ersten Magnetfeld zur Ausrichtung der Kernspins der Atomkerne in Übereinstimmung mit einer ersten vorbestimmten Richtung,

b) Erzeugen, für eine erste vorbestimmte Zeitperiode, eines ersten ppsitionsveränderlichen Magnetfeldes zur Veränderung der Intensität des Magnetfeldes innerhalb des Objekts in Übereinstimmung mit der Lage entlang einer zweiten vorbestimmten Richtung derart, daß die Larmor-Frequenzen der Atomkerne als Funktion der relativen Position entlang der zweiten vorbestimmten Richtung variieren,

c) Bestrahlen des Objekts_ während der ersten vorbestimmten Zeitperiode mit einem Signal, welches ein Frequenzspektrum hat, welches im wesentlichen aus Komponenten besteht, die einem vorbestimmten Band der Kern-Larmor-Frequenzen entsprechen, um die Atomkerne, die Larmor-Frequenzen innerhalb des vorbestimmten Bandes haben, anzuregen derart, daß die Kernspins der Atomkerne, die in einer ersten vorbestimmten Ebene in dem Objekt verteilt sind, umgelenkt werden um einen ersten vorbestimmten Winkel bezüglich ihrer Orientierung,

d) Erzeugen während jeweiliger zweiter vorbestimmter Zeitperioden nach der ersten Zeitperiode eines zweiten positionsveränderlichen Magnetfeldes zur Veränderung des Magnetfeldes in dem Objekt in Übereinstimmung mit der Lage längs einer dritten vorbestimmten Richtung derart, daß die Larmor-

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Frequenzen der Atomkerne innerhalb des Objekts als Funktion der relativen Lage der Atomkerne längs der dritten vorbestimmten Richtung variieren, wobei die dritte vorbestimmte Richtung quer zu der zweiten vorbestimmten Richtung liegt,

e) Bestrahlen des Objekts während der jeweiligen zweiten Zeitperioden mit Signalen, die jeweilige Frequenzspektren haben, die im wesentlichen aus den Komponenten bestehen, die den vorbestimmten Bändern der Larmor-Frequenzen derart entsprechen, daß die Kernspins der Atomkerne, die in den jeweiligen weiteren Ebenen liegen, umgelenkt um einen zweiten vorbestimmten Winkel in Bezug auf die vorherige Orientierung, wobei die jeweiligen weiteren Ebenen sich untereinander nicht schneiden und jede die erste Ebene innerhalb des Objekts entlang jeweils einer einzigen Schnittlinie schneidet, und danach Erzeugen von Spinechosignalen während jeweiliger dritter Zeitperioden,

f) Erzeugen weiterer positionsveränderlicher Magnetfelder während der jeweiligen dritten Zeitperioden zur Veränderung der Intensität des Magnetfeldes innerhalb des Objekts in Übereinstimmung mit der Position längs der Schnittlinien derart, daß die Larmor-Frequenzen der Atomkerne, die entlang dieser Schnittlinien angeordnet sind, als Funktion der relativen Position längs der Schnittlinien variieren,

g) Nachweisen der Spinechosignale und Bestimmen der relativen Intensität ihrer Frequenzkomponenten, wobei jede der Spinechosignalfrequenzkomponenten kennzeichnend ist für die normale oder T^-modifizierte Spindichte der Atomkerne, die in einer zugehörigen Position längs der Schnittlinien angeordnet sind.

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8. Verfahren zur Bestimmung der relativen normalen oder T.-modifizierten Dichten von Atomkernen innerhalb eines Objekts, wobei die Atomkerne Kernspins mit Larmor-Frequenzen in Übereinstimmung mit der Intensität des einwirkenden Magnetfeldes haben, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Anordnen des Objekts in einem intensiven erster. Magnetfeld zur Ausrichtung der Kernspins der Atomkerne in Übereinstimmung mit einer ersten vorbestimmten Richtung, .

b) Erzeugen eines ersten positionsveränderlichen Magnetfeldes für eine erste vorbestimmte Zeitperiode zur Veränderung der Intensität des Magnetfeldes in dem Objekt in Übereinstimmung mit der Position längs einer zweiten vorbestimmten Richtung derart, daß die Larmor-Frequenzen der Atomkerne als Funktion der relativen Position längs der zweiten vorbestimmten Richtung variieren, ■

c) Bestrahlen des Objekts während der ersten vorbestimmten Zeitperiode mit einem Signal, welches ein Frequenzspektrum hat, welches im wesentlichen aus den Komponenten besteht, die einem vorbestimmten Band der Kern-Larmor-Frequenzen entsprechen, um die Atomkerne mit Larmor-Frequenzen in dem vorbestimmten Band selektiv anzuregen derart, daß die Kernspins der Atomkerne, die in einer ersten vorbestimmten Ebene in dem Objekt liegen, umgelenkt werden um einen ersten vorbestimmten Winkel bezogen auf die Orientierung,

d) Erzeugen eines zweiten positionsveränderlichen Magnetfeldes während jeweiliger nachfolgender zweiter vorbestimmter Zeitperioden nach der ersten Zeitperiode zur Variierung des Magnetfeldes in dem Objekt in Übereinstimmung mit der Position längs einer dritten vorbestimmten Richtung derart,

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daß die Larmor-Frequenzen der Kerne innerhalb des Objekts als Funktion der relativen Position der Atomkerne längs der dritten vorbestimmten Richtung variieren, wobei die dritte vorbestimmte Richtung quer zu der zweiten vorbestimmten Richtung liegt,

e) Bestrahlen des Objekts während der jeweiligen nachfolgenden zweiten vorbestimmten Zeitperioden mit Signalen, die ein Frequenzspektrum haben, welches im wesentlichen aus Frequenzkomponenten besteht, die einem vorbestimmten Band von Larmor-Frequenzen entsprechen, um die Kernspins der Atomkerne mit Larmor-Frequenzen innerhalb des vorbestimmten Bandes von Larmor-Frequenzen um einen zweiten vorbestimmten Winkel bezüglich der vorherigen Orientierung umzulenken,

f) zusätzliches Verändern der Intensität des ersten Magnetfeldes um einen vorbestimmten Betrag während jeder zweiten vorbestimmten Zeitperiode zur Veränderung der besonderen Atomkerne mit Larmor-Frequenzen innerhalb des vorbestimmten Bandes an Larmor-Frequenzen während jeder zweiten vorbestimmten Zeitperiode derart, daß die Kernspins innerhalb jeweiliger weiterer Ebenen in dem Objekt um einen zweiten vorbestimmten Winkel umgelenkt werden, wobei die weiteren jeweiligen Ebenen die erste Ebene längs jeweiliger einziger Schnittlinien schneiden, und wobei die Atomkerne, die auf diesen Schnittlinien angeordnet sind danach während jeweiliger aufeinanderfolgender dritter Zeitperioden Spinechosignale erzeugen,

g) Erzeugen weiterer positionsveränderlicher Magnetfelder während jeweiliger dritter Zeitperioden zur Veränderung der Intensität des Magnetfeldes in dem Objekt in Übereinstimmung mit der Position längs der Schnittlinien derart,daß

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daß die Larmor-Frequenzen der Atomkerne, die entlang der Schnittlinien liegen, als Funktion der relativen Position längs, der Schnittlinie variieren, und

h) Nachweisen der Spinechosignale und Bestimmen der relativen Intensität ihrer Frequenzkomponenten, wobei jede der Spinechosignalfrequenzkomponenten kennzeichnend für die normale oder T--modifizierte Dichte der Atomkerne ist, die in einer zugeordneten Position längs der Schnittlinie, von der die Spinechosignale ausgehen, angeordnet sind.

9. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

Erzeugen eines vierten positionsveränderlichen Magnetfeldes während jeweiliger vierter Zeitperioden nach den dritten Zeitperiöden zur Veränderung der Intensität des Magnetfeldes in dem Objekt in Übereinstimmung mit der Position längs der dritten vorbestimmten Richtung,

Bestrahlen des Objekts während wenigstens eines Abschnittes der vierten vorbestimmten Zeitperiode mit einem dritten Signal, welches ein Frequenzspektrum hat, welches alle Frequenzen der Bestrahlungen in den zweiten Zeitperioden einschließt, so daß nachfolgend während jeweiliger fünfter vorbestimmter Zeitperioden die Erzeugung von Nachbildungssignalen der Spinechosignale entstehen, _ " ■ " _

Erzeugen eines vierten positionsveränderlichen Magnetfeldes während der fünften vorbestimmten Zeitperioden zur Variierung der Intensität des Magnetfeldes in dem Objekt in Übereinstimmung mit der Position längs der Schnittlinie,

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Nachweisen der Nachbildungssignale, und

Verarbeiten der Spinechosignale und der Nachbildungssignale in Kombination zur Entwicklung eines verarbeiteten Signals, welches für die Dichte der Atomkerne kennzeichnend ist.

10. Gerät zur Erzeugung von Kennwerten für die relative Kerndichte von Einheitsvolumen innerhalb eines Objekts, wobei die Atomkerne Kernspins bei Larmor-Frequenzen in Übereinstimmung mit der Intensität des einwirkenden Magnetfeldes haben, gekennzeichnet durch:

Mittel, welche auf angelegte Steuersignale hin ein intensives erstes Magnetfeld in dem Objekt erzeugen, welches die Kernspins der Atomkerne in Übereinstimmung mit einer ersten vorbestimmten Richtung ausrichten,

erste Mittel zur Erzeugung eines ersten positionsveränderlichen Magnetfeldes während einer ersten vorbestimmten Zeitperiode zur Veränderung der Intensität des Magnetfeldes in dem Objekt in Übereinstimmung mit der Position längs einer zweiten vorbestimmten Richtung derart, daß die Larmor-Frequenzen der Kernspins als Funktion der relativen Position der Atomkerne längs einer zweiten vorbestimmten Richtung variieren,

zweite Mittel zur Bestrahlung des Objekts während der ersten vorbestimmten Zeitperiode mit einem Signal, welches ein Frequenzspektrum hat, welches im wesentlichen aus Komponenten besteht, die einem vorbestimmten Band der Larmor-Frequenzen entsprechen, um die Atomkerne mit Larmor-Frequenzen innerhalb des vorbestimmten Bandes selektiv derart anzuregen, daß die Kernspins der Atomkerne, die in einer

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ersten vorbestimmten Ebene in dem Objekt verteilt sind, um einen ersten vorbestimmten Winkel bezüglich ihrer Orientierung umgelenkt werden,

dritte Mittel zur Erzeugung eines zweiten positionsveränderlichen Magnetfeldes während jeweiliger aufeinanderfolgender zweiter vorbestimmter Zeitperioden nach der ersten Zeitperiode zur Variierung des Magnetfeldes in dem Objekt in Übereinstimmung mit der Position entlang einer dritten vorbestimmten Richtung derart, daß die Larmor-Frequenzen der Atomkerne in dem Objekt als Funktion der relativen Position der Atomkerne längs der dritten vorbestimmten Richtung variieren, wobei die dritte vorbestimmte Richtung quer zur zweiten vorbestimmten Richtung liegt,

vierte Mittel zur Bestrahlung des Objekts während der jeweiligen aufeinanderfolgenden zweiten vorbestimmten Zeitperioden mit Signalen, die ein Frequenzspektrum haben, welches im wesentlichen aus Frequenzkomponenten besteht, die einem vorbestimmten Band von Larmor-Frequenzen entsprechen, um die Kernspins der Atomkerne mit Larmor-Frequenzen innerhalb des vorbestimmten Bandes von Larmor-Frequenzen um einen zweiten vorbestimmten Winkel bezüglich ihrer vorherigen Orientierung umzulenken,

fünfte Mittel zur Erzeugung von Steuersignalen für die ersten Mittel" zur selektiven Variierung der Intensität des ersten Magnetfeldes um jeweils vorbestimmte Beträge während jeder zweiten vorbestimmten Zeitperiode zur Veränderung der besonderen Atomkerne mit Larmor-Frequenzen innerhalb des vorbestimmten Bandes von Larmor-Frequenzen während jeder zweiten vorbestimmten Zeitperiode derart, daß jeweilige

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weitere Ebenen in dem Objekt um einen zweiten vorbestimmten Winkel umgelenkt werden, wobei die weiteren jeweiligen Ebenen die erste Ebene längs jeweiliger einziger Schnittlinien schneiden und wobei die Atomkerne, die längs der Schnittlinien liegen, danach während jeweiliger aufeinanderfolgender dritter Zeitperioden Spinechosignale erzeugen,

sechste Mittel zur Erzeugung weiterer positionsveränderlicher Magnetfelder während der jeweiligen dritten Zeitperioden zur Variierung der Intensität des Magnetfeldes in dem Objekt in Übereinstimmung mit der Position längs der Schnittlinien derart, daß die Larmor-Frequenzen der Atomkerne, die längs der Schnittlinie angeordnet sind, als Funktion der relativen Position längs der Schnittlinie variieren,

siebte Mittel zum Nachweisen der Spinechosignale und Bestimmen der relativen Intensität ihrer Frequenzkomponenten, wobei die Spinechosignalfrequenzkomponenten kennzeichnend sind für die Dichte der Atomkerne, die in einer zugeordneten Position längs der Schnittlinie angeordnet sind und Spinechosignale erzeugen, und

achte Mittel zum Zusammenwirken mit den ersten, dritten und fünften Mitteln zur selektiven Variierung der Intensität des Magnetfeldes in dem Objekt in Übereinstimmung mit der Position längs der zweiten und dritten Richtung und entlang der Schnittlinie während verschiedener vorbestimmter Zeitperioden zur Korrektur unerwünschter Spinphasenverbreiterung .

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11. Gerät zum Nachweis der relativen Kerndichte in Einheitsvolumen in einem Objekt, wobei die Atomkerne Kernspins bei Larmor-Frequenzen in Übereinstimmung mit der Intentsität des einwirkenden Magnetfeldes haben, wobei die Atomkerne nur auf Signale bei der Larmor-Frequenz ansprechen, und wobei das Objekt in einem cartesisehen Koordinatensystem mit orthogonalen X-, Y- und Z-Richtungen gedacht ist, gekennzeichnet durch: ·

Erste Mittel, welche auf angelegte Steuersignale hin steuerbar ein positionsunabhängiges Magnetfeld in dem Objekt entlang der Z-Richtung erzeugen,

zweite Mittel, welche auf angelegte Steuersignale hin steuerbar jeweilige positionsveränderliche Magnetfelder in dem Objekt erzeugen, wodurch die Intensität des Magnetfeldes in der Z-Richtung in dem Objekt als Funktion der X-, Y- und Z-Positiori jeweils variiert, um dementsprechend die Larmor-Frequenzen der Kernspins in dem Objekt als eine Funktion der X-, Y- und Z-Positionen jeweils zu variieren,

dritte Mittel, welche auf angelegte Steuersignale hin ein Trägersignal bei einer vorbestimmten Trägerfrequenz erzeugen,

vierte Mittel, welche auf angelegte Steuersignale hin steuerbar ein Modulationssigrial ausgewählter vorbestimmter Wellenform, Amplitude und Dauer erzeugen, ". .

fünfte Mittel, welche auf das Modulationssignal und das Trägersignal hin das Trägersignal mit dem Modulationssignal modulieren und das Objekt mit dem modulierten Signal bestrahlen,

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sechste Mittel zur Erzeugung eines ersten Satzes von Steuersignalen für die zweiten, dritten und vierten Mittel zur Erzeugung eines X-positionsveränderlichen Magnetfeldes während einer vorbestimmten Zahl von aufeinanderfolgenden ersten Zeitperioden und Bestrahlen des Objekts mit jeweiligen ersten Signalen einer ersten vorbestimmten Amplitude und Dauer und mit jeweiligen vorbestimmten Frequenzspektren entsprechend den besonderen Bereichen von Larmor-Frequenzen derart, daß die Kernspins innerhalb jeweiliger Y-Z-Ebenen in dem Objekt um etwa 90 umgelenkt werden,

zur Erzeugung eines zweiten Satzes von Steuersignalen für die zweiten, dritten und vierten Mittel zur Erzeugung eines Y-positionsveränderlichen Magnetfeldes während einer vorbestimmten Zahl von aufeinanderfolgenden zweiten Perioden nach den ersten Zeitperioden und Bestrahlen des Objektes mit jeweiligen zweiten Signalen einer zweiten vorbestimmten Amplitude und Dauer und jeweiliger Frequenzspektren entsprechend den besonderen Bereichen von Larmor-Frequenzen derart, daß die Kernspins innerhalb jeweiliger X-Z-Ebenen um etwa 180° umgelenkt werden, wobei die jeweiligen X-Z-Ebenen die jeweiligen Y-Z-Ebenen längs jeweils einer einzigen Schnittlinie in dem Objekt schneiden, wobei von den Schnittlinien aus nachfolgend Spinechosignale erzeugt werden, und

zur Erzeugung eines dritten Satzes von Steuersignalen für .die zweiten Mittel zur Erzeugung jeweiliger Z-Gradienten zu Zeitpunkten in Übereinstimmung mit den Zeitintervallen zwischen den Bestrahlungen des Objektes mit den jeweiligen ersten und zweiten Signalen derart, daß die Spinechosignale in Anwesenheit der Z-Gradienten erzeugt werden,

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siebte Mittel zur Aufnahme der Spinechosignale und Erzeugung von Signalen, die dafür kennzeichnend sind,

Mittel zur 90°-Phasenverschiebung, welche auf Signale, die für die Spinechosignale kennzeichnend sind, und jeweilige Gleichtakt- und 90°-Phasenverschiebungssignale, die für die Trägersignale kennzeichnend sind, ansprechen zur Erzeugung jeweiliger Ausgangssignale, die für die Frequenz- und Phasendifferenzen zwischen den Spinechosignalen und den Gleichtaktsignalen und den Spinechosignalen und ■ den 90°-Phasenverschiebungssignalen kennzeichnend sind,

Mittel zur Berechnung der Vektorsummen der jeweiligen Ausgangssignale der 90°-Phasenverschiebungs-Demodulator-Mitte1,

Mittel für die Berechnung der Fourier-Transformierten der Vektorsummen zur Entwicklung von Kennwerten der Frequenzkomponenten, und

achte Mittel für die Anlegung von Steuersignalen an die zweiten Mittel zur Schaffung positionsveränderlicher Magnetfelder in dem Objekt während verschiedener der vorbestimmten Zeitperioden zur Korrektur einer unerwünschten Spinphasenverbreiterung.

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