DE3722443C2 - Verfahren zur Magnetresonanz-Spektroskopie - Google Patents
Verfahren zur Magnetresonanz-SpektroskopieInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Magnetresonanz-Spektrosko
pieverfahren zum Messen (Erfassen) von Infor
mationen, wie Spindichte, chemische Verschiebung usw., von
bestimmten, in einem Untersuchungsobjekt vorhandenen Atom
kernen auf der Grundlage der Magnetresonanz (MR) gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Gemäß Fig. 8 wird mittels herkömmlicher Magnetresonanz-
Spektroskopiegeräte das Schnittbild einer gewünschten
planen Scheibe S eines Untersuchungsobjekts P gewonnen.
Es hat sich zunehmend als nötig erwiesen, ein Magnetreso
nanz- oder MR-Signal für nur einen lokalisierten Bereich
oder ein lokalisiertes Volumen (z. B. Herzmuskel, Armmuskel,
Beinmuskel o. dgl.) der Scheibe S auszuziehen und das Fre
quenzspektrum eines Resonanzsignals mittels MR-Spektrosko
pie für medizinische Diagnose oder Untersuchung zu gewinnen.
Es sind zwei nachstehend beschriebene Methoden zum Aus
ziehen eines MR-Signals aus nur einem solchen lokalisierten
Volumen bekannt.
Eine dieser Methoden ist als lokalisierte Kernmagnetreso
nanz-Spektroskopie bekannt (vgl. US-PS 4 480 228). Nach
dieser Methode wird gemäß Fig. 9 ein lokalisiertes gleich
förmiges Feld Bo′ in einem statischen Magnetfeld oder
Statikmagnetfeld Bo erzeugt, wobei zum Erfassen bzw. Ab
greifen eines MR-Signals eine Magnetresonanz nur in diesem
lokalisierten gleichförmigen Feld hervorgerufen wird. Bei
dieser Methode muß jedoch ein Spulenstrom variiert werden,
um die Verteilung des Statikfelds zu ändern. Außerdem ist
die entsprechende Anordnung komplex, und das Meßverfahren
ist umständlich und zeitraubend, weil der Prüfling bzw.
das Untersuchungsobjekt in seiner Lage variiert werden muß.
Die andere Methode ist als Flächenspulenmethode bekannt.
Dabei wird eine Oberflächen- oder Flächenspule
auf die Oberfläche einer Zielregion eines Unter
suchungsobjekts aufgelegt, wobei ein in Fig. 10 darge
stelltes Signal von der Flächenspule erhalten oder abge
nommen wird. Sodann wird nur ein intensives MR-Signal in
einem einen Mittelteil D1 des gewonnenen Signals bei einer
Tiefe in Richtung D einschließenden Bereich ausgezogen
(extrahiert) und als MR-Signal eines lokalisierten Be
reichs oder Volumens benutzt. Nach dieser Methode kann
wirksam ein Signal von der Oberfläche des Objekts und
ihrem benachbarten Bereich empfangen werden. Da jedoch
die Signale aus tieferen Bereichen schwach sind, kann von
diesen tieferen Bereichen kein zufriedenstellendes MR-
Signal gewonnen werden.
Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der GB 21 14 756 A
bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Dephasierung bzw.
die Beseitigung der Quermagnetisierung, die infolge der
Anregung dadurch entstanden ist, daß im Resonanzfall die
Präzessionsbewegungen der einzelnen Elementarmagnete
synchronisiert werden, wodurch die präzedierende
Gesamtmagnetisierung wie der sich drehende Magnet eines
Dynamos wirkt, dadurch bewirkt, daß das Gradientenfeld nach
dem selektiven Anregungsimpuls über eine bestimmte
Zeitdauer aufrechterhalten wird. Diese Zeitdauer ist
relativ lang, so daß im Hinblick auf die stattfindenden
Relaxationen Ungenauigkeiten auftreten können und der
Gesamtprozeß der Untersuchung verlangsamt wird.
Der Erfindung liegt im Hinblick auf den vorgenannten Stand
der Technik die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes
Verfahren dahingehend zu verbessern, daß es auf einfache
und schnelle Weise genaue Meßdaten liefert.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Er
findung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise in Blockschaltbildform gehaltene
schematische Darstellung eines Magnetresonanz-
Spektroskopiegeräts zur Durch
führung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 ein Zeitsteuerdiagramm einer beim Magnetresonanz-
Spektroskopiegerät nach Fig. 1 erzeugten Impuls
folge,
Fig. 3 bis 5 Darstellungen von Abtastformaten zur Er
läuterung der Arbeitsweise des Magnetresonanz-
Spektroskopiegeräts,
Fig. 6 und 7 Zeitsteuerdiagramme anderer Impulsfolgen bei
der Erfindung,
Fig. 8 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung
der Art und Weise, auf welche ein Signal von einem
lokalisierten Bereich oder Volumen in einem Unter
suchungsobjekt gewonnen wird,
Fig. 9 eine graphische Darstellung zur Verdeutlichung
einer herkömmlichen lokalisierten Spektroskopie
methode und
Fig. 10 eine graphische Darstellung zur Verdeutlichung
einer herkömmlichen Flächenspulenmethode.
Die Fig. 8 bis 10 sind eingangs bereits erläutert worden.
Gemäß Fig. 1 umfaßt eine Magnetanordnung 1 eine Statik
magnetfeldspule 2 zum Beaufschlagen eines in die Magnet
anordnung 1 eingebrachten Prüflings oder Untersuchungs
objekts mit einem Haupt(magnet)feld Bo einer konstanten
Intensität, Gradient(feld)spulen 3A, 3B, 3C zum Beauf
schlagen des Untersuchungsobjekts mit Gradient(magnet)
feldern in x-, y- und z-Richtung, eine Hochfrequenz-Sende
spule 4 zum Beaufschlagen des Untersuchungsobjekts mit
Hochfrequenzimpulsen zum Anregen von Atomkernspins in die
sem und eine Empfangsspule 5 zum Abgreifen eines Resonanz
signals vom Untersuchungsobjekt. Eine Prozessoreinheit 11
ist mit einer Anzeigeeinheit 12 und einer Steuereinheit
13 verbunden.
Die Steuereinheit 13 ist an eine Gradientfeld-Steuerschal
tung 14, einen Hochfrequenz-Oszillator 16 und eine Tor
schaltung 17 angeschlossen. Die Gradient
feld-Steuerschaltung 14 erzeugt Gradientfeldsteuersignale
Gx, Gy, Gz, die an die betreffenden Gradientspulen 3A, 3B
bzw. 3C der Magnetanordnung 1 angelegt werden. Der Hoch
frequenz-Oszillator 16 ist mit der Torschaltung 17 ver
bunden, die ihrerseits an einen Leistungsverstärker 18
angeschlossen ist, welcher wiederum ein Hochfrequenzsignal
von der Torschaltung 17 verstärkt und das verstärkte Hoch
frequenzsignal an die Hochfrequenz-Sendespule 4 der Magnet
anordnung 1 anlegt. Ein von der Empfangsspule 5 erzeugtes
Signal wird einem Vorverstärker 19 eingespeist, der ein
Ausgangssignal zu einem Phasendetektor 20 liefert, dessen
Ausgangssignal zu einem Wellenformspeicher 21 geliefert
wird. Das Ausgangssignal vom Wellenformspeicher 21 und das
Ausgangssignal von der Steuereinheit 13 werden der Pro
zessoreinheit 11 zugeführt.
Die Steuereinheit 13 erzeugt ein Schritt- oder Zeit-Takt
signal für das Sammeln bzw. Gewinnen von Beobachtungs
daten eines MR-Signals und steuert den Betrieb der Gra
dientfeld-Steuerschaltung 14 und der Torschaltung 17, um
damit die Gradientfelder Gx, Gy und Gz und eine Folge oder
Sequenz, in welcher die Hochfrequenzimpulse erzeugt wer
den, zu steuern.
Die Gradientfeld-Steuerschaltung 14 regelt den durch die
Gradientspulen 3A, 3B, 3C fließenden Strom für die Beauf
schlagung des Untersuchungsobjekts mit Gradient(magnet)
feldern.
Eine Statikfeld-Steuerschaltung 15 regelt einen der Statik
feldspule 2 zugeführten Strom zum Beaufschlagen des Unter
suchungsobjekts mit einem Statikmagnetfeld Bo.
Der Hochfrequenz-Oszillator 16 erzeugt ein Hochfrequenz
signal, dessen Frequenz durch die Steuereinheit 13 ge
steuert oder eingestellt wird. Die Torschaltung 17 spricht
auf das Taktsignal von der Steuereinheit 13 an, um das
Hochfrequenzsignal vom Hochfrequenz-Oszillator 16 für die
Erzeugung von Hochfrequenz-Impulsen zu modulieren. Der
Leistungsverstärker 18 verstärkt die von der Torschaltung
17 gelieferten Hochfrequenzimpulse und legt diese an die
Hochfrequenz-Sendespule 4 an.
Der Vorverstärker 19 verstärkt ein MR-Signal von der
Empfangsspule 5. Der Phasendetektor 20 erfaßt die Phase
des verstärkten MR-Signals vom Vorverstärker 19. Der Wellen
formspeicher 21 speichert ein phasenerfaßtes Wellen
form(ungs)signal.
Die Prozessoreinheit 11 steuert den Betrieb der Steuerein
heit 13, empfängt Zeit-Taktinformationen von letzterer,
liest ein gespeichertes Signal aus dem Wellenformspeicher
21 aus und verarbeitet Signale auf der Grundlage der be
obachteten Magnetresonanz. Außerdem gibt die
Prozessoreinheit 11 auf der Anzeigeeinheit 12 einen Opera
tionsbefehl für die Bedienungsperson wieder.
Das Hochfrequenzsignal besitzt eine Mittenfrequenz f0 eines
lokalisierten Bereichs oder Volumens sowie verschiedene
oder unterschiedliche Frequenzen f1, f2, f3, f4 auf beiden
Seiten der Mittenfrequenz f0. Diese Frequenzen werden durch
die Steuereinheit 13 gewählt, und ihre (Frequenz-)Bänder
werden durch die Torschaltung 17 gesteuert oder einge
stellt.
Die Gradientfeldsignale Gx, Gy besitzen ein Signalmuster,
das einen vorgeschriebenen Intensitätspegel für eine be
stimmte Zeitspanne aufweist und dann auf einen höheren
Intensitätspegel springt ("Dephasierer").
Im folgenden ist die Arbeitsweise des Magnetresonanz-
Spektroskopiegeräts nach Fig. 1 anhand der Fig. 2 bis 5
erläutert.
Für die Erzeugung eines Schnittbilds an einer bestimmten
Stelle in einem Untersuchungsobjekt wird durch die Statik
feld-Steuerschaltung 15 ein Strom durch die Statikfeldspule
2 geleitet, um ein in z-Achsenrichtung (Fig. 1) gleich
förmiges Statikmagnetfeld zu erzeugen und damit (Kern-)Spins
in z-Achsenrichtung zu orientieren. Sodann wird ein Signal
hinzugefügt,
um die Richtung der Spins und eine (Schnitt-)-
Scheibenposition genau anzugeben. Auf ein rotierendes Koordinaten
system x′, y′, z wird in der folgenden Beschreibung Bezug
genommen:
Selektive Anregungsimpulse RF werden angelegt, um Spins
um 90° in einer x′-Richtunq im rotierenden Koordinaten
system zu drehen oder zu kippen bzw. umzuklappen. Gleichzeitig
wird ein erstes (Scheiben-)Schnittgradientfeld Gy in y′-Achsenrichtung an
gelegt. Die selektiven Anregungsimpulse RF enthalten zwei
Träger f1, f2 unterschiedlicher Frequenzen. Genauer ge
sagt: es sei angenommen, daß ein gewünschter lokalisierter
Bereich zentral in einem Untersuchungsobjekt P vorhanden
ist; wenn dabei eine Mittenfrequenz zum Anregen einer den
lokalisierten Bereich enthaltenden Zone gleich f0 ist,
müssen die Hochfrequenzimpulse zwei Frequenzen f1, f2 zum
Wählen von der angeregten Zone zwischen sich einschließen
den ersten Regionen 31, 32 (in Fig. 3 schraffiert) enthalten.
f1, f2 geben jeweils Mittenfrequenzen an; die Breiten der
Regionen 31, 32 werden durch Δf1, Δf2 bestimmt. Die Ver
wendung unterschiedlicher Frequenzen für das Wählen einer
gewünschten Region ergibt sich ohne weiteres aus der fol
genden Gleichung:
f0 = γ/2π · Bo (1).
Darin bedeuten: γ =
gyromagnetisches Verhältnis.
Das Gradientfeld Gy ist so gestaltet, daß nach dem Anlegen
eines (Scheiben-)Schnittfelds (slicing field) eines nor
malen Intensitätspegels für eine Zeitspanne τ1 für die
Scheibenbildung (slicing) in der gewünschten Region ein
Magnetfeld eines höheren Intensitätspegels während einer
Zeitspanne τ2 angelegt wird. Das letztere Magnetfeld wird
als "Dephasierer" SP (dephasierendes Magnetfeld
zum Phasenverschieben der Spins) bezeichnet. Wenn der
"Dephasierer" SP angelegt ist, werden laterale oder seitliche
Spinkomponenten gestreut und die Quermagnetisierung beseitigt. Dies bedeutet,
daß die lateralen Spinkomponenten durch das Gradientfeld
Gy gestreut werden, wobei diese Streuung durch
den "Dephasierer" schnell bewirkt wird, so daß die Quermagnetisierung
beseitigt wird.
Die Scheibendicken Δt1, Δt2 der Regionen 31, 32 in y-Rich
tung bestimmen sich nach folgenden Gleichungen:
Δt1 = Δf1/γGy (2)
Δt2 = Δf2/γGy (3).
Δt2 = Δf2/γGy (3).
Im folgenden ist die Anregung der seitlich beabstandeten zweiten
Regionen 33, 34 (Fig. 4) nach den obigen Prinzipien er
läutert. 90°-Impulse werden in x′-Richtung angelegt, um
Spins um 90° in y′-Richtung im rotierenden Koordinaten
system umzuklappen bzw. umzudrehen (zu kippen). Gleich
zeitig wird ein zweites Schnittgradientfeld Gx angelegt. Die ver
wendeten Hochfrequenzimpulse enthalten zwei Träger f3, f4
unterschiedlicher Frequenzen (mit Bändern Δf3 bzw. Δf4)
um die Mittenfrequenz f0, die einen Zielbereich enthält
oder einschließt, wie dies oben beschrieben worden ist.
Das Gradientfeld Gx weist einen normalen (Scheiben-)Schnitt
feldintensitätspegel während eines vorderen oder vorher
gehenden Intervalls τ1 und einen höheren Intensitätspegel
während eines hinteren Intervalls τ2 ("Dephasierer" SP) auf.
Die einmal angeregte Quermagnetisierung der Re
gionen 33, 34 wird daher letztlich beseitigt.
Schließlich werden gemäß Fig. 5 nach Ablauf einer vorge
schriebenen Zeitspanne 90°-Hochfrequenzimpulse mit der
Mittenfrequenz f0 (eines Bands Δf0) längs der y-Achse zum
Anregen der zentralen Region 35 angelegt, und es wird
ein drittes Gradientfeld Gzy. Danach wird ein
Wiederabbildungs-Gradientfeld
-Gzy angelegt, um ein Echosignal zu erzeugen. Insbesondere
werden dabei die Spins durch ein Gradientfeld -Gz in ent
gegengesetzter Richtung gedreht, um Sättigung zu erreichen,
wobei nach Ablauf einer Echozeit TE nach der Anlegung des
Gradientfelds Gz ein Echo erzeugt wird. Da zu diesem Zeit
punkt die Spinkomponenten in den anderen Regionen beim
vorhergehenden Vorgang beseitigt worden sind, können Daten
nur aus dem lokalisierten Bereich S1 gewonnen werden.
Die Daten werden durch die Empfangsspule 5 abgenommen und
über den Vorverstärker 19 zum Phasendetektor 20 übertragen,
in welchem das Spektrum der Daten ausgewertet wird. Danach
wird durch die Prozessoreinheit 11 ein Bild (eine Abbildung)
rekonstruiert und ggf. auf der Anzeigeeinheit 12 wieder
gegeben.
Auf die oben beschriebene Weise können ohne weiteres Daten
eines in einem Untersuchungsobjekt in einer gewünschten
Tiefe befindlichen lokalisierten Bereichs oder Volumens
einer gewünschten Dicke gesammelt oder gewonnen werden.
Beim erfindungsgemäßen Gerät werden nur 90°-Hochfrequenz
impulse, aber keine 180°-Hochfrequenzimpulse benutzt, so
daß die Impulssequenz oder -folge vereinfacht ist. Wenn
zudem Kerne (z. B. 31P, Na) einer kurzen Spin-Spin-Relaxation
T2 beobachtet werden sollen, kann das Signal ohne Beein
trächtigung des Rauschabstands gewonnen werden. Im Fall
von Kernen einer langen Spin-Spin-Relaxation T2 können
jedoch 180°-Hochfrequenzimpulse angelegt werden, worauf
ein Echo(signal) gewonnen oder abgenommen werden kann (vgl.
Fig. 6). In diesem Fall wird das Signal gedämpft, weil die
Echoabnahmezeit TE lang ist.
Bei der beschriebenen Ausführungsform wird die Zielregion
zunächst in y′-Richtung und dann in x′-Richtung geschnitten.
Gemäß Fig. 7 kann jedoch die Zielregion zuerst
in x′-Richtung und dann in y′-Richtung geschnitten werden.
Obgleich vorstehend der (das) lokalisierte Bereich oder
Volumen als zentral in der (Schnitt-)Scheibe liegend vor
ausgesetzt und seine Mittenfrequenz mit f0 gewählt ist,
kann auch ein außermittig versetzter Bereich als lokali
sierter Bereich gewählt und seine Mittenfrequenz ent
sprechend variiert werden.
Claims (5)
1. Verfahren zur Magnetresonanz-Spektroskopie, bei
dem ein gleichförmiges statisches Magnetfeld (Bo)
entlang der z-Achse eines Untersuchungsobjektes
angelegt und ein Magnetresonanzsignal aus einem
lokalisierten Bereich (S1) innerhalb einer zur z-Achse
senkrechten Scheiben-Schnittebene empfangen und auf der
Grundlage dieses Resonanzsignals ein Frequenzspektrum
des Magnetresonanzsignals gewonnen wird,
wobei zunächst mittels eines ersten Gradientenfelds (Gy) und eines Anregungsimpulses (RF) zwei erste Regionen (31, 32), welche den lokalisierten Bereich einschließen, in der Schnittebene in Richtung einer ersten Koordinate (y′), welche die Achse (z) des statischen Magnetfelds (B0) kreuzt, selektiv angeregt werden,
wobei anschließend die durch die selektive Anregung in den beiden ersten Regionen (31, 32) entstandenen Quermagnetisierungskomponenten beseitigt werden,
wobei sodann mittels eines zweiten Gradientenfelds (Gx) und eines Anregungsimpulses (RF) zwei zweite Regionen (33, 34), welche den lokalisierten Bereich einschließen, in der Schnittebene in Richtung der zweiten Koordinate (x′), welche die Achse (z) des statischen Magnetfelds (B0) kreuzt, selektiv angeregt werden,
wobei anschließend die durch die selektive Anregung in den beiden zweiten Regionen (33, 34) entstandenen Quermagnetisierungskomponenten beseitigt werden,
wobei sodann mittels eines dritten Gradientenfelds (Gz, -Gz) und eines Anregungsimpulses (RF) der lokalisierte Bereich (S1) angeregt und
wobei schließlich das Magnetresonanzsignal aus dem lokalisierten Bereich (S1) des Untersuchungsobjektes abgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beseitigung der Quermagnetisierungskomponenten das Gradientenfeld (Gy, Gx) zwei Intervalle (τ1,τ2) aufweist, wobei während des zweiten Intervalls (τ2) ein Magnetfeld eines gegenüber dem ersten Intervall (τ1) erhöhten Intensitätspegels angelegt ist, um die Beseitigung schnell zu bewirken.
wobei zunächst mittels eines ersten Gradientenfelds (Gy) und eines Anregungsimpulses (RF) zwei erste Regionen (31, 32), welche den lokalisierten Bereich einschließen, in der Schnittebene in Richtung einer ersten Koordinate (y′), welche die Achse (z) des statischen Magnetfelds (B0) kreuzt, selektiv angeregt werden,
wobei anschließend die durch die selektive Anregung in den beiden ersten Regionen (31, 32) entstandenen Quermagnetisierungskomponenten beseitigt werden,
wobei sodann mittels eines zweiten Gradientenfelds (Gx) und eines Anregungsimpulses (RF) zwei zweite Regionen (33, 34), welche den lokalisierten Bereich einschließen, in der Schnittebene in Richtung der zweiten Koordinate (x′), welche die Achse (z) des statischen Magnetfelds (B0) kreuzt, selektiv angeregt werden,
wobei anschließend die durch die selektive Anregung in den beiden zweiten Regionen (33, 34) entstandenen Quermagnetisierungskomponenten beseitigt werden,
wobei sodann mittels eines dritten Gradientenfelds (Gz, -Gz) und eines Anregungsimpulses (RF) der lokalisierte Bereich (S1) angeregt und
wobei schließlich das Magnetresonanzsignal aus dem lokalisierten Bereich (S1) des Untersuchungsobjektes abgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beseitigung der Quermagnetisierungskomponenten das Gradientenfeld (Gy, Gx) zwei Intervalle (τ1,τ2) aufweist, wobei während des zweiten Intervalls (τ2) ein Magnetfeld eines gegenüber dem ersten Intervall (τ1) erhöhten Intensitätspegels angelegt ist, um die Beseitigung schnell zu bewirken.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die selektive Anregung mit 90°-
Impulsen erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die selektive Anregung der Reihe
nach in Richtung der y-Achse, x-Achse und y-Achse
erfolgt, wobei die kreuzenden Koordinaten in der
Schnittebene als x-Achse und y-Achse bezeichnet sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Gradientenfeld (Gz) in
Axialrichtung des Untersuchungsobjektes angelegt wird,
und daß danach ein Wiederabbildungsgradientenfeld (-Gz)
angelegt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die selektive Anregung zweier
Regionen in einer Richtung dadurch durchgeführt wird,
daß eine Mehrzahl von Signalen unterschiedlicher
Mittenfrequenzen (f1, f2, f3, f4) als Träger angelegt
werden, wobei die dem lokalisierten Bereich
entsprechende Mittenfrequenz (f0) jeweils zwischen den
Mittenfrequenzen (f1, f2 ) für die zwei ersten Regionen
(31, 32) und den Mittenfrequenzen (f3, f4) für die zwei
zweiten Regionen (33, 34) liegt.
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