DE2946820A1

DE2946820A1 - Verfahren und vorrichtung zur untersuchung eines koerpers mittels nuklearer magnetischer resonanz

Info

Publication number: DE2946820A1
Application number: DE19792946820
Authority: DE
Inventors: Godfrey Newbold Hounsfield
Original assignee: EMI Ltd
Current assignee: Philips Design Ltd
Priority date: 1978-11-16
Filing date: 1979-11-16
Publication date: 1980-05-29
Also published as: US4322684A; JPS5569044A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung eines Körpers mittels nuklearer magnetischer Resonanz

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit Systemen zur Erzeugung von Bildern der Verteilung einer Quantität in einem gewählten Bereich eines Körpers durch gyromagnetische Resonanz, insbesondere nukleare magnetische Resonanz (auch NMR-Technik genannt). Diese Technik kann zur Untersuchung von Körpern der verschiedensten Art eingesetzt werden. Eine besonders bevorzugte Anwendung ist die Untersuchung von Patienten für medizinische Zwecke.

Es wurde bereits vorgeschlagen, die nukleare magnetische Resonanz zur Erzeugung der Verteilung von Wasserprotonen oder anderen Molekülen oder von Relaxationszeitkonstanten in Querschnittsscheiben oder Volumen eines Patienten zu verwenden. Es ist besonders nützlich, die Untersuchung so durchzuführen, daß Daten erzeugt werden, die durch eine gleiche Technik analysiert werden können wie sie in der Computer-Tomographie für die Verteilung der Röntgenstrahlenschwächung bekannt ist. Ein Gerät und ein Verfahren hierfür einschließlich weiterer Ausgestaltungen sind in den älteren DE-Patentanmeldungen P 29 21 252, P 29 21 253 und P 29 32 001 beschrieben. Bei dieser Anordnung wird während der Untersuchung ein stetiges axiales Magnetfeld zugeführt. Dieses wirkt mit verschiedenen Gradientenfeldern zusammen, um Resonanz in ausgewählten Bereichen des Körpers zu erzeugen. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht der ausgewählte Bereich aus einer ebenen Scheibe, und die Untersuchung kann für weitere

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solcher Scheiben wiederholt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, die für größere Volumen des Körpers verwendbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a. Erregung von Resonanz in mehreren parallelen ebenen Scheiben des Körpers und Ableitung eines Resonanz?ignals für jede Scheibe,

b. Wiederholung des Schrittes a. für über mehrere unterschiedliche Winkel um eine erste, zu den Ebenen der Scheiben parallele Achse gedrehte Scheibe

c. Verarbeitung der abgeleiteten Rcsonanzsignale zur Erzeugung von Integralen von einer auf die Resonanz bezogenen Quantität für jede von mehreren zu der ersten Achse parallele Linien,

d. Wiederholung der Schritte a., b. und c. für über mehrere unterschiedliche Winkel um eine zweite, zur ersten Achse etwa senkrechte Achse gedrehte Scheiben,

e. Vorarbeitung der Integrale für Linien bei jedem der zuletzt erwähnten Winkel zur Gewinnung von Meßwerten der Quantität in jedem Element einer dreidimensionalen Matrix in dem Körper.

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Der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten:

Fig. 1 eine durch ein früheres NMR-Verfahren

untersuchte Scheibe,

Fig. 2 eine Veranschaulichung, wie die Schei

be von Fig. 1 durch Resonanz in parallelen Streifen der Scheibe untersucht wird,

Fig. 3 die Matrix für das frühere Verfahren,

für die Daten gewonnen werden,

Fig. 4 das durch das erfindungsgemäße Verfah

ren untersuchte Volumen,

Fig. 5 die Unterteilung des Volumens in paral

lele Scheiben, in denen Resonanz erregt wird,

Fig. 6 einen Schritt in der Drehung der Schei

ben,

Fig. 7 einen weiteren Schritt in der Drehung,

Fig. 8 einen noch weiteren Schritt in der

Drehung,

Fig. 9 eine Matrix von Streifen in dem Vo

lumen, für die Daten gewonnen werden,

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Fig. 10 eine gleiche Matrix bei einem Schritt

in einer weiteren Drehung,

Fig. 11 eine Matrix bei einem weiteren Schritt

der Drehung,

Fig. 12 eine Matrix bei einem noch weiteren

Schritt in der Drehung,

Fig. 13 die Unterteilung der Matrix von Fig. 9

in ebene Teile,

Fig. 14 ebene, zweidimensionale Matrices, für

die aus ebenen Teilen bei unterschiedlichen Winkeln aus Fig. 9-12 Daten abgeleitet werden,

Fig. 15 ein typisches NMR-Gerät, das zur Aus

führung der Erfindung verwendet werden kann,

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Fig. 16 eine Verteilung von Feldmeßspulen für

das Gerät gemäß Fig. 15,

Fig. 17 ein Gerät zur Ausführung der Erfindung,

Fig. 18 ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung

der zur Erläuterung der Erfindung verwendeten Koordinaten,

Fig. 19 eine Darstellung der ausgeführten

Drehungen und

Fig. 20 ein Blockdiagramm einer Schaltung zur

Erzeugung der genauen Reihenfolge und Größe der Feldgradientenimpulse.

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Die nukleare magnetische Resonanztechnik wird im allgemeinen zur Analyse der Verteilung von Protonen von Wassermolekülen in einem Körper verwendet. Diese Technik kann jedoch auch zur Analyse anderer Moleküle eingesetzt werden.

Einem Magnetfeld ausgesetzte Moleküle besitzen eine Resonanzfrequenz, die sich auf den Wert des Feldes bezieht. Sie können dann bei Zuführung eines die Resonanzfrequenz aufweisenden Hochfrequenz-Magnetfeldes erregt werden, und dann kann man die Erregung abklingen lassen. Das Abklingen bewirkt die Induzierung eines Signals mit der Resonanzfrequenz in den Körper umgebenden Spulen.

Bei der in den oben erwähnten Anmeldungen beschriebenen Anordnung wird das Magnetfeld so eingestellt, daß es unterschiedliche Werte in verschiedenen Teilen des Körpers aufweist. Nur die Teile, deren Resonanzfrequenz gleich der Frequenz des Hochfrequenzfeldes ist, werden erregt.

Das Basismagnetfeld verläuft in der z-Richtung, die normalerweise koaxial zum Körper eines Patienten verläuft und kann mit H bezeichnet werden, wenn alle Felder in dieser Richtung

mit H bezeichnet werden. Es wird ein weiteres H -Feld Gz zuqez ζ ³

führt, das einen Gradienten in der z-Richtung hat, so daß Gz = |— ist. Hierdurch wird ein einziger Gesamtfeldwert in ei-

w Z

ner gewählten Querschnittsscheibe des Patienten gemäß Fig. 1 erzeugt. Dann wird ein umlaufendes Hochfrequenzfeld H. zugeführt, dessen Frequenz so gewählt ist, daß in der ausgewählten Scheibe Resonanz auftritt. Somit schwingen nur die Moleküle in der Scheibe mit. Das Resonanzsignal von der Scheibe kann dann gemessen werden. Bei der Messung wird jedoch ein weiteres Feld Gr = %^- zugeführt, das in der z-Richtung verläuft, jedoch einen Gradienten in einer

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Richtung r besitzt, die senkrecht zu ζ verläuft. Dies bewirkt eine Phasenstreuung der Resonanz in der r-Richtung und folglich eine Streuung des gemessenen Resonanzsignals. Die Frequenzanalyse dieses Signals, vorzugsweise durch Fourier-Transformationen ergibt eine Vielzahl von Resonanzsignalen, und zwar jeweils für einen unterschiedlichen, senkrecht zu r verlaufenden Streifen in der gewählten Scheibe gemäß Fig. 2.

Für die Analyse durch die aus der Computer-Tomographie bekannten Röntgenstrahlen-Techniken wird dieses Verfahren für viele unterschiedliche Richtungen von r wiederholt, um mehrere Gruppen von Signalen für Gruppen von Streifen in unterschiedlichen Richtungen zu erzeugen, die jeweils senkrecht zur zugehörigen Richtung von r verlaufen. In der Praxis wird Gr als Summe von Gx (= k~) und Gx (= 4—-) Gradienten erzeugt, wobei x, y und ζ orthogonale Richtungen sind und die relativen Größen dieser Komponenten geändert werden, um die Richtung von r zu ändern. Zwischen der Aufnahme jeder Meßwertgruppe bei unterschiedlichen Richtungen von r wird der Spin der Moleküle in die richtige Phrse zurückgebracht, und die Erregung durch Gz und H₁ wird wiederholt. Das Zurückbringen in die richtige Phase kann dadurch erreicht werden, daß gewartet wird, bis die Relaxation den gewünschten Effekt bewirkt. Im Interesse einer schnelleren Untersuchung kann dies jedoch auch durch Wiederholung der Impulsfolge in umgekehrtem Sinne bewirkt werden. Weitere Signale können während der Wiederholung gemessen werden. Sie sollten identisch zu den bereits gemessenen Signalen sein, jedoch verbessern sie das Signal/Störverhältnis. Es können auch Spinecho-Techniken verwendet werden.

Die Analyse der Daten für diese Streifen in unterschiedlichen Richtungen nach der Röntgenstrahlen-Technik ergibt Werte

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für den Wassergehalt in einzelnen Elementen einer Matrix von Elementen in der Scheibe, wobei die Elemente durch das verwendete Verfahren definiert werden und nicht durch die Körperphysiologie. Dies ist in Fig. 3 dargestellt, obwohl in der Praxis wesentlich mehr Elemente vorhanden sind, z.B. 256 χ 256, da jede Gruppe mehr Streifen besitzt als in Fig. 2 dargestellt sind.

Es hat sich herausgestellt, daß bei Verwendung dieser Technik die in den erwähnten Patentanmeldungen beschriebenen Empfangsspulen Störungen von etwa dem gesamten Körper empfangen, obwohl Nutzsignale nur von der einzelnen untersuchten Scheibe gewonnen werden. Gemäß der Erfindung wird daher vorgeschlagen, Signale gleichzeitig von einem für viele Scheiben äquivalenten Volumen zu erhalten, so daß das Nutzsignal zunimmt, nicht jedoch die Störungen, und diese Signale dann zu analysieren, um eine Information für viele Scheiben zu erhalten.

Dieses Verfahren ähnelt in mancher Hinsicht dem zuvor beschriebenen Verfahren. Da es jedoch nicht erforderlich ist, die Resonanz auf eine einzelne Scheibe zu begrenzen, ist es theoretisch nicht notwendig, einen Gz-Gradienten zur Definition der Scheibe zuzuführen. In der Praxis ist es nicht erwünscht, daß die Erregung auf + oo in der z-Richtung ausgedehnt wird, beispielsweise wegen möglicher "anderer Probleme", und aus diesem Grunde wird ein schwaches G -Gradientenfeld zugeführt, um die Resonanz auf ein interessierendes Volumen zu begrenzen, das dann tatsächlich aus einer sehr dicken Scheibe besteht. Eine solche Scheibe ist in Fig. 4 dargestellt. In der Praxis würde dies natürlich eine dicke Scheibe im Querschnitt des untersuchten Körpers sein und eine etwa zylindrische Form aufweisen. Aus Gründen der Klarheit

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und zum besseren Verständnis ist jedoch in dieser wie auch in den nachfolgenden Figuren ein kubisches Volumen dargestellt. Der Kubus '^<annals ein untersuchtes Volumen in einem Raum angesehen werden, in dem der Körper liegt. Das Gr-FeId wird nun wie zuvor zugeführt, und als Folge davon wird das Volumen von Fig. 4 in mehrere Ebenen entsprechend den Streifen in Fig. 2 aufgeteilt, von denen jede mit einer anderen Frequenz resoniert. Dies ist in Fig. 5 dargestellt. Die Resonanzsignale werden dann wie zuvor für jede dieser Ebenen durch das Fourier-Transformationsverfahren gewonnen.

Im Gegensatz zu dem vorher beschriebenen Verfahren wird jedoch der Gradient Gr, bevor er in der xy-Ebene gedreht wird, in einer Richtung senkrecht dazu gedreht, was durch den Pfeil 2 in Fig. 5 angedeutet ist. Dies wird dadurch erreicht, daß Gx und Gy kosntant gehalten werden, und indem eine Gz-Komponente von Gr eingeführt und verändert wird. Diese ist abgesehen von der Veränderung gleich der bereits zugeführten Gz-Komponente und kann den gleichen Spulen zugeführt werden, vorausgesetzt, daß die Abmessungen brauchbar sind. Es können auch zusätzliche Spulen verwendet werden. Die Drehung erfolgt über 180° in beispielsweise zweihundert Stufen, und Resonanzsignale werden für die gesamte Gruppe von Ebenen bei jeder der zweihundert Positionen abgeleitet. Einige dieser Positionen sind in Fig. 6, 7 und 8 dargestellt. Natürlich ist die 180°-Position identisch mit der 0°-Position und kann daher entfallen.

Alle Daten für die zweihundert Positionen werden dann vorzugsweise durch die von der Computer-Tomographie bekannte Röntgenstrahlen-Technik verarbeitet. Die Verarbeitung unterscheidet sich nicht von der zuvor beschriebenen Verarbeitung. Da die Daten sich jedoch auf Ebenen und nicht auf Streifen beziehen,

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gelten die aus der Verarbeitung sich ergebenden Daten für Streifen, die alle parallel zur Drehachse 3 verlaufen, und nicht für kleine Elemente wie in Fig. 3.

Fig. 9 zeigt wie der insoweit angenommene kubische Körper in Streifen unterteilt wird, für die jeweils ein Gesamtwassergehalt abgeleitet worden ist. Es sei nochmals betont, daß in Wirklichkeit die Drehung des Kubus gemäß Fig. 4 - 6 in Fig. 9 zu einem zur Achse 3 parallelen Zylinder führt. Aus Gründen der Klarheit ist in den nachfolgenden Figuren wiederum ein Kubus angenommen. Diesen kann man sich als einen aus dem Zylinder ausgewählten Kubus vorstellen.

Das beschriebene Verfahren zur Datengewinnung in dieser Form ähnelt dem von Lauterbur in Pure and Applied Chem. 40, 1974, Seiten 149 - 157 vorgeschlagenen Verfahren. Lauterbur gibt jedoch nur allgemein an, daß eine weitere Verarbeitung dieser Daten durchgeführt werden kann.

Um das Untersuchungsverfahren in Ausgestaltung der Erfindung zu vervollständigen, werden die Gx und Gy-Komponenten durch Drehung der Achse 3 um die z-Richtung verändert. Diese Drehung wird über 180° in beispielsweise zweihundert Stufen durchgeführt, und für jede der zweihundert Stufen wird das vorhergehende Verfahren (Drehung der Richtung r um Achse 3 über 180°, Messung bei zweihundert Positionen und Analyse in Streifen jeweils wie in Fig. 9) wiederholt. Somit werden Daten für zweihundert Gruppen von Streifen jeweils wie in Fig. 9 gewonnen, wobei alle Streifen in einer Gruppe parallel verlaufen und die einzelnen Gruppen einen unterschiedlichen Winkel in bezug auf die z-Achse aufweisen. Drei der zweihundert Drehstufen sind in Fig. 10, 11 und 12 dargestellt .

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Man sieht, daß jeder in einer Position der zuletzt genannten Drehung ermittelte Kubus von Streifen als Gruppe von Ebenen mit gleicher Dicke wie ein Streifen angesehen werden kann und dabei über der Breite in einzelne Streifen unterteilt ist. Fig. zeigt ähnlich wie Fig. 9 einen Kubus in Explosionsdarstellung, um diese Konfiguration zu verdeutlichen. Wenn somit die Drehung um die z-Achse fortschreitet, wird jede Ebene um diese Achse gedreht und die für jede Ebene erzeugten Daten sind die gleichen wie bei Drehung der Streifen in Fig. 2 um die z-Achse. Sie können dann jeweils durch das aus der Computer-Tomographie bekannte Röntgenstrahlenverfahren verarbeitet werden, um Daten für mehrere parallele, ebene Matritzen von Elementen, entsprechend der Matrix in Fig. 3 zu erzeugen, was in der Explosionsdarstellung in Fig. 14 dargestellt ist. Jede dieser Matritzen kann individuell als Darstellung einer Querschnittsscheibe des Patienten dargestellt werden, oder sie können gemeinsam als eine Volumendarstellung sichtbar g macht werden. Natürlich können die während der Drehung um die z-Aohse gewonnenen Daten gemeinsam auch als dreidimensionale Verarbeitung verarbeitet werden.

Fig. 15 zeigt in vereinfachter Form das in den erwähnten älteren Patentanmeldungen beschriebene NMR-Gerät. Nur schematisch sind folgende Spulen dargestellt: Spulen 4, die die Gx-Komponente von G erzeugen, Spulen 5, die die Gy-Komponente von G erzeugen, Spulen 6, die das stetige H -Feld erzeugen, Spulen 7, die das rotierende H₁ (Hochfrequenz-Feld) erzeugen und Spulen 8, die den G -Feldgradienten erzeugen. Die Spulen werden durch zugehörige Verstärker 9, 10, 11, 12 und 13 gespeist, die von Steuerschaltungen 14, 15, 16 und 17 gesteuert werden. Diese Schaltungen können von beliebigem Aufbau sein, der den mitNMR-Geräten und anderen Geräten, die in Spulen induzierte Magnetfelder verwenden, vertrauten Fachleuten

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bekannt ist. Die Schaltungen werden durch eine zentrale Verarbeitungs- und Steuereinheit 18 gesteuert, um die gewünschte Impulsfolge zu erzielen.

Das während der G -Feldzuführung gemessene Signal wird in diesem Beispiel von den H.-Spulen 7 empfangen und von einem Hochfrequenzverstärker 19 verstärkt bevor es Signalverarbeitungsschaltungen 20 zugeführt wird. Unter gewissen Umständen kann es von Vorteil sein, getrennte, speziell für diesen Zweck ausgelegte Spulen zu verwenden, um das Signal zu messen. Die Schaltungen 2O sind so ausgebildet daß sie erforderliche Eichungen und Korrekturen durchführen, aber im wesentlichen die Signale, die tatsächliche Protoncndichte-Werte für Streifen in dem Körper sind, zu den Vcrarbeitungsschaltungen übertragen, um die erforderliche Darstellung der untersuchten Scheibe zu erzeugen. Diese Schaltungen können speziell auf die Verarbeitung nach dem Computer-Tomographie-Prinzip ausgelegt werden, beispielsweise für das Konvoiutionsverfahren, das in GB-PS 1 471 531 beschrieben ist. Es ist jedoch von Vorteil, die Verarbeitung durch einen entsprechend programmierten Digital-Rechner zu bewirken. Dieser Rechner kann auch die Impulsfolge steuern und dann die Funktion der Schaltungen 18 ausführen. Das so gewonnene Bild kann auf einer Anzeige 21, beispielsweise einem Fernsehmonitor betrachtet werden,und dieser kann Eingänge und andere Peripherievorrichtungen 22 zur Erzeugung von Kommandos und Instruktionen für die Maschine oder andere Formen von Ausgängen enthalten.

Das Gerät enthält ferner Feldmeß- und Fehlersignalschaltungen 23, die Signale über Verstärker 24 von Feldsonden X₁, X_, Y₁, Y„, N und M empfangen. Die Lage der Sonden in bezug auf die untersuchte Scheibe des Körpers 25 des Patienten ist in

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Fig. 16 dargestellt. X₁, X₂, Y. und Y_ sind in diesem Beispiel übliche YIG (Yttrium-Eisen-Granat) abgestimmte Oszillator-Feldmeßsonden. Die Sonden ergeben Meßwerte des Feldes an den Stellen, an denen sie sich befinden als Schwingungen mit einer Frequenz, die proportional der Feldintensität ist. Die gemessenen Werte werden daher durch eine Zählung der Schwingungen in einer gegebenen Zeit gewonnen. In der Praxis können die YIG-Sonden auf verschiedene Art schwingen, und es ist erforderlich, die Art im Betrieb zu bestimmen. Zu diesem Zweck sind NMR-Sonden M und N vorgesehen. Diese Sonden sind einfache Miniaturzellen aus reinem Wasser (z.B. eine geschlossene Teströhre), die von einer kleinen Spule umgeben sind. Vorzugsweise ist das Wasser dotiert, so daß es einen geeigneten Wert C₁ als Relaxations-Zeitkonstante besitzt. Die Sonden ergeben eine zuverlässige Resonanz von 4.26kHz/Oe und können dazu verwendet werden, die Arbeitsweise der abgestimmten YIG-Oszillatoren zu prüfen. Sie besitzen jedoch eine nicht ausreichende räumliche Auflösung, um als Ersatz der YIG-Sonden zur Gradientenfeldmessung verwendet werden zu können. Die Sonde N, die im Raum festgelegt ist, wirkt als Bezugssonde. Eine bewegbare NMR-Sonde M kann neben den YIG-Sonden ihrerseits bewegt werden, um Daten zur Bestimmung ihrer Art der Schwingung, Orientierung und anderer Eigenschaften zu erzeugen. Gegebenenfalls können auch andere Arten von Sonden verwendet werden.

Das insoweit beschriebene Gerät ist im wesentlichen in den erwähnten älteren Patentanmeldungen beschrieben. Es kann leicht auf die Gegebenheiten der vorliegenden Erfindung umgestellt werden, indem die Reihenfolgesteuerung der Spulenbeaufschlagung an die oben beschriebene Untersuchungsreihenfolge angepaßt wird.

Ein Teil der Anpassung an die Erfindung ist in dem vereinfachten Blockschaltbild in Fig. 17 zu sehen, in dem das gesamte NMR-System dargestellt ist. Das Spulensystem ist dort mit 26 be-

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zeichnet. Dieses braucht sich nicht von dem für zweidimensionale Untersuchungen bekannten und beispielsweise in der erwähnten Patentanmeldung beschriebenen Spulensystem zu unterscheiden, vorausgesetzt, daß die das Feld erzeugenden Spulen groß genug und ausreichend genau angeordnet sind oder gesteuert werden, um gleichmäßige Felder über dem Volumen, das untersucht werden soll, zu erzeugen. Ebenso sollten die Signalmeßspulen ausreichend groß bemessen sein, und dies gilt auch für die H.-Feldspulen. Die Spulen werden von Einheiten 27 in Abhängigkeit von der Steuereinheit 28 eingespeist.

Die von den Meßspulen empfangenen Signale werden im Hochfrequenzverstärker 19 verstärkt und in einem Speicher 29 gespeichert, bis eine volle Gruppe angesammelt worden ist, und dann erfolgt eine Verarbeitung in einer Verarbeitungsschaltung 30, die so ausgebildet ist, daß die empfangenen Daten nach dem Prinzip der Computer-Tomographie-Röntgenstrahlenverarbeitung erfolgt. Die Verarbeitungsschaltung 30 kann wie bei Computer-Tomographen^ber mit geringfügigen notwendigen Änderungen ausgebildet sein. Jedesmal, wenn eine Drehung um die Achse 3 (Fig. 5-8) durchgeführt wird, werden die verarbeiteten Daten in einem Zwischenspeicher 31 gespeichert. Nachdem die Drehungen um die Achse 3 für alle Drehpositionen um die z-Achse ausgeführt worden sind, werden die gesamten, zuerst verarbeiteten Daten aus dem Speicher 31 abgezogen, beim vorliegenden Ausführungsbeispiel z.Zt. jeweils eine Scheibe (Fig. 13), und dann in der gleichen Weise wie zuvor in der Verarbeitungsschaltung 30 weiterverarbeitet. Die zweimal verarbeiteten Daten werden dann in einem Speicher 32 für die Anzeige 21 gespeichert. Wie oben erwähnt wurde, müssen die Signale vom Verstärker 19 vor der beschriebenen Verarbeitung einer Fourier-Transformation unterzogen werden. Dies kann ebenfalls in der Verarbei-

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tungsschaltung 30 erfolgen, jedoch kann auch eine übliche Fourier-Transformationsschaltung 33 zwischen den Hochfrequenzverstärkern 19 und dem Speicher 29 eingefügt werden. Die Schaltungen 29 - 33 sind in Verarbeitungsschaltungen 18 und 20 von Fig. 15 enthalten.

Die Steuereinheit 28 wird lediglich benötig^ um sicherzustellen, daß die Einheiten die oben beschriebenen Schritte in der richtigen Reihenfolge und in vorgegebenen Zeiten, wie es für NMR-Geräte bekannt ist, durchführen. Insoweit ist die Steuereinheit 28 im wesentlichen ein programmierter Taktgeber, der Impulse aussendet, um einzelne Einheiten zu vorgegebenen Zeiten ein- und auszuschalten. Solche Einheiten sind bekannt. Die Einheit kann aber auch andere Funktionen ausführen, z.B. Eichungen und andere, ggfs. erwünschte Verfeinerungen der Verarbeitung.

Fig. 18 zeigt ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung der oben beschriebenen Stufen bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Aber Wandlungen in der Reihenfolge sind im Rahmen der ■■'.) Γ ! ndun t ! u"<| 1 i eh .

Das Fl ti Bd i ag ramm spricht für sich selbst und wird nur kurz in Verbindung mit Fig. 19 erläutert, in der die maßgebenden Koord i na ton da rge steilt s i nd.

!'•ei Vorhnndoso i η des H^ -Feldes (34) wi rd das Volumen mit (MtKMti V /2 Hochfrequenz (H ) -Impuls (35, 36) erregt, um die Vektoren in der x-y-Ebone zu drehen. Dann wird G zugeführt (37,39). lii e oben erwähnt v;urde, .ist es zweckmäßig, einen G -Feldgradienten als uee.Lqnoten Anteil der orthogonalen Gx und Gy-Feldgradionton zu oir.evigen. Dei tier Erfindung bewegt sicli G in drei Dimensionen und wird daher durch geeignete Anteile der orthogo-

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COPY M

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nalen Feldyradienten Gx, Gy und Gz erzeugt.

Zunächst wird angenommen, daß G mit der x-Achse fluchtet

und dann durch Gx erzeugt wird, während Gy und Gz Null sind.

Die erste Drehung erfolgt um die y-Achse (vertikal in

Fig. 19) über einen Winkel Θ, und das neue G_n wird durch

Gx = G_n cos θ, Gy = 0 und Gz = G sin θ erzeugt. Während der Zu-

führung des G -Gradienten wird das NMR-Signal gemessen (38). Die-K

ser Vorgang wird wiederholt (40, 41) um G um die Achse 3 zu drehen (Fig. 5-8), wobei bei jeder Stufe die richtige Phase wiederhergestelIt wird (42). Die im Verlauf dieser Drehung gewonnenen Signale werden dann verarbeitet (43)₍ um Signale für die zur Achse 3 parallelen Streifen zu erhalten (natürlich können diese Signale gespeichert und diese Verarbeitungsstufe verzögert werden, bis alle Signale gemessen worden sind). Der G -Gradient wird dann um die z-Achse über einen Winkel 0 in der x-y-Ebene gedreht (44, 45) und die Drehung um die Achse 3 wird wiederholt. Dies ist in Fig. 19 als Drehung des Ortes, den der Vektor r in Richtung auf die Z-Achse bei seiner Drehung über 0< θ < 360° überstreicht. Die erforder 1ichen Feldgradienten werden dann durch die allgemeinen Formeln bestimmt:

Gx = G cos θ cos 0, Gy = G cos θ sin 0, Gz = G sin θ

und die Drehung für den Block 41 führt generell zu Änderungen bei allen drei orthogonalen Gradienten.

Wenn alle Drehungen über 0 durchgeführt worden sind, werden die verarbeiteten Signale von der Stufe 43 erneut in der gleichen Weise verarbeitet (46), um die in Fig. 14 dargestellte Scheibenanalyse zu erhalten.

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Aus der vorangehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die prinzipiellen Änderungen, die bei bekannten NMR-Geräten zur Ausführung der Erfindung erforderlich sind, einerseits in der vorübergehenden Speicherung der zunächst verarbeiteten Signale bestehen, um einen zweiten Durchlauf der sonst identischen Verarbeitungsschaltungen (oder durch eine weitere gleiche Schaltung) zu bewirken, und andererseits in der Verwendung der dreidimensionalen Gradienten-Impulse bestehen. Fig. 20 zeigt in einem Blockdiagramm eine Schaltung zur Erzeugung der genauen Folge und Richtungen des Gradienten und anderer Impulse zu den entsprechenden Spulen.

Da das Untersuchungsverfahren im allgemeinen stets identisch für eine bestimmte Ausbildung eines Gerätes ist, ist es zweckmäßig, durch Rechnung unter Verwendung der oben genannten Formeln die erforderliche Dauer der Impulse zu bestimmen. Der Arbeitsablauf wird dann durch diese vorgegebenen Impulsdauern, die in geeigneten Speichern, z.B. Festspeichern, gespeichert sind_# gesteuert. Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält ein Speicher 47 ein Amplitudenprofil über der Zeit für den gewünschten G -Impuls. Die Gx, Gy und Gz-Impulse werden durch Modifikation dieses Profils entsprechend den laufenden Werten der Winkel θ und 0 gebildet, und insoweit enthalten die Speicher 48, 49, 50 und 51 entsprechende Werte von cos Θ, cos 0, sin 0 und sin Θ. Der Speicher 52 enthält Profile für die H₁ (Hochfrequenz)-Impulse als eine Folge von Zeiten bei unterschiedlichen Amplituden. Die Folge des Arbeitsablaufes der einzelnen Speicher wird in der beschriebenen Weise bestimmt und in einem Speicher 53 als Folge von verschiedenen Funktionen und ihren entsprechenden Richtungen gespeichert. Alle Operationen werden durch Taktimpulse von einem Taktgeber 54 zeitlich festgelegt. Im Betrieb wird das G_,-Profil bei 55 mit

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cos θ cos 0 (erzeugt in der Multiplikationsschaltung 56) multipliziert, um Gx zu erhalten, das über einen Digital/Analog-Umsetzer 57 dem Verstärker 9 zugeführt wird. In gleicher Weise wird cos θ sin 0 von 58 bei 59 mit G_n multipliziert, um Gy für den Verstärker 10 zu erhalten, und sin θ wird mit G bei 60 multi-

pliziert, um Gz für den Verstärker 12 zu erhalten. Das H₁ wird nur über einen Digital/Analog-Umsetzer 61 zum Verstärker 11 geleitet.

Es sei bemerkt, daß ein schnelleres Ansprechen erzielt werden kann, wenn die Multiplikationen und die Speicherung aller Werte für jede G -Komponente in entsprechenden Speichern für jeden unterschiedlichen Winkel vermieden werden. Dies würde jedoch eine sehr viel größere Speicherkapazität erfordern.

Bs/vf/dm

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Claims

ElKENBERG & BRÜMMERSTEDT PATENTANWÄLTE IN HANNOVER EMI Ltd. 100/546 Patentansprüche :

1. Verfahren zur Untersuchung eines Körpers mittels nuklearer magnetischer Resonanz, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a. Erregung von Resonanz in mehreren etwa parallelen ebenen Scheiben des Körpers und Ableitung eines Resonanzsignals für jede Scheibe,

b. Wiederholung des Schrittes a. für über mehrere unterschiedliche Winkel um eine erste, zu den Ebenen der Scheiben parallele Achse gedrehte Scheiben,

c. Verarbeitung der abgeleiteten Resonanzsignale zur Erzeugung von Integralen von einer auf die Resonanz bezogenen Quantität für jede von mehreren zu der ersten Achse parallelen Linien,

d. Wiederholung der Schritte a., b. und c. für über mehrere unterschiedliche Winkel um eine zweite, zur ersten Achse etwas senkrechte Achse gedrehte Scheiben,

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e. Verarbeitung der Integrale für Linien bei jedem der zuletzt erwähnten Winkel zur Gewinnung von Meßwerten der Quantität in jedem Element einer dreidimensionalen Matrix in dem Körper.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß beim Schritt e. die Integrale in Gruppen verarbeitet werden, wobei jede Gruppe aus Integralen für mehrere Sätze von parallelen Linien besteht und die Linien aller Sätze in einer Gruppe etwa koplanar sind, und daß die Integrale jeder Gruppe verarbeitet werden, um Meßwerte der Quantität in Elementen einer zweidimensionalen, in der jeweiligen Ebene angenommenen Matrix von Elementen zu erzeugen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem der genannten Verfahrensschritte Linienintegrale einer durch einen Bereich aus mehreren unterschiedlichen Richtungen verlaufenden Quantität verarbeitet werden, um eine Verteilung der Quantität in dem Bereich zu erhalten.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantität die Protonendichte in dem Körper ist.

5.' Gerät zur Untersuchung eines Körpers mittels nuklearer magnetischer Resonanz, gekennzeichnet durch Mittel zur Erregung von Resonanz in mehreren etwa parallelen Scheiben des Körpers, Mittel zur Ableitung eines Resonanzsignals für jede Scheibe, Mittel zur Veranlassung der zur Erregung dienenden Mittel, die Erregung für eine Gruppe von parallelen Ebenen bei mehreren unterschiedlichen Orientierungen im Körper zu wiederholen, und

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Mittel zur Verarbeitung der Resonanzsignale für die Gruppe von Scheiben, um Werte einer Quantität abzuleiten, die auf die Resonanz in Elementen einer im Körper angenommenen dreidimensionalen Matrix von Elementen bezogen sind.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsmittel so ausgebildet sind, daß zuerst die Signale in Gruppen von Signalen für Gruppen von parallelen Streifen mit unterschiedlicher Orientierung in jedem von mehreren parallelen Abschnitten des Körpers verarbeitet werden, und daß dann die Signale für jeden solchen Abschnitt in Werte der genannten Quantität für Elemente einer zweidimensionalen Matrix in dem Abschnitt verarbeitet werden.

7. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erregung so ausgebildet sind, daß sie Resonanz in mehreren Scheiben bei jeder von mehreren unterschiedlichen Winkelorientierungen um eine erste Achse erzeugen und diesen Vorgang für jede von mehreren Winkelorientierungen der ersten Achse um eine zweite, orthogonale Achse wiederholen.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Verarbeitung so ausgebildet sind, daß aus den während der Drehung um die erste Achse gewonnenen Signalen Integrale der genannten Quantität für mehrere zu dieser Achse parallele Streifen in einem Volumen des Körpers für jede Winkelposition der ersten Achse erzeugt und die Integrale so verarbeitet werden, daß die genannten Werte für die Matrix-Elemente abgeleitet werden.

9. Verfahren zur Untersuchung eines Körpers mittels nuklearer magnetischer Resonanz, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: 030022/08 0?

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a. Zuführung eines rotierenden Hochfrequenzfeldes zum Körper bei Vorhandensein eines Feldgradienten in einer ersten Richtung, um Resonanz in einem Volumen des Körpers zu erzeugen,

b. Zuführung eines zweiten Feldgradienten in einer gewählten Richtung zur Zerstreuung der Resonanz in der gewählten Richtung,

c. Messung eines Resonanzsignals für jede von mehreren Querschnittsscheiben des Volumens, das in der gewählten Richtung zerstreut ist,

d. Wiederholung der Schritte b. und c. für mehrere unterschiedliche Richtungen des zweiten Feldgradienten, wobei alle diese Richtungen orthogonal zu einer Achse verlaufen, die parallel zu den zuerst erwähnten Scheiben verläuft,

e. Wiederholung der Schritte a., b., c. und d. für mehrere unterschiedliche Richtungen der Achse, wobei alle Richtungen orthogonal zu einer weiteren Achse in dem Volumen verlaufen,

f. Verarbeitung der Resonanzsignale zur Erzeugung von Meßwerten einer auf die Resonanz bezogenen Quantität für jedes von mehreren Elementen einer im Körper definierten dreidimensionalen Matrix von Elementen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die in einer einzelnen Wiederholung der Schritte a., b., c. und d.

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gewonnenen Signale verarbeitet werden, um Werte der genannten Quantität für jeden von mehreren parallelen Streifen des Körpers, die parallel zu der ersten Achse verlaufen, abzuleiten, und daß diese Werte anschließend für alle Richtungen der Achse verarbeitet werden, um die Werte für die Elemente zu erzeugen.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitung nach einem bei der Computer-Tomographie zur Röntgenstrahlenanalyse verwendeten Prinzip erfolgt, bei dem Linienintegrale der Röntgenstrahlenabsorption verarbeitet werden.

12. Verfahren zur Untersuchung eines Körpers mittels nuklearer magnetischer Resonanz, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Erregung von Resonanz in einem dreidimensionalen Bereich eines Körpers und Ableitung von Resonanzsignalen für unterscheidbare Teile dieses Bereiches, Zuführung von drei orthogonalen, variablen Feldgradienten, die den Bereich wirksam mit unterschiedlichen Raten um zwei orthogonalen Achsen drehen und Wiederholung des Schrittes der Resonanzerregung und der Ableitung von Resonanzsignalen für mehrere Positionen bei der wirksamen Drehung, Verarbeitung der Resonanzsignale zur Gewinnung von Meßwerten einer auf die Resonanz bezogenen Quantität in jedem Element einer im Körper angenommenen dreidimensionalen Matrix von Elementen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitung nach einem bei der Verarbeitung von Röntgenstrahlensignalen in der Computer-Tomographie verwendeten Prinzip erfolgt.

-Beschreibung-

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