DE69211806T2

DE69211806T2 - Korrektur von Signalverzerrungen in einem magnetischen Kernresonanzapparat

Info

Publication number: DE69211806T2
Application number: DE69211806T
Authority: DE
Inventors: Stuart Crozier; David M Doddrell; Michael Thomas Gladwin
Original assignee: University of Queensland UQ
Current assignee: University of Queensland UQ
Priority date: 1991-10-25
Filing date: 1992-10-06
Publication date: 1996-10-31
Anticipated expiration: 2012-10-07
Also published as: DE69211806D1; EP0538668A1; US5289127A; EP0538668B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur von Signalverzerrungen in einem NMR-Spektroskopie- und/oder -Bildgebungsgerät mit einem Sender zum Erzeugen eines Spin-Anregungssignals, einem Empfänger zum Detektieren eines NMR-Signals, einem magnetischen Gradientenfeld, das während einer Schaltsequenz ein- und ausgeschaltet wird, und einem Magnetfeld mit einer homogenen B&sub0;-Magnetfeldkomponente, wobei besagte Signalverzerrung verursacht wird durch eine Zeitabhängigkeit der Stärke des B&sub0;-Magnetfelds aufgrund von Wirbelströmen, die vom Schalten des magnetischen Gradientenfelds induziert werden, und wobei besagte Signalverzerrung kompensiert wird durch Korrektur der Signalphase.
Solch ein Verfahren ist bekannt aus EP-A 0 337 588.
Korrekturverfahren für Signalverzerrungen hervorgerufen durch das Schalten von magnetischen Gradientenfeldern und die mit diesem Schalten verbundenen Wirbelströme sind im Stand der Technik bekannt aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 37 30 148 A1.
In einem NMR-Spektroskopie- und/oder Bildgebungsgerät werden Kernspins einem gleichförmigen und homogenen Magnetfeld ausgesetzt und werden angeregt mittels eines Spin-Anregungssignals aus einem Sender. Der Sender strahlt eine hochfrequente elektromagnetische Welle ab, deren Frequenz derart ist, daß eine Resonanzanpassung an die natürliche Larmorpräzessionsfrequenz im homogenen Magnetfeld vorliegt für diejenigen magnetischen Spins, die angeregt werden sollen. Nach Einstrahlen des Spin-Anregungssignals präzedieren die angeregten Kernspins um die Richtung des homogenen Magnetfeldvektors mit einem Präzessionswinkel, dessen Größe von der Stärke und Dauer des Spin-Anregungssignals abhängt. Wenn das homogene Magnetfeld zeitlich nicht konstant ist sondern eine Zeitabhängigkeit aufweist, dann wird sich die Präzessionsfrequenz der angeregten Kernspins zusammen mit diesem zeitabhängigen homogenen Magnetfeld ändern. Nachdem die Stärke des Magnetfelds wieder den ursprünglichen konstanten Wert annimmt, kehren die präzedierenden Spins zu ihrer ursprünglichen Präzessionsfrequenz zurück. Die absolute Phase dieser Spins ist jedoch bezogen auf die Originalphase um einen Betrag verschoben, der vom Vorzeichen, der Größe und dem zeitabhängigen Anteil des B&sub0;-Felds abhängt. Ein Empfänger wird verwendet um das Signal des freien Induktionszerfalls (FID) zu detektieren, das aus einem oszillierenden Anteil besteht, der die Präzessionsfrequenz der Spins um die Richtung des homogenen Magnetfelds repräsentiert, und aus einer exponentialförmigen Einhüllenden die die Relaxation der Spins aufgrund von Wechselwirkungen mit dem Gitter (T&sub1;) oder Dipol-Dipol- Wechselwirkungen mit anderen Spins (T&sub2;) repräsentiert. Wenn die Detektion des FID-Signals während eines Zeitbereichs durchgeführt wird, in dem sich das Magnetfeld ändert, erfährt das FID-Signal eine unerwünschte Verzerrung, die korrigiert oder kompensiert werden muß. Eine analoge Situation liegt vor, wenn anstelle des direkten FID-Signals ein Echo- Signal einer Spin-Echo-Sequenz detektiert wird.
NMR-Spektroskopie- und/oder Bildgebungsgeräte erfordern magnetische Gradientenfelder entweder für volumenselektive Spektroskopie oder Bildgebung. Die magnetischen Gradientenfelder werden angelegt um bestimmte Volumenbereiche der Probe zu kodieren und dadurch ortsemp findliche Messungen des kemmagnetischen Resonanzsignals zu ermöglichen. Für dreidimensionale Positionsmessungen sind drei magnetische Gradientenfelder erforderlich. Abhängig von der Anwendung werden diese Felder in Sequenzen üblicherweise während unterschiedlicher Zeitintervalle angelegt und weisen im allgemeinen unterschiedliche Stärken und Gradientenrichtungen auf. Induktive Kopplung des Stroms, der durch die Spulen fließt, die diese Gradientenmagnetfelder erzeugen, an andere leitfähige Elemente bewirkt, daß die mit dem Ein- und Ausschalten eines magnetischen Gradientenfelds verbundene Stromänderung in besagten leitfähigen Elementen einen Stromfluß induziert, und daß dieser Stromfluß seinerseits seine eigenen Magnetfelder erzeugt. Diese Folgemagnetfelder sind unerwünscht und produzieren, kombiniert mit dem erwünschten Feld, ein gesamtes zeitabhängiges Magnetfeld, das von dem für den vorliegenden Zweck optimalen Magnetfeld abweicht. Die Symmetrieeigenschaften der erzeugten Wirbelstrommagnetfelder spiegeln sowohl die Geometrie der leitfähigen Elemente wieder als auch die Symmetrieeigenschaffen des primären geschalteten Felds, das die besagten Wirbelstrom felder verursacht hat. Besonders störend ist die Wirbelstrommonopolfeldkomponente, d.h. die gleichförmige Magnetfeld (B&sub0;-) Komponente, obwohl auch andere Komponenten vorliegen und ebenfalls störend sein können. Diese zeitabhängige Änderung des gleichförmigen Magnetfelds führt zur oben diskutierten Verzerrung des FID- oder Spin-Echo-Signals.
EP-A 0 412 818 beschreibt einen phasenkontinuierlichen HF-Synthesizer zur Verwendung für NMR-Experimente, hat aber keinerlei Bezug zu Methoden der Wirbelstromkompensation.
Es können zwei Klassen der Störungen des Magnetfelds unterschieden werden. Die erste Klasse umfaßt Effekte, die zeitlich langsam variieren (Zeitkonstanten in der Größenordnung von Sekunden oder länger). Diese schließen Variationen in B ein, die dadurch entstanden sein können, daß in der Nähe des Magneten ein Wagen bewegt wurde, ein Zug, oder in einem Gebäude ein Fahrstuhl, oder eine langsame Veränderung von B selbst. Ein Gerät, das eine solche Korrektur durchführt, ist im Stand der Technik bekannt als Feld-Frequenz-Lock und ein solches Gerät kann ohne jede Kenntnis der Zeitabhängigkeit der Störung arbeiten. Wie die Larmor-Gleichung impliziert, kann eine solche Korrektur eingeführt werden, indem man entweder das Feld korrigiert (siehe z.B. EP-A 0 522 191) oder wie erwartet die Phase (siehe SMRM, Society for Magnetic Resonance in Medicine, Abstract "Electronic Field Compensation in a Magnetically Noisy Environment", Seite 129, 1991).
Die zweite Klasse von Störungen sind jene, die durch den Abtastvorgang selbst verursacht werden. Bei verschiedenen Abtastmethoden kann ein zeitlich schnell variierendes Magnetfeld induziert werden und der effektive Wert von B kann sich während des Seans schnell ändern mit Zeitkonstanten im Bereich einiger weniger Millisekunden. Dies sind die am schwierigsten zu kompensierenden Zeitabhängigkeiten.
In DE 37 30 148 A1 bewirkt das Schalten von Gradientenfeldern in einem bildgebenden Gerät der kernmagnetischen Resonanz und die damit verbundene Erzeugung von Wirbelströmen Feldverzerrungen, die einen schnellen Zerfall der mit Spin-Echo-Sequenzen verbundenen Echosignale zu Folge haben. Der Wunsch, Spin-Echo-Sequenzen zu verwenden, insbesondere Sequenzen mit vielen Spin-Echos, erfordert dabei jedoch eine Behandlung oder Korrektur der auf diese Wirbelstromfelder zurückzuführenden Verzerrungen. Entsprechend der Methode und dem Verfahren der DE 37 30 148 A1 wird die durch die störenden Wirbelstromfelder verursachte Dephasierung der erzeugten Spin-Echo-Sequenzen kompensiert durch eine Rephasierungsbedingung, die aufgeprägt wird entweder zwischen dem ersten 90º-Puls und dem nächsten 180º-Puls einer Spin-Echo- Sequenz indem man die Stärke des statischen Magnetfelds B&sub0; ändert oder durch Einstellen des Zeitabstands zwischen dem ersten 90º-Puls und dem folgenden 180º-Puls auf die Hälfte dessen zwischen den folgenden 180º-Pulsen.
Die in DE 37 30 148 A1 offenbarte B&sub0;-Puls-Technik ist effektiv und angemessen für den Fall einer Spin-Echo-Pulssequenz, da die Hauptanforderung die ist, daß die Dephasierungsbedingung im Mittel kompensiert wird. Das detaillierte Verhalten von FID- und Spin-Echo-Signalen jedoch , insbesondere ihre Phasenverzerrung, spiegelt nicht nur das gemittelte Verhalten der Wirbelstromfelder wider sondern auch ihre spezifische Zeitabhängigkeit, die in diesem Verfahren nicht berücksichtigt wird.
Andere Methoden zur Korrektur von Signalverzerrungen, die durch Wirbelströme verursacht sind, die mit dem Schalten von magnetischen Gradientenfeldern zusammenhängen, werden in Journal of Magnetic Resonance 90, Seite 264-78 (1990) angegeben. Dieser Artikel befaßt sich mit der Klasse von Korrekturverfahren, die als "Preemphasis"-Pulse bekannt sind. Bei diesen Typen der Korrekturverfahren wird die Zeitabhängigkeit des geschalteten Stroms, der dem magnetischen Feldgradienten zugeführt wird, derart modifiziert, daß das resultierende Magnetfeld das gewünschte Magnetfeld ist. Das heißt, die Verzerrung des Magnetfelds, die ansonsten durch die Wirbelströme erfolgen würde, wird dadurch kompensiert, daß die Stromverteilung und ihre Zeitabhängigkeit, die dem geschalteten Gradientenmagneten zugeführt wird, tatsächlich geändert wird, so daß das gewünschte Gradientenfeld erzeugt wird. Die erforderliche Pulsstromverteilung wird gewonnen durch eine Analyse der multiexponentiell zerfallenden Wirbelströme, die zu der unerwünschten Verzerrung von Bildern und/oder Spektren führen. Insbesondere wird der Korrekturstrom ermittelt durch eine Analyse der Signale des freien Induktionszerfalls, wobei sowohl die Zeitabhängigkeit des Gradientenfelds als auch die damit verbunden B&sub0;-Verschiebung extrahiert werden kann. Ein multi-exponentieller Fit durch das gemessene zeitabhängige Verhalten der Gradientenfelder führt auf die Amplituden und Zeitkonstanten der verschiedenen exponentiell zerfallenden Ströme, die durch die Wirbelstromfelder erzeugt wurden. Nachdem die Kompensation der Gradientenfeldkomponente erreicht ist, wird die zeitabhängige Verschiebung des B&sub0;- Felds gemessen und durch weitere Einstellung von exponentiellen Preemphasis-Strom-Fitparametern in ähnlicher Weise korrigiert. Um die genaue Form der Wirbelstrom-Kompensationspulse zu erreichen, ist eine multi-exponentielle Funktion erforderlich.
Solche Korrekturen vom Preemphasis-Typ, die grundsätzlich beabsichtigen, zusätzliche Felder zu erzeugen um die durch Wirbelströme verursachten Feldverzerrungen zu kompensieren, erfordern eine komplizierte Hardware, die in der Lage ist, multi-exponentielle Stromverteilungen zu simulieren. Solche Verfahren sind schwierig zu realisieren und von begrenzter Wirkung, insbesondere wenn drei senkrechte Gradientenfelder mit unterschiedlichen Stärken und Zeitabhängigkeiten kompensiert werden müssen, was gewöhnlich in der magnetischen Resonanztomographie der Fall ist.
Andere Techniken zur Korrektur von Signalverzerrungen durch B&sub0;- Verschiebungen aufgrund von Wirbelströmen beinhalten effektiv eine Software-Entfaltung des verzerrten Signals. Wie in Journal of Magnetic Resonance 69, 151-155 (1986) diskutiert, können solche Software- Korrektur-Messungen die effektive Elimination oder Korrektur von zeitabhängigen Feldverschiebungen, die auf Gradientenpulse folgen, ermöglichen. Der Korrekturterm muß für jede Gradientenpulssequenz individuell ermittelt werden und wird dann auf alle folgenden Daten, die mit dieser Pulssequenz aufgenommen werden, angewendet. In solchen Software- Korrekturverfahren wird unter dem Einfluß einer bestimmten Sequenz von Gradientenfeldern ein Referenzspektrum aufgenommen, zum Beispiel ein Wassersignal. Die verzerrte Referenzresonanzlinie wird dann im wesentlichen bezüglich der zeitabhängigen Verzerrung aufgrund der Wirbelstromfelder entfaltet und auf diese Weise wird die Korrektur der Signalverzerrung extrahiert. Die Prozedur wird dann verifiziert, indem man diese Software-Korrektur auf die Referenzlinie selbst anwendet. Wenn die Korrektur ordentlich angewendet wird, zeigt die Referenzlinie eine saubere Spektralform ohne Verzerrungen. Wenn der Korrekturalgorithmus einmal für die Referenzlinie optimiert ist, wird er auf die anderen Spektrallinien angewendet. Das Verfahren ist demnach besonders geeignet für spektroskopische Anwendungen, wo ein ganzes Linienspektrum gemessen werden soll.
Software-Korrekturen dieser Art können immer nachträglich auf Spektren angewendet werden. Hardware-Korrekturen sind jedoch, wo möglich, immer vorzuziehen, da sie in Echtzeit wirken können, d.h. schnell, und intrinsisch überlegenes Signal-zu-Rausch-Verhalten zeigen. Darüber hinaus hält die Möglichkeit, eine Hardware-Korrektur durchführen zu können, nicht davon ab, diese Korrektur mit Software-Verbesserungstechniken zu kombinieren und dadurch das Verhalten noch weiter zu verbessern.
Das in EP-A 0 337 588 vorgeschlagene Verfahren ist durch die folgenden Eigenschaften begrenzt: Die Korrektur wird nicht als eine Phasenmodulation in Echtzeit während eines Scans durchgeführt, dadurch wird die Wirkung jedes Gradientendurchgangs nicht individuell kompensiert. Generell wird die Korrektur am Ende jedes der Scans angewendet, die dann verwendet werden um ein Bild zu rekonstruieren. In einem Ansatz, Effekte während des Scans zu berücksichtigen, wird ad hoc eine Form der Funktion B(t) angenommen, die durch das Gradientenschalten erzeugt wird. Die Abhängigkeit der Funktion wird linear angesetzt, was inkorrekt ist. Nur für den Effekt des Scheibengradienten wird eine Kompensation angestrebt, tatsächlich wird empfohlen, die Lese- und Phasengradienten abgeschaltet zu lassen um die Kalibrierung zu messen. Die Korrektur wird nach Abschluß der Datenakquisition, nicht während der Datenakquisition, auf die empfangenen Daten mittels einer Software-Methode angewendet; das ist nicht in Echtzeit. Es wird zugegeben, daß das in EP-A 0 337 588 vorgeschlagene Verfahren in seinen Anwendungsmöglichkeiten für Bildgebung mittels magnetischer Resonanz im allgemeinen begrenzt ist.
Aufgrund der oben genannten Unzulänglichkeiten des Standes der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln zur Korrektur von Verzerrungen in einem NMR-Spektroskopie- und/oder -Bildgebungsgerät die durch Wirbelstromfelder induziert werden, das einfach durchzuführen ist, in Hardware implementiert werden kann und das keine Modifikation der durch die Gradientenspulen fließenden Ströme erfordert.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß die Korrektur der Signalverzerrung bewirkt wird durch eine Kompensation des Signals über eine Echtzeit-Phasenmodulation des Senders und/oder Empfängers. Die Erfindung nutzt die Erkenntnis aus, daß der primäre Effekt des Wirbelstroms auf das Signal eine zeitabhängige Verschiebung des Magnetfelds B&sub0; ist, was seinerseits zu einer zeitabhängigen Phasenmodulation des Signals führt. Die erforderliche Korrektur ist daher im wesentlichen eine Phasenmodulationskorrektur, die in Hardware in einer möglichst früher Stufe angewendet werden kann, um das Signal bezüglich der Verzerrungen aufgrund von Wirbelstromfeldern zu korrigieren. Durch die Ausführung der Korrektur als Hardware-Phasenmodulation des Sender- und/oder Empfängersignals, wird das aus der NMR-Apparatur kommende Signal bezüglich Wirbelstromverzerrungen vollständig kompensiert vor den folgenden Digitalisierungs- und Signalverarbeitungsschritten. Auf diese Weise wird die Korrektur in Hardware und in einer früheren Stufe angewendet, so daß in Echtzeit optimale Signal-zu-Rausch-Verhältnisse und Auflösungseigenschaften erreicht werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Phasenmodulation direkt auf den Sender angewendet.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das Sendersignal derart phasenmoduliert wird, daß die durch das Signal angeregten Kernspins selbst eine Phasenmodulation erfahren in der Art, daß Verzerrungen in der Entwicklung der Signalphase, die sonst als Folge der Wirbelströme auftreten würden, in der Anregung der Kernspins selbst kompensiert werden. In komplizierten Pulssequenzen werden Kernspinsysteme angeregt, fokussiert und wieder angeregt in einer Sequenz von Schritten, die nötig sind um Bilder oder komplizierte Spektren zu erzeugen. Die durch in vorangehenden Abschnitten der Pulssequenz induzierte Wirbelströme bewirkten Phasen- und Signalverzerrungen wirken daher als Begrenzungen für folgende Abschnitte der Pulssequenz, was die Funktion verschlechtert und die möglichen Anwendungen begrenzt. Indem man die Wirbelstromverzerrungen des Signals im Spinsystem selbst korrigiert, wird die Physik dieses Systems im wesentlichen "phasenkorrigiert" so daß auf einem fundamentalen Niveau das Spinsystem sich so entwickelt, als sei die Wirbelstromverzerrung nie geschehen.
In einer Abwandlung dieser Ausführungsform wird das Spin-Anregungssignal in Anwesenheit eines magnetischen Gradientenfelds phasenmoduliert.
In Sequenzen für die Bildgebung ist es üblich, das Spin-Anregungssignal in Anwesenheit eines Gradienten, des sogenannten Scheibenselektionsgradienten, zu erzeugen. In diesem Fall liegen während des Zeitabschnitts, währenddessen der Anregungspuls, in diesem Fall ein Scheibenanregungspuls, eingestrahlt wird, Wirbelströme aufgrund des Einschaltens des Scheibenselektionsgradienten vor. Als Folge davon erzeugt das Spin-Anregungssignal, das so geformt war, daß es an sich eine spezielle Dichteverteilung und Dicke von angeregten Spins zur Anregung in Anwesenheit eines Scheibenselektionsgradienten überlagert einem konstanten Magnetfeld B&sub0; bewirken sollte, aufgrund des zeitabhängigen B&sub0;- Felds eine verzerrte Scheibe oder Scheibendichteverteilung. Dieses unerwünschte Anregungsprofil kann durch Phasenmodulation des Sendersignales selbst verbessert werden, da in diesem Fall das Spinsystem selbst mit sauberer Phasenbeziehung handelt, so als wäre die zeitabhängige Magnetfeldverzerrung aufgrund von Wirbelströmen nie geschehen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das FID-Signal phasenmoduliert.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß dadurch Signalverzerrung im detektierten FID-Signal eliminiert oder weitgehend reduziert wird, was zu verbesserten Signal-zu-Rausch-Verhältnissen und Auflösung führt. In dieser Ausführungsform wirkt die Phasenmodulation nämlich als Demodulationskorrektur ungewollter Phasenmodulationen, die bereits in diesem Signal aufgrund der Anwesenheit von Wirbelströmen, die zu zeitabhängigen Veränderungen des B&sub0;-Felds geführt hatten, vorgekommen waren.
In einem besonderes bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden sowohl das Anregungssignal als auch das FID-Signal moduliert.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß sowohl zum Beispiel Verzerrungen des Anregungsprofils der Scheibenselektion und/oder der zeitlichen Entwicklung des Spinsystems als auch Phasenverzerrungs- und Auflösungs verzerrungseffekte aufgrund der Detektion eines verzerrten FID-Signals kompensiert werden können.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für eine gegebene Schaltsequenz eine zeitabhängige Messung einer Fluktuation des Magnetfelds durchgeführt und auf der Basis dieser Messung die erforderliche Phasendemodulation für diese bestimmte Sequenz gewonnen.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Ursache der Phasenverzerrung, nämlich die zeitabhängige Verschiebung des Magnetfelds, analytisch evaluiert und für den späteren Gebrauch abgespeichert wird. Dadurch kann die fundamentale Ursache der Wirbelstromsignalverzerrung, nämlich das zeitabhängig sich ändernde Magnetfeld, in einer Form abgespeichert werden, die anschließend auf jede Pulssequenz angewendet werden kann, so daß eine saubere Phasenkorrektur berechnet und zu jeder bestimmten gegebenen Zeit während folgender Pulssequenzen angewendet werden kann.
In einer Abwandlung dieser Ausführungsform der Erfindung wird die Zeitabhängigkeit des Magnetfelds B&sub0; durch eine zeitabhängige Entwicklung des Magnetfelds nach Kugelfunktionen gewonnen.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß alle generellen Parameter des Magnetfelds prinzipiell bekannt sind. Reihenentwicklung nach Kugelfunktionen ist eine höchst allgemeine Art, alle notwendigen Feldinformationen zu extrahieren, um eine vollständige Analyse der Verzerrungseffekte zur Verfügung zu stellen. Die B&sub0;-Komponente, die Komponente, die zu den zu korrigierenden Phasenverzerrungen führt, kann in direkter Weise der vollständigen Zeitabhängigkeit des Feldes und der Reihenentwicklung nach Kugelfunktionen entnommen werden.
Mit der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auch ein Gerät zur Durchführung des besagten Verfahrens verbunden, welches gekennzeichnet ist durch Mittel zum Bewirken der Echtzeit-Signalphasenmodulation des Senders und/oder des Empfängers, wobei besagte Mittel eine Phasenmodulations-Koppeleinheit umfassen mit einem digitalen NMR-Konverter und einer Analog-Koppeleinheit zur Durchführung der erforderlichen Demodulation. Dieses Gerät hat den Vorteil, daß die erforderlichen Hardwaremodifikationen enthalten sind, so daß ein existierendes NMR-Spektrometer oder Tomographiegerät mit der erforderlichen Hardware nachgerüstet werden kann.
Weitere Details der Erfindung sind durch die folgenden Abbildungen offenbart und können diesen entnommen werden. Offensichtlich können diese Abbildungen einzeln oder in Kombination Verwendung finden ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Fig. 1 Der zeitliche Verlauf der mit dem zeitlichen Verlauf des Magnetfelds B&sub0; verbundenen Larmorfrequenz als Funktion der Zeit nachfolgend auf einen Gradientenpuls mit 2,5 mT/m von drei Sekunden mit Preemphasis aber ohne die Modulationskorrektur der Erfindung.
Fig.2 Der zeitliche Verlauf der Frequenz des NMR-Signals von Fig.1 aber nach der Elimination der Signalverzerrung in Übereinstimmung mit der Erfindung.
Fig.3 Blockdiagramm der Verwendung einer erfindungsgemäßen Phasenmodulation für eine Phasenmodulation des Empfängersignals.
Fig.4 Blockdiagramm der Verwendung einer erfindungsgemäßen Phasenmodulation für eine Phasenmodulation des Senders.
Fig.5 Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Phasenmodulationsinterferenzeinheit insbesondere zur Verwendung für eine Phasenmodulation des Empfängers.
Fig.6 a) Ein Pulsspektrum einer Wasserprobe ohne jeden Gradientenpuls,
b) Signal akquiriert unter denselben Bedingungen wie in a) aber 2 Millisekunden nach einem 2,5 mT/m Gradientenpuls und ohne erfindungsgemäße B&sub0;-Kompensation.
c) wie in b) mit dem erfindungsgemäßen Kompensationsschema.
Fig.7 In der Entwicklung des B-Felds nach Kugelfunktionen in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendete Probenpositionen.
Fig.8 Zur Ermittlung von Wirbelstromfelddaten verwendete Pulssequenz in Übereinstimmung mit der Erfindung.
Fig. 1 zeigt die B&sub0;-Antwort des Systems widergespiegelt in der Zeitabhängigkeit der resonanten Larmorfrequenz nachdem ein y-Gradientenpuls mit Preemphasis angelegt wurde. Die Daten wurden mit einer modifizierten BRUKER-MSL-100-Konsole aufgenommen und auf einer Workstation weiterverarbeitet. Die Antwort über 30 Zeitpunkte wurde mittels eines kubischen Spline-Fits interpoliert bis zu 60 K Punkten und numerisch integriert um eine digitalisierte Version zu erhalten von
wobei γ das gyromagnetische Verhältnis ist und (t) die zeitabhängige Signalphasenverschiebung aufgrund von wirbelstrominduzierter Zeitvanation von B&sub0;. Der freie Induktionszerfall ist von der Form
S(t) = S&sub0; exp(iωt + + (t)) exp(-t/T&sub2;*) (2)
wobei φ eine Konstante ist. Die Phasenmodulation (t) wird, in Übereinstimmung mit der Erfindung, negiert und dann auf die Empfänger- oder Senderreferenzphase angewendet. Auf diese Weise kann für gegebene Stärken der Gradientenpulse die für irgend eine Sequenz anzuwendende Funktion einfach aus der B&sub0;-Harmonischen für jeden der drei Gradienten bei den geeigneten Umschaltpunkten einer Pulssequenz berechnet werden. Der Zeitbedarf für diese Berechnungen ist etwas länger als die Kompilierungszeit des Pulsprogramms selbst zusammen mit den assoziierten Files.
Nachdem die erfindungsgemäße Korrektur für den Empfänger des Ausführungsbeispiels der Fign. 3 und 5 vorgenommen ist, ist die Frequenzverschiebung nach Fig. 1 weitgehend kompensiert, was in Fig. 2 zu sehen ist. Die verbleibenden Oszillationen haben Hochfrequenzcharakter und erzeugen mit angepaßter Filterung keine signifikante Verschlechterung der Linienformen. Man beachte insbesondere die stark gedehnte Skala der Ordinate in Fig. 2. Die große Amplitude der B&sub0;-Verschiebung, die Frequenz- und Phasenverzerrung des Signals verursacht, ist durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Phasendemodulationsmethode weitgehend kompensiert. Die verbleibende Verschiebung des Frequenzsignals entspricht ungefähr 3 % der ursprünglichen Verschiebung.
Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung, in der die Phasenmodulation über eine Modulation des Empfängersignals bewirkt wird, wobei die Ausführungsform zum Gebrauch in einem BRUKER-MSL-100-Spektrometer bestimmt ist. In dieser Ausführungsform wird die Phasendemodulation getriggert durch TTL-Steuerleitungen, die mit dem Schalten des Gradientenmagneten synchronisiert sind. Steuerleitungen vom Spektrometer münden in einer Phasenmodulationsschnittstelleneinheit (interface) 1, deren Details im Zusammenhang mit Fig. 5 besprochen werden wird. Die Schnittstelleneinheit hat zwei Ausgänge in Quadratur, die dann zum "Kanal 5"-Modulator des BRUKER-MSL-100- Systems geführt werden, dessen 100,16 MHz-Referenzsignal vom Synthesizer ebenfalls in der Figur dargestellt ist. Der Referenzsignalausgang des "Kanal 5"-Modulators schließt damit Audio-Frequenzphasenmodulation ein und das modulierte Referenzsignal wird nun das neue Referenzsignal für den Empfänger. Das vorverstärkte NMR-Signal tritt in den Empfänger ein und wird moduliert um die Ausgangssignale des Quadraturdetektors zu erzeugen. Offensichtlich kann das Standard-BRUKER- "Kanal 5"-Modulatorsystem, das in Fig. 3 dargestellt ist, ersetzt werden durch jeden industrieüblichen Referenzmodulator ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm um eine Phasenmodulation des Senders 6 und damit des Spin-Anregungssignals zu erzeugen. Der digitale Frequenzsynthesizer 5, der in einem NMR-Spektroskopie- oder bildgebenden Gerät gewöhnlich zur Pulsprogrammierung sowohl der Pulsformen und - dauern als auch der Frequenzen verwendet wird, kann modifiziert werden, i.a. softwaremäßig, aber falls nötig auch hardwaremäßig, daß er, wenn er von der Phasenmodulationsschnittstelleneinheit angesteuert wird, die gewünschte Phasenmodulation des Senders 6 bewirkt. Moderne digitale Frequenzsynthesizer 5 gestatten eine sehr flexible Programmierung der Phase des Anregungssignals des Senders 6, wodurch eine Phasenmodulation leicht durchgeführt werden kann.
Fig. 5 zeigt mehr Einzelheiten einer Ausführungsform der Phasenmodulationskopplungseinheit 1, die im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 für die Empfängerphasendemodulation benutzt wird. Diese Einheit wurde für Testzwecke benutzt und bestand aus einem PC-gestützten 386 SX- System ausgestattet mit zwei 12 Bit-Digital-Analog-Wandlern 2 und einer Eingabe/Ausgabe-Karte 4. Die Betriebsfrequenz war 33 MHz. Das System konnte einen Phasenfile mit 50 µs Meßpunktintervallen ausgeben, was einem erheblichen Oversampling des Phasensignal entspricht, und es konnte mit einer Verzögerung von 5 bis 10 µS auf ein Gradientenereignis im Spektrometerprogramm reagieren. Die Eingabe/Ausgabe-Karte 4 bestand aus zwei Digital-Analog-Wandlern, beide mit 12 Bits und beide in der Lage, 60 000 Werte pro Sekunde in ein Analog-Interface 3 auszugeben, das sowohl aus differentiellen Level-Shift- und Gain-Verstärkern besteht als auch aus einem Vierpol-Besselfilter mit einem Durchlaßverhalten von -3dB bei 50 kHz und einem Ausgabepuffer, wodurch zwei Ausgangsphasenmodulationssignale in Quadratur bereitgestellt wurden. Wie be reits erwähnt, ist diese Phasenmodulationseinheit 1 besonders nützlich zur Phasenmodulation des Empfängersignals, aber sie könnte mit entsprechenden Modifikationen ebenfalls benutzt werden, um das Sendersignal zu modulieren.
Fig. 6 zeigt ein Pulsspektrum erhalten mit einer 27 cc kugelförmigen Wasserprobe 0,5 cm vom Isozentrum entlang der z-Achse unter Benutzung einer Oberflächen-Senderlempfängerspule. Die Akquisitionszeit war etwa 200 ms. Fig. 6a zeigt das Fourier-transformierte Signal ohne vorheriges Schalten eines Gradientenmagneten. 3 Hz exponentielle Linienverbreiterung wurde vor der Fouriertransformation auf das Signal angewendet.
Fig. 6b zeigt ein Signal, das unter den gleichen Bedingungen wie in Fig. 6a aufgenommen wurde, nur 2 ms nach einem 2,5 mT/m-Gradientenpuls und ohne Anwendung einer erfindungsgemäßen B&sub0;-Kompensation. Die erfindungsgemäße B&sub0;-Korrektur angewendet auf den Empfänger, die mit den verbleibenden B&sub0;-Feldfluktuationen der Fig. 2 verknüpft ist, führt auf die Ergebnisse der Fig. 6c, wo die Korrektur der B&sub0;-Verschiebung, die 2ms auf einen (100 ms, 2,5 mT/m)-Gradientenpuls mit Preemphasis folgt, offensichtlich sehr gut ist. Die kleinen Seitenpeaks im korrigierten Spektrum rühren von der Unfähigkeit des "Kanal 5"-Modulators her, während einer Phasenmodulation konstante HF-Felder beizubehalten. Diese Amplitudenmodulation der Referenz hatte kleine Seitenbandpeaks zur Folge; der Ursprung der Peaks wurde verifiziert durch die Verwendung verschiedener Phasenmodulationsmuster und Spektralanalyse des Referenzsignals. Offensichtlich sind diese kleinen Seitenpeaks Restfehler und nicht von fundamentaler Natur und können durch korrekte Modifikation der Modulationseinheit eliminiert werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Zeitabhängigkeit der B&sub0;-Verschiebung durch eine auf den Gradientenpuls folgende zeitabhängige Entwicklung des Magnetfelds nach Kugelfunktionen ermittelt. Diese Entwicklung ergibt die Stärke der Harmonischen, die dieselbe Symmetrie hat wie der angelegte Gradient, und liefert darüber hinaus Daten über komplexere Harmonische der Feldentwicklung. Der direkteste Ansatz, eine Reihenentwicklung nach Kugelfunktionen des Magnetfelds zu erhalten, ist einfach, das Feld an Punkten auf einer Kugeloberfläche, die das Magnetzentrum umgibt, zu messen. Die Kugelfunktionen haben die Form
und sind Lösungen der Laplace-Gleichung Δ²Bz = 0. Die Felder Bz können durch ihre Kugelfunktions- Komponenten Bznm ausgedrückt werden
wobei Bznm die Kugelfunktion der Ordnung n und des Grades m ist, anm und bnm sind Konstanten und r ist der radiale Abstand vom magnetischen Isozentrum. Pnm(cosΘ) sind die assoziierten Legendre-Funktionen.
Die Kugelfunktion Bznm und die Kugelflächenfunktion Tnm mit
Tnm = (cosm +sin m ) Pnm(cosθ) (5)
haben die Eigenschaft bei Integration über die Kugeloberfläche aufeinander orthogonal zu sein
wobei u = cosΘ. Dieses Integral liefert die Mittel, durch die die Koeffizienten anm und bnm für jede Kugelfunktion Bznm bestimmt werden können. Einsetzen von Gleichungen 3 und 5 in Gleichung 6 ergibt
wobei Bznm ersetzt wurde durch die Summe von Gleichung 4. Das innere Integral auf der rechten Seite wird durch Fouriertransformation von Bz (u,φ) bezüglich φ ermittelt für festes u um F(u) zu ergeben, während das äußere Integral über Gauss'sche numerische Integration bestimmt wird. Das heißt
wobei Wu die Gauss'schen Wichtungsfaktoren für jeden Punkt u sind. Die Koeffizienten a und b können dann durch Gleichsetzen der Ausdrücke 6 und 8 gefunden werden.
wobei sich die oberen Indizes c und s auf die Kosinus- und Sinus- Fouriertransformierten der azimutalen Daten beziehen.
In Experimenten, die auf die Ergebnisse der Fign. 2 und 6 führten, wurden die Harmonischen zu 30 exponentiell gewichteten Zeitpunkten ermittelt, sowohl während und nach einem langen (3 s) Gradientenpuls und an 112 räumlichen Positionen in sieben azimutalen Ebenen über eine Kugel von 7 cm Radius. Die Verwendung dieses Typs von Feldmessung ergibt einen Informationsreichtum sowohl bezüglich des räumlichen als auch des zeitlichen Ansprechens des Gradientenmagnetsystems.
Fig. 7 gibt ein Beispiel der für diese Kugelfunktionsanalyse verwendeten Probenpositionen. Die Feldstärken wurden mittels einer Hochfrequenz (HF)-Sonde bestimmt, die aus sieben Wasserproben bestand, die an den in Fig. 7a angegebenen Positionen fixiert waren. Die NMR- Resonanzfrequenz jeder Probe wurde durch eine kleine HF-Spule aufgezeichnet, während ein auf Relais basierendes Schaltsystem die Auswahl verschiedener Spulen erlaubte. Azimutale Positionen in Fig. 7b wurden über Sondenrotation erhalten. Die Wasserproben enthielten je 100 ml und waren in einer extra gebauten Sonde montiert und an den in Fig. 7a gezeigten Positionen plaziert. Während des Experiments wurde die Sonde in 22,5º-Schritten um die z-Achse rotiert (Fig. 7b) bis Resonanzfrequenzen aus allen 112 Positionen erhalten waren.
Wie in Fig. 8 angedeutet, wurde die Wirbelstromantwort nach dem Anlegen eines langen (3 s) magnetischen Feldgradienten (Gy) von 5 mT/m aufgezeichnet durch Aufnahme von 30 freien Induktionszerfällen nach Anregungen mit der HF-Pulsfolge von Fig. 8 mit Verzögerungszeiten τ zwischen 1 ms und 2,5 ms. HF-Anregungspulse mit kleinem Kippwinkel wurden verwendet derart, daß die freien Induktionszerfälle für eine einzelne Spule innerhalb einer Messung erhalten werden konnten. Für jeden freien Induktionszerfall wurden 256 komplexe Datenpunkte in 1,28 ms akquiriert. Während dieser Zeit war die Frequenz und daher das Feld im wesentlichen konstant. Die Verzögerung zwischen freien Induktionszerfällen wurde exponentiell mit der Zeit vergrößert um das genaue Anfitten von Exponentialfunktionen an die erhaltenen Frequenzdaten zu erlauben. Sobald der komplette Datensatz von 3 360 freien Induktionszerfällen erhalten war. wurden die Daten verarbeitet durch Berechnung der Frequenz jedes FID. Dies wurde durchgeführt durch Auffüllen mit Nullen bis 4 K, Fouriertransformation und dann ermitteln der dominierenden Peakposition. Alternativ, wenn das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des freien Induktionszerfalls gut war, konnte die Frequenz genauer bestimmt werden durch Messung der totalen Phasenverschiebung während des freien Induktionszerfalls.

Claims

1. Verfahren zur Korrektur von Signalverzerrungen in einem NMR- Spektroskopie- und/oder -Bildgebungsgerät mit einem Sender zum Erzeugen eines Spin-Anregungssignals, einem Empfänger zum Detektieren eines NMR-Signals, einem magnetischen Gradientenfeld, das während einer Schaltsequenz ein- und ausgeschaltet wird, und einem Magnetfeld mit einer homogenen B&sub0;- Magnetfeldkomponente, wobei besagte Signalverzerrung verursacht wird durch eine Zeitabhängigkeit der Stärke des Bo- Magnetfelds aufgrund von Wirbelströmen, die vom Schalten des magnetischen Gradientenfelds induziert werden, und wobei be-15 sagte Signalverzerrung kompensiert wird durch Korrektur der Signalphase,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Korrektur der Signalverzerrung bewirkt wird durch eine Kompensation des Signais über eine Echtzeit-Phasenmodulation des Senders und/oder Empfängers.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spin-Anregungssignal phasenmoduliert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Spin-Anregungssignal phasenmoduliert wird zu einer Zeit während der ein magnetisches Gradientenfeld vorhanden ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das NMR-Signal phasenmoduliert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spin-Anregungs- und NMR-Signale phasenmoduliert werden.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erforderliche Phasenmodulation für eine gegebene Schaltsequenz durch eine Analyse der Zeitabhängigkeit des B&sub0;-Feld für diese Schaltsequenz gewonnen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitabhängigkeit des B&sub0;-Magnetfelds gewonnen wird durch eine zeitabhängige Entwicklung des Magnetfelds nach Kugelfunktionen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld an Punkten auf einer Kugeloberfläche gemessen wird.

9. NMR-Spektroskopie- und/oder -Bildgebungsgerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zum Bewirken der Echtzeit-Signalphasenmodulation des Senders und/oder des Empfängers, wobei besagte Mittel eine Phasenmodulations-Koppeleinheit (1) umfassen, wobei besagte Phasenmodulations-Koppeleinheit (1) einen Digital-Analog-Konverter (2) und eine Analog-Koppeleinheit (3) umfaßt.