DE3539991A1 - Verfahren zur aufzeichnung der materialeigenschaften eines zu untersuchenden gegenstandes - Google Patents

Description

Verfahren zur Aufzeichnung der Materialeigenschaften eines zu untersuchenden Gegenstandes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufzeichnung der Materialeigenschaften eines zu untersuchenden Gegenstandes gemäß Anspruch 1 zur Ermittlung der lokalen Verteilung einer Kopplungskonstante J des Kernes eines zu untersuchenden Atoms in einem dreidimensionalen Gegenstand, bspw. einem menschlichen Körper oder einem Baumstumpf.

Das Verfahren kann angewendet werden bspw. zur Aufzeichnung und Analyse des Stoffwechsels eines Gegenstandes, der Strömungen, die in einem Gegenstand auftreten und für die Aufzeichnung anderer dynamischer Eigenschaften unter Verwendung eines Spurenfinders oder Indikators eines Ingredienten, der eine spezifische Kopplungskonstante hat. Das Bestehen des sogen, magnetischen Resonanzphänomens (NMR-Phänomen) wurde experimentell 1946 durch zwei Forschungsgruppen festgestellt (Pound, Purcell, Torrey und Block, Hansen, Packard). Diese Entdeckung führte schnell zu einer breiten Anwendung des Phänomens in der physikalischen und organischen Chemie.

Alle Kerne mit ungeraden Zahlen von Protonen und Neutronen haben ein Impulsmoment oder einen "Spin", der unterschiedlich zu Null ist. Die Kerne haben auch eine posi-

• »*

tive elektrische Ladung, die zusammen mit dem Spin der Kerne für den Kern ein magnetisches Moment erzeugen, dessen Richtung mit der Spin-Achse des Kernes zusammenfällt. Ein Feld, erzeugt vom magnetischen Moment eines Kernes, kann vom Feld eines magnetischen Poles angenähert werden. Falls ein Muster, das eine Mehrzahl von Kernen enthält, in einem statischen magnetischen Feld plaziert wird, neigen die magnetischen Momente eines Kernes dazu, sich parallel auszurichten, und das Muster wird mit einer Netzmagnetisierung parallel zum äußeren Magnetfeld versehen. Die Größenordnung der Netzmagnetisierung ist proportional der Zahl der Kerne im Muster und der Stärke des äußeren Magnetfeldes. Die Orientierung der Kerne wird von der thermischen Bewegung der Kerne gestört und auf diese Weise wird die Größenordnung der Magnetisierung auch von der Temperatur des Musters beeinflußt. Wenn die Temperatur anwächst, nimmt die Magnetisierung ab. Quantenmechanisch ausgedrückt, können diese Vorgänge derart beschrieben werden, daß ein äußeres Magnetfeld eine Anzahl von Energiestufen in Abhängiegkeit von der Spin-Quantennummer (I) erzeugt, auf welchen Stufen sich ein Kern mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit niederläßt. Der Kern eines Wasserstoffatoms oder Protons hat eine Spinquantenzahl I = 1/2, so daß sich ein Proton auf zwei Energiestufen einstellen kann, entweder derart, daß die Richtung seines magnetischen Momentes die gleiche ist wie die des äußeren

Magnetfeldes oder entgegengesetzt zu dieser Richtung. Von diesen zwei ist die erstgenannte wahrscheinlich und die Besetzungsverhältnisse der Energiestufen gehen konform mit der sogen. Holzmannschen Verteilung.

Um sich von einer Energiestufe zur anderen zu bewegen, nimmt ein Kern entweder ein Energiequantum auf oder gibt eines ab und zwar in Form elektromagnetischer Strahlung mit einer bestimmten Frequenz. Die Strahlungsfrequenz ist bestimmt durch die Differenz zwischen den Energiestufen, die direkt proportional ist der Stärke eines äußeren Magnetfeldes. Diese Frequenz, die mit einem Energieaustausch verbunden ist, wird als sogen. Larmor-Frequenz und der Energieaustausch zwischen einem Kern und seiner Umgebung wird als kernmagnetisches Resonanzphänomen bezeichnet. Die Prinzipien der kernmagnetischen Resonanz sind behandelt worden bspw. in: Abraham A.; The Principles of Nuclear Magnetism. London Oxford University Press., 1961 and Slichter CP.; Principles of Magnetic Resonance, Berlin, Springer Verlag, 1981.

Das kernmagnetische Resonanzphänomen ist anhand von sogenannter kontinuierlicher Strahlung (CW, Continuous Wave) und Pulsverfahren studiert worden. Die Pulsverfahren sind als effektiver befunden worden als die CW-Verfahren und werden demgemäß in der NMR-Spektroskopie

I 4 V. * 3 ft

und bei der sogen. Kernspindarstellung angewendet.

Bei den Pulsverfahren wird ein Muster einem elektromagnetischen Puls der Larmor-Frequenz unterworfen, dessen Dauer derart determiniert wird, daß die Kernmagnetisierung eines Musters durch einen gewünschten Winkel (θ) relativ zur Richtung eines äußeren magnetischen Feldes spint. Die Amplitude und die Dauer eines elektromagnetischen Pulses werden im allgemeinen derart ausgewählt, daß (Θ) ein Mehrfaches von 90 ist. Im allgemeinen werden Terms von 90 und 180° Pulsen usw. benutzt. Die Netzmagnetisierung M , die von der Richtung des Basismagnetfeldes B nach der Wirkung der Erregung abgelenkt wird, präzidiert bei der Larmor-Frequenz W und um die Richtung von B . Dies kann durch die Anordnung einer Spule außerhalb eines Musters derart bewirkt werden, daß deren magnetische Achse orthogonal zur Richtung von B steht. Die präzidierte Netzmagnetisierung induziert in der Spule ein sogen. FID-Signal (Free Induction Decay), das Larmor-Frequenz hat und dessen Amplitude proportional der Stärke der Nuklearmagnetisierung eines Musters ist oder der Zahl der Kerne und der Stärke eines äußeren Magnetfeldes.

Die Pulsverfahren in Verbindung mit kernmagnetischen Resonanztests sind beschrieben worden in folgenden Druckschriften:

Farrar T.C, Becker E.D.; Pulse and Fourier Transform

NMR - Introduction to Theory and Methods. New York, Academic Press, 1971 and Ernst R.R., Anderson W.Α.; Application of Fourier Spectroscopy to Magnetic Resonance, Rev Sei Instrum, Vol. 37, No. 1, 1966.

Insbesondere die biologischen Anwendungen des NMR-Verfahrens sind beschrieben worden in: * Gadian D.G.; Nuklear magnetic resonance and its applications to living systems, Oxford University Press, Oxford 1984.

Während der Erregung erhält ein Kernsystem äußere Energie von einem erregenden Radiofrequenzfeld und gibt die Energie nach der Erregung an seine Umgebung an. Die Abgabe von Energie kann als kohärente Strahlung erscheinen, die durch Mittel einer äußeren Spule detektiert werden kann, oder die Energie kann in Form thermischer Bewegung in die Struktur eines Musters transferiert werden. In Verbindung mit der Abgabe von Energie kehrt die Netzmagnetisierung eines Musters auf ihren Ruhewert zurück. Die Natur dieses Prozesses ist exponential und wird durch eine Entspannungszeit T₁ charakterisiert, die von der Zusammensetzung einer zu prüfenden Substanz abhängt, bspw. ist bei flüssiger Substanz T₁ relativ kurz (Millisekunden bis Sekunden), während T₁ bei Feststoffsubstanzen lang ist (Minuten bis Wochen).

Die Kohärenz der Strahlung, die von einem Muster ausgeht, nimmt nach der Erregung mit einer Rat ab, die bspw. durch die Eigenschaften einer zu prüfenden Substanz und durch die Homogenität eines äußeren Magnetfeldes bestimmt ist. Dies führt zu einem exponentiellen Abklingen eines Signals mit einer Rate, charakterisiert durch eine Entspannungszeit T₂*, (T asterisk).

1/T₂* = 1/T₂ +^Δβ_ο/(2 /Μ, (1)

worin T_ = die Spin-Spin-Entspannungszeit eines Musters = ein gyromagnetisches Verhältnis

B = die Inhomogenität eines polarisierten Magneten über einem Muster.

Alle die obenerwähnten Entspannungszeiten hängen von der unmittelbaren Umgebung des Kernes und seiner Aktivität ab. Wie oben erwähnt, hat der physikalische Zustand eines Musters eine Auswirkung auf die Entspannungszeiten, aber auch die Stärke eines externen magnetischen Feldes und die Temperatur eines Musters verändern die Entspannungszeiten.

Die Brauchbarkeit des Kernes eines Wasserstoffatomes oder Protons in der medizinischen Diagnostik basiert auf der Häufigkeit von Wasserstoff in Weichgeweben, in denen es primär an Wassermoleküle gebunden ist. Dank seiner Polarität verknüpft sich ein Wassermolekül um-

gekehrt selbst in verschiedener Weise an verschiedene Proteinketten, und diese Verkettung wird aus einer Mehrzahl von Gründen verändert, bspw. durch pathologische Prozesse in einem Gewebe.

Die Entspannungszeiten und ihre Variationen sind bspw.

in folgenden Druckschriften abgehandelt worden:

R. Damadian US Patent 3,789,832 und Nuclear Magnetic Resonance of Intact Biological Systems, Phil Trans R Soc Lond, 289, June 1980, R. Mathur de Vre; Progress in Biophysics and Molecular Biology, Vol. 35, 103-104,

Ein Interesse an der Nutzbarmachung des nuklearmagnetischen Resonanzphänomens in der Medizin entstand in den frühen 70er Jahren, d.h., als R. Damadian seine Untersuchungsergebnisse veröffentlichte, die zeigten, daß die Entspannungszeit T₁ eines malignen Tumorgewebes sogar zweimal so lang ist wie im Vergleich zu einem Normalgewebe. Die US-PS 2,789,832 beschreibt ein Verfahren für die Identifikation von malignem Tumorgeweben durch Vergleich der gemessenen Entspannung eines Gewebes mit tabularischen EntspannungsZeitwerten und dann die Diagnose möglicher Malignität eines Musters.

Spätere Studien haben jedoch deutlich gemacht, daß die Veränderung der Entspannungszeiten für einige besondere

pathologische Bedingungen nicht spezifisch ist. Es kann jedoch im allgemeinen geschlossen werden, daß sich die Entspannungszeiten leicht gemäß verschiedener Leiden ändern und demgemäß in der Medizin-Diagnostik zur Anwendung kommen können.

Die US-PS 3,789,832 offenbart auch eine Art von Scanner für die Untersuchung des menschlichen Körpers mit Hilfe des NMR. Diese vorbekannte Lösung kann jedoch nicht als irgendein Spin-Darstellungsgerät angesehen werden. Die Grundidee der Kernspindarstellung wurde veröffentlicht Lauterbur 1973 in Nature 242, 190, 1973. In dieser Veröffentlichung ist auch die Idee der Darstellung einer Entspannungszeit T₁ enthalten. Verschiedene Pulssequenzen sind für die Messung der Entspannungszeiten einschließlich sogen. "Saturation Recovery-" and "Inversion Recovery Sequenzen" ermittelt worden für die Messung T₁ und Spin-Echo-Sequenzen für die Messung von T₃. Diese Sequenzen sind beschrieben worden bspw. in:

Farrar T.C, Becker E.D.; Pulse and Fourier Transform NMR - Introduction to Theory and Methods, Academic Press, New York, 1971.

Die Kernspindarstellungsverfahren können grob in drei Kategorien eingeteilt werden: 1. Punktdarstellungs-, 2. Liniendarstellungs- und 3. Volumendarstellungsverfahren. Bei der Punktdarstellungstechnik wird eine zu prü-

fende Gegenstandsfläche durch die Bewegung des Objektes oder einer Punkt-förmigen NMR-Sensitiv-Fläche erfaßt, die durch verschiedene technische Mittel erhalten wird in bezug zueinander. Der Hauptnachteil der Einpunkttechnik besteht darin, daß sie langsam ist und daß sie deshalb nicht in der medizinischen Darstellung angewendet werden kann. Mit speziellen Anordnungen können jedoch die Punktdarstellungsmethoden benutzt werden, um mehr Gewebeinformationen zu erhalten als bspw. mit den Volumendarstellungsmethoden. Die Einpunkt-Darstellungstechniken sind in folgende Druckschriften veröffentlicht: Tanaka et al: Proc. IEEE, Vol. 66, No. 11, 1532-1583, 1978, DE-OS 29 46 847, US-PS 4 015 196, US-PS 3 932 805, US-PS 4 021.726, US-PS 4 318 043 und GB 21 22 753 A.

Durch Kombination der langsamen Einpunktdarstellungstechnik und der schnellen Ultraschalldarstellungstechnik gemäß FI-PS 64 282 kann die Einpunktdarstellungstechnik in der medizinischen Diagnostik benutzt werden.

Die Liniendarstellungstechnik ist beschrieben in US-PS 4 016 196, FI-PS 59 868, US-PS 4 021 196, US-PS 4 318 und US-PS 4 290 019. Die Liniendarstellungsverfahren sind ebenfalls für die medizinische Darstellung zu langsam, und ihre Anwendung ist demgemäß auf spezielle Fälle beschränkt .

Die Darstellung von dreidimensionalen Gegenständen wird

vorzugsweise bewirkt durch die Anwendung der Ganzvolumendarstellungstechnik. Durch Mittel sogen, selektiven Erregung ist es möglich, eine zu untersuchende Objektfläche zu definieren und eine sehr genaue Darstellung der Verteilung von NMR-Parametern zu bewirken.

Die selektive Erregung kann bewirkt werden durch Erregung eines magnetischen Feldgradienten über dem Objekt senkrecht zur Ebene einer Objektfläche, die zu untersuchen ist und durch Modulation eines erregenden Radiofrequenzpulses in der Weise, daß seine Freguenzbandbreite und die Gradientenfeldstärke mit der Abmessung einer gewünschten Objektfläche korrespondieren. Ein anderes Verfahren zur Definition einer Objektfläche besteht in der Verwendung eines tempolabilen Magnetfeldgradienten gemäß US-PS 4 015 196. Vorbekannt ist auch, einen Gradienten in einem erregten Radiofrequenzpuls nutzbar zu machen und zwar derart, daß in sukzessiven Zeiten der Erregung die Gradientenrichtung verändert wird. Ein unveränderliches NMR-Signal wird nur in der Ebene erzeugt, wo die Pulsamplitude konstant ist.

Eine wesentlich ungenauere Methode besteht in der Nutzbarmachung geometrischer Eigenschaften von Transmitterund Receiver-Spulen für die Definition einer Objektfläche, und demgemäß ist dieses Verfahren nur angewendet worden, wenn es gewünscht ist, NMR-spektroskopische Studien ei-

nes Gegenstandes zu machen. Diese Methode ist beschrieben in Ackerman et al: Nature 283, 167, 1980.

Ganzvolumendarstellungsmethoden sind beschrieben in: Lauterbur; Nature, 242, 19-191, 1973; US-PS 4 070 611 International Patent Application WO 81/02788, FI-Patentanmeldung 834343.

Zur Beschleunigung des DarstellungsVerfahrens ist es möglich, Verfahren anzuwenden, die beschrieben sind in GB-Anmeldung 2079463, US-PS 4 165 479; Hinshaw: Physics Letters 48A, No. 2, June. 3, 87-88, 1974 und US-PS 4 307,343.

Besonders bemerkenswerte Kernspin-Darstellungsmethoden sind sogen. Fourier-Darstellungsmethoden, von denen eine Version in der US-PS 4 070 611 beschrieben ist. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht in der Sammlung eines FID-Signals, das nach dem Erregungspuls erzeugt wird. Encodiert in der Phase eines gesammelten FID-Signals ist die Positionsinformation von einer oder zwei senkrechten Richtungen durch Mittel von Gradienten-Pulsen mit konstanten Amplituden, aber variierender Dauer. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist bspw., daß sich das "Pick-up-Moment" bei verschiedenen Signalaufnahmezeiten ändert, was Einfluß auf die Verfahrensempfindlichkeit hinsichtlich der Inhomogenitäten eines polarisierenden Magnet-

feldes B_Q hat, und demgemäß nimmt auch T₂ eines Musters Einfluß auf das aufzunehmende Signal. Die WO 81/02788 bezieht sich auf eine Variante der Fourier-Darstellungstechnik für die Erzeugung einer Art von Spin-Echo durch Veränderung der Magnetfeld-Gradientenrichtung. Das Spin-Echo wird gespeichert, und in seiner Phase ist die Positionsinformation durch Mittel eines Gradientenpulses orthogonal zur Richtung eines Lese-Gradienten encodiert, wobei die Amplitude des Gradientenpulses in verschiedenen Wiederholungszyklen variiert wird. Eine stärker bevorzugte Art zur Erzeugung eines Spin-Echos besteht in der Ausnutzung eines 180°-Nachfokusierungspulses, der in der Lage ist, die Auswirkung der Basisfeldinhomogenitäten in einer Enddarstellung zu kompensieren. Die Anwendung dieses Verfahrens ist beschrieben worden in: EP 91008, EP 98 426, Hutchinson et al: Proceedings of 18th Ampere Congress, Nottingham, 1974, 283, 284 und FI-Anmeldung 824343.

Die Veröffentlichung von Brunner P. et al: Journal of Mag. Res. 33, 83-106, 1979 offenbart, wie die Untersuchung eines dreidimensionalen Objektes mit der Kernspindarstellungstechnik durch Ausrichtung der Erregungs- und Detektionsphasen in zeitlicher Folge an verschiedenen Teilen eines Gegenstandes beschleunigt werden kann. Dies dient dazu, die lange Dauer der Untersuchung zu vermeiden, verursacht durch die Kernsystem-Rückgewinnungszeit.

Tatsächlich basiert die breite Anwendung des NMR-Phänomens auf der Entdeckung einer sogenannten chemischen Verschiebung, die erstmalig veröffentlicht wurde von Proctor et al in: Phys. Rev. Lett., Vol. 77 p. 717, 1950. Eine chemische Verschiebung wird erzeugt, wenn die chemische Verknüpfung die Elektronenschale eines Kernes ändert und hiernach auch das äußere magnetische Feld "gesehen" vom Kern her. In der Tat ist die NMR-Spektroskopie zur Zeit eines der wichtigsten Hilfsmittel der chemischen Analyse. Die Veröffentlichung von Aue et al:

Journal of Cjem. Phys., VoI 64, 2229 2246 beschreibt

das Prinzip der sogen, zweidimensionalen Fourier-Spektroskopie, die die Ermittlung der Feinstruktur des NMR-Spektrums erleichtert. Durch dieses Verfahren ist es möglich, die Größenordnung der sogen. Kopplungskonstanten zu studieren. Eine Kopplungskonstante spiegelt die gegenseitige Wirkung von zwei Kernen wieder und ist unabhängig von der Stärke eines äußeren Magnetfeldes. Das benutzte Symbol für die Kopplungskonstante ist oft J und deren Qualität ist eine Frequenzqualität, d.h. Hern (Hz). Die folgenden Veröffentlichungen:

Sukumar et al: J. Magn. Reson., Vol. 50, 161...164, 1982, Sepponen e.t al: J. Comput. Assist. Tomogr., Vol. 8, 585... 587, 1984, Cox et al: J. Magn. Reson., Vol. 40, 209...212, 1980, Mansfield: Magn. Reson. in Medicine, Vol. 1, 370... 386, 1984, Mansfield: EP 105700, Burl et al: GB 2057142A, Bottomley: FI 833219, Sepponen: FI 832326, Sepponen: FI 833807, Maudsley et al: Siemens Forsch, und

Λ9

Entwickl.-Ber. Bd. 8, 326...331, 1979, Bendel et al: J. Magn. Reson. Vol. 38, 343...356, 1980 und Pykett et al: Radiology, Vol. 149, 197...201, 1983 offenbaren Verfahren zur Ermittlung der lokalen Verteilung eines NMR-Spektrums, aber Verfahren für die Aufzeichnung der lokalen Verteilung einer Kopplungskonstanten J sind nicht bekannt geworden.

Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein Verfahren gemäß Anspruch 1 zur Darstellung der lokalen Verteilung einer Kopplungskonstanten J und. die Anwendung dieses Verfahrens bspw. für die Untersuchung der dynamischen Eigenschaften eines Gegenstandes.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Pulsfolge gemäß der Erfindung für die Erzeugung einer Enddarstellung mit einer sogen. Projektions-Rekonstruktionsmethode mit sogen, selektiver Erregung angewendet bei der Erregung;

Fig. 2 eine Pulsfrequenz gemäß der Erfindung für die Erzeugung einer Darstellung mit der sogen. Fourier-Methode;

Fig. 3 eine Pulssequenz der Erfindung für die Erzeugung einer Enddarstellung mit einer sogen. Projektions-Rekonstruktionsmethode mit sogen, selektiver Erregung, angewendet während der Erregung;

Fig. 4 eine Pulssequenz gemäß der Erfindung für die Erzeugung einer Enddarstellung mit einer sogen. Fourier-Methode mit sogen, selektiver Erregung, angewendet während der Erregung und

Fig. 5 eine Anwendung der Erfindung nur für die Sammlung der Kopplungskonstanten-Information ohne Spektralinformation.

In Phase 1 in Fig. 1 wird eine Objektfläche einem Erregungspuls unterworfen (ein erster Erregungspuls), der die Kernmagnetisierung vorzugsweise um 90 "spint". Dies wird gefolgt von einer Schaltung eines Magnetfeldgradienten über die Objektfläche, was vorgestellt werden kann als hervorgerufen durch eine Resultierende von drei ortho gonalen Gradientenfeldern G , G und G (Phase 2). Danach wird die Kernmagnetisierung während einer Verzögerung (-N /2 + m) taul + nTAU (Phase 3), d.h., durch chemische Verschiebung und Kopplungskonstanten. In Phase 4 wird der Gegenstand einem zweiten Erregungspuls unterworfen, der die Magnetisierung vorzugsweise um 180° "spint". Danach wird die Kernmagnetisierung wieder bewirkt, d.h., durch chemische Verschiebung und Kopplungskonstanten während der Verzögerung (N /2 - m) taul + nTAU (Phase 5). In Phase 6 wird wieder ein Magnetfeldgradient über die

Gegenstandsfläche und den Gegenstand geschaltet. Dieser Gradient muß eine Komponente unterschiedlich zu Null haben und besagte Komponente ist parallel zum Gradienten, der in der Phase 2 eingeschaltet wurde. Während der Phase 6 wird ein erzeugtes Spin-Echo SE vorzugsweise derart aufgenommen, daß das Gradientenzeitintegral zwischen Folge-Musternahmen-Momenten konstant ist. Die Achse D verdeutlicht die Zeit der Datensammlung. Die oben beschriebene Folge wird nach einer gewissen Verzögerung (Phase 7) für eine ausreichende Zahl von Zeiten wiederholt, um eine gewünschte positionelle Auflösung zu erhalten, eine gewünschte Auflösung in Richtung des chemischen Spektrums oder in ά -Richtung und eine gewünschte Auflösung in Richtung der Kopplungskonstanten oder in J-Richtung. In der Praxis verlangt die Erzeugung von bspw. N

xN xN X^ xN_ Darstellungen N NN N_ Wiederholungszeiten, um eine Darstellung zu erzeugen, muß die Richtung des besagten Magnetfeldgradienten, eingeschaltet in der Phase 6, zunächst N N -Zeiten geändert werden und dies muß wiederholt werden durch Änderung der Werte von m in den Phasen 3 und 5 in der Größenordnung von 0...N^ -1, und das Obige muß wiederholt werden durch Veränderung der Werte von η in den Phasen 3 und 5 in der Größenordnung von 0...Nj-I. Diese Änderungsordnung kann auch auf andere Weise ausgewählt werden. Fig. 2 illustiert die Anwendung des Verfahrens in Verbindung mit den sogen. Fourier-Methoden. Im Prinzip ist die Operation exakt die gleiche wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben, aber in Phase 2

werden die Zeitintegrale von bxpw. Gradientenpulsen G und G vorzugsweise bei gleichen Intervallen während der Wiederholung der Sequenz geändert und eine Enddarstellung wird durch eine mehr-dimensionale Fourier-Variation erzeugt. Dies kann durch Präsentation des Signals SE, aufgenommen in der Phase 6, wie folgt dargestellt werden:

^SE

(-Nom/2)taulB <$>y+ J 2 ^nTAU)-Δ0 χ +

SE (k,l,m,n,t') = ein Spin-Echo-Signal-Moment und

bei der Zeitwiederholung k,l,m,n

k = /0...Ny-V
1 = /0...N -1/
m = /0...N^-1/

0y, 0z, 0x s= Instabilität hervorgerufen mit

Gradientenpulsen in Phase

x,v»z = Positionskoordinaten

)Γ ⁼ gyromagnetisches Verhältnis

B = Stärke des polarisierten, magneti

schen Feldes

A (x,y,z, ,J) = Kerndichte bei x,y,z,o, J

<b = chemische Verschiebung

J = Kopplungskonstante

Die Fig. 3, 4 verdeutlichen die Anwendung des Verfahrens in Verbindung mit der sogen. Selektiverregung. Besagte erste und zweite Erregungspulse können beide selektiv sein oder nur einer von ihnen kann selektiv sein. Zusätzlich kann das Verfahren nach einem sogen. Mehrfachscheibenprinzip angewendet werden, d.h., andere Flächen oder Bereiche eines Objektes werden während der Erholung der Kernmagnetisierung von Sektionen erregt, die vorhergehenden Erregungspulsen unterworfen wurden.

Fig. 5 zeigt eine Veränderung nur für die Informationssammlung bezüglich der Kopplungskonstanten ohne Spektralinformation. Fig. 5A illustriert ein erfindungsgemaßes Verfahren nur durch Präsentation der wechselseitigen Zeitbeziehungen eines sogen, ersten Erregungspulses (90 ) , eines zweiten Erregungspulses (180°) und eines erzeugten Spin-Echos SE. Für die Darstellung der kompletten Spektralinformation wird die Distanz TE dieses Echos vom ersten Erregungspuls geändert, vorzugsweise mit gleichen Intervallen von einem gewissen Minimalwert zu einem gewissen Maximalwert oder umgekehrt. Für jeden Wert TE wird die Distanz des 180 oder zweiten Erregungspulses vom ersten Erregungspuls geändert, vorzugsweise bei gleichen Intervallen von einem gewissen Minimalwert zu einem bestimmten Maximalwert oder umgekehrt. Es wird bevorzugt, das Mittel vom Minimum- und Maximalwert dieses Veränderungsprozesses zu benutzen, korrespondierend zum Mittel-

wegpunkt der TE-Zeit zu jedem besonderen Moment, was die Methode selbst betrifft, so ist die Ordnung der Ausführung der obigen Veränderungsvorgänge nicht signifikant. Aus Klarheitsgründen umfaßt die Figur nicht die Gradientensequenzen, die für die Darstellungsverfahren erforderlich sind.

Fig. 5B illustriert ein erfindungsgemäßes Verfahren nur für Informationen, die sich auf Kopplungskonstanten beziehen. TE wird in diesem Fall vorzugsweise bei gleichen Intervallen von einem gewissen Minimalwert zu einem gewissen Maximalwert oder umgekehrt verändert. Um in diesem Fall die Auswirkungen von Magnetfeldinhomogenitäten und chemischem Spektrum zu eliminieren, wird bevorzugt, daß besagter zweiter Erregungspuls (180 ) so genau wie möglich beim zweiten Mittelwegpunkt der Zeit oder der Periode zwischen dem ersten Erregungspuls (90 ) und dem Spinecho SE sei. Es liegt auf der Hand, daß diese Variante in Verbindung mit sogen. Fourier- und Projektions-Rekonstruktions-Verfahren angewendet werden kann.

Es kann darauf hingewiesen werden, daß bezüglich des Timings der Sequenzen die Auflösung des Verfahrens in Richtung der chemischen Verschiebung oder in έ-Richtung umgekehrt proportional ist zu 2 χ N^ taul und in der Richtung der Kopplungskonstanten oder in J-Richtung umgekehrt proportional zu 2 χ 1SL.TAU. Wenn die Kopplungs-

co

konstanten in der Größenordnung von 0...200 Hz sind, muß das Produkt 2 χ N-TAU in der Größenordnung von 1...0,002 s sein.

Das Verfahren kann auch benutzt werden, um die dynamischen Eigenschaften eines Gegenstandes zu analysieren. Im Falle eines menschlichen Körpers können bspw. der Atmungstrakt, der Verdauungskanal oder die Blutzirkulation benutzt werden, um geeignete Ingredient!en zu transportieren, die auf die gesamte Kopplungskonstante Aufwirkung haben, und diese werden als eine Art von Spurenaufzeiger für die Darstellung bspw. des Stoffwechsels, der Blutzirkulation oder dergleichen benutzt. Solche Ingredientien umfassen: Substanzen wie Fette, Zucker, Alkohole und andere Kohlenstoff komponenten, die am Stoffwechsel teilnehmen und in denen die meisten gemeinsamen Isotopen, wie bspw. Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff oder Sauerstoff ausgewechselt sind mit vorzugsweise stabilen Isotopen

1 ß

der gleichen Kerne, bspw. mit Wasserstoffdeuterium 0

17 12 13

0 und C C. Andere als die obigen Kohlenstoffkomponenten sind ebenfalls vorstellbar. Es ist ferner möglich, die obigen Komponententypen an monoglonale Antikörper zu binden, die ihren Weg bspw. zu abseits liegenden Nestern eines malignen Tumors finden. Falls notwendig, kann danach ein Gegenstand,wiederholt mit der beschriebenen Methode dargestellt werden, und dann ist es nicht notwendig, die lokale Verteilung eines Spektrums für eine beträcht-

lieh.kürzere Darstellungszeit wieder darzustellen. Die Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims (9)

-Jr- (15 350) Patentanwälte Dipi.-ing. Amthor Patentansprüche: Dipi.-ing. Wolf An dar MainbrQcke f 450 Hanau 7

1.' Verfahren zur Aufzeichnung der Materialeigenschaften eines zu untersuchenden Gegenstandes und zwar der lokalen Verteilung einer sogenannten Kopplungskonstanten J der Kernmagnetisierung des Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Gegenstand mit einem sogen, ersten Erregungspuls, vorzugsweise einem 90°-Puls, erregt wird,

b) mindestens ein magnetischer Feldgradient über den Gegenstand geschaltet wird,

c) der Gegenstand einem sogen, zweiten Erregungspuls nach einer bestimmten ersten Verzögerung unterworfen wird,

d) ein sogen, erster magnetischer Feldgradient über den Gegenstand geschaltet wird,

e) ein sogenanntes Spinecho nach einer bestimmten zweiten Verzögerung gesammelt wird,

f) unter Veränderung der ersten und zweiten Verzögerungszeit die obige Schrittseguenz wiederholt wird,

g) die obige Schrittseguenz unter Veränderung der Richtung, der Ordnung des ersten und/oder des zweiten Magnetfeldgradienten oder der Richtung, Ordnung und/oder des Zeitintegrals einer ihrer Komponenten wiederholt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Schritte g) und dann f) bewirkt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die erste und zweite Verzögerungszeit derart verändert werden, daß

a) zunächst die erste Verzögerungszeit von einem ersten bestimmten Minimalwert auf einen bestimmten ersten Maximalwert verändert wird und die zweite Zeitverzögerung entsprechend derart, daß die Summe dieser Zeitverzögerungen konstant ist ,

b) die obige Sequenz wird derart wiederholt, daß die Summe der Zeitverzögerungen von einem bestimmten zweiten Minimalwert-zu einem bestimmten zweiten Maximalwert unter Konstanthaltung jedoch der Differenz zwischen dem ersten Maximal- und dem ersten Minimalwert geändert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß zunächst der Schritt b) und dann der Schritt a) bewirkt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1,2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchschnitt des ersten Minimal- und des ersten Maximalwertes symmetrisch in bezug auf den zeitlichen

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Mittelwegpunkt des ersten Erregungspulses und einem erzeugten Spinecho liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1,2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Schritte durchgeführt werden:

a) der Gegenstand wird einem sogen, ersten Erregungspuls, vorzugsweise 90°-Puls unterworfen, während dem möglicherweise ein sogen, erster Magnetfeldgradient geschaltet und der erste Erregungspuls ein sogen. Selektiverregungspuls ist,

b) ein sogen, erster, zweiter und dritter Magnetfeldgradient werden über den Gegenstand geschaltet und zwar jeder auf seinen gewünschten Wert,

c) eine erste Zeitverzögerung wird bewirkt,

d) der Gegenstand wird einem sogen, zweiten Erregungspuls, vorzugsweise 18O°-Puls unterworfen,.während dem sich der erste Magnetfeldgradient in seinem eingeschalteten Zustand befindet und wobei der zweite Erregungspuls ein sogen. Selektiverregungspuls ist,

e) eine zweite Zeitverzögerung wird bewirkt,

f) der erste, zweite und dritte Magnetfeldgradient werden auf gewünschte Werte geschaltet und, falls der erste und/oder der zweite Erregungspuls selektiv gewesen sind, wird das Zeitintegral des ersten

Magnetfeldgradienten derart ausgewählt, daß eine Fehlphasierung der Selektiverregung kompensiert wird,

g) der erste, zweite und dritte Magnetfeldgradient werden auf ihre gewünschten Werte geschaltet, und es wird ein erzeugtes Spinechosignal gesammelt,

h) die obige Pulssequenz wird unter Veränderung der Zeitintegrale und/oder Werte der Magnetfeldgradienten gemäß der sogen. Fourier- oder Projektions-Rekonstruktionsmethoden wiederholt,

i) die obige Pulssequenz wird unter Veränderung der ersten Zeitverzögerung von einem bestimmten ersten Minimalwert zu einem bestimmten ersten Maximalwert bei gleichen Intervallen bei Konstanthaltung der Summe der ersten und zweiten Zeitverzögerung wiederholt,

j) die obige Pulssequenz wird wiederholt unter Veränderung der Summe der ersten und zweiten Zeitverzögerung von einem bestimmten zweiten Minimalwert zu einem bestimmten zweiten Maximalwert, bevorzugt bei gleichen Intervallen, unter Konstanthaltung der Differenz zwischen dem ersten Maximalwert und dem ersten Minimalwert derart, daß ihr Durchschnittswert zeitsymmetrisch in bezug zum zeitlichen Mittelwegpunkt des ersten Erregungspulses und des Spinechosignales ist.

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7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst der Schritt i) dann h) und dann j oder zuerst j, dann i) und dann h) oder zuerst i) dann j) und dann h) oder zuerst h) dann j) und dann i) bewirkt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, zur Ermittlung der Eigenschaften eines Gegenstandes, wie Stoffwechsel, Blutzirkulation, Verteilung und Lokalisierung von Tumorzellen, dadurch gekennzeichnet , daß der Gegenstand mit solch einer Beigabe beschickt wird, deren Kopplungskonstanten unterschiedlich von denen sind, die normalerweise im Gegenstand vorhanden sind und daß die lokale Aufzeichnung der Gegenstandskopplungskonstanten bewirkt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beigabe solch ein vorzugsweise stabiles Isotop einiger Kerne, wie von Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoff oder Sauerstoff enthält, das normalerweise natürlich in Spuren vorhanden ist und das die Koppiungskonstanten eines bestimmten Kernes der Beigabe verändert.