NL8901246A - Werkwijze ter onderdrukking van waterresonantie in een magnetisch protonresonantiespectrum, en inrichting voor het uitvoeren van een dergelijke werkwijze. - Google Patents

Description

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze ter onderdrukking van waterresonantie in een magnetisch protonresonantiespectrum, dat wordt bepaald uit resonantiesignalen, die met behulp van pulssequenties worden opgewekt in een objektr dat in een stationair magnetisch veld is geplaatst, waarbij de pulssequenties een hoogfrequent elektromagnetische wateronderdrukkingspuls bevatten, die na een wachtijd waarin een longitudinale watermagnetisatie resonantiesignaal althans nagenoeg een amplitude nul bereikt wordt % gevolgd door hoogfrequent elektromagnetische pulsen ter opwekking van het resonantiesignaal.

De uitvinding heeft verder betrekking op een inrichting voor het uitvoeren van een dergelijke werkwijze, welke inrichting bevat, middelen om het object bloot te stellen aan een stationair magnetisch veld, aan een sequentie van een hoogfrequent elektromagnetische wateronderdrukkingspuls en van hoogfrequent elektromagnetische pulsen ter opwekking van een resonantiesignaal, en middelen voor detektie van het resonantiesignaal.

Een dergelijke werkwijze ter onderdrukking van waterresonantie in een magnetisch protonresonantiespectrum is beschreven in een artikel "Water Eliminated Fourier Transform NMR Spectroscopy", S.L. Patt and B.D. Sykes, The Journal of Chemical Physics, Vol. 56, nr.6, 15 maart 1972. Wateronderdrukking in een magnetisch resonantiespectrum wordt daarbij verkregen door met een frequentieselectieve inversiepuls rond de kernspinresonantiefreguentie van water een kernmagnetisatie van een object, dat zich in een stationair homogeen magnetisch veld bevindt, 180° te draaien ten opzichte van een evenwichtsmagnetisatie in het veld, en vervolgens zolang te wachten totdat een daarmee verkregen longitudinale, aan het stationair veld tegengestelde, watermagnetisatie een waarde nul heeft gekregen. Op het tijdstip dat de longitudinale watermagnetisatie nul is of althans gering is ten opzichte van een waterevenwichtsmagnetisatie wordt een acquisitiesequentie zoals bijvoorbeeld een spinechosequentie gegenereerd ter verkrijging van een resonantiesignaal waarin kernspinmagnetisatie van gewenste moleculen is gerepresenteerd. De beschreven werkwijze is erop gericht om de watermagnetisatie zeer klein te maken op het moment dat een excitatiepuls wordt gegeven ter excitatie van kernspinmagnetisatie van andere moleculen. De beschreven werkwijze is gevoelig voor veldhomogeniteiten in het met de hoogfrequent elektromagnetische pulsen gepaard gaande magnetisch veld en werkt alleen goed als dit veld zeer homogeen is, wat bijvoorbeeld bij gebruik van oppervlaktespoelen niet het geval is.

Het is onder meer het doel van de uitvinding te voorzien in een werkwijze en inrichting waarmee wateronderdrukte spectra van een deelvolume van een object kunnen worden verkregen, die nagenoeg ongevoelig zijn voor inhomogeniteiten van het hoogfrequytelektromagnetisch veld, en waaruit kwantitatief spectruminformatie bepaald kan worden.

Een werkwijze volgens de uitvinding is erdoor gekenmerkt, dat de wateronderdrukkingspuls een frequentieselectieve adiabatisch snelle doorgangspuls is rond de protonresonantiefrequentie van water, en dat ten minste één van de pulsen ter opwekking van het resonantiesignaal ruimtelijk selectief gemaakt wordt door aanlegging van een op het stationair magnetisch veld gesuperponeerde magnetische veldgradiënt. Behalve ongevoeligheid voor inhomogeniteit van het hoogfrequent elektromagnetisch veld treden er verder nagenoeg geen valse echoresonantiesignalen op die bij de bekende werkwijze zouden kunnen optreden ten gevolge van de relatief lange tijd die nodig is om de longitudinale watermagnetisatie nul te laten worden. De werkwijze volgens de uitvinding is bijzonder geschikt voor in vivo spectroscopie.

Opgemerkt wordt dat er wel andere werkwijzen beschreven zijn die niet gevoelig zijn voor veldinhomogeniteiten van het hoogfrequent elektromagnetisch veld zoals de bekende werkwijze in genoemd artikel van Patt en Sykes, bijvoorbeeld een werkwijze die gebaseerd is op het gebruik van binominaalpulsen voor wateronderdrukking. Een dergelijke op binominaalpulsen gebaseerde werkwijze is beschreven in een artikel “Solvent Suppression in Fourier Transforra Nuclear Magnetic Resonance", P.J. Hore, JMR 55, blz. 283-300, 1983. Echter de binominaalpulsen introduceren een van de chemische verschuiving afhankelijke amplitudemodulatie over het spectrum, wat ongewenst is als kwalitatief bijdragen van metabolieten in het spectrum bepaald dienen te worden. De werkwijze volgens de uitvinding heeft dit nadeel niet. Ook zijn werkwijzen bekend waarbij frequentieselectief op water wordt ingestraald, waarna watermagnetisatie wordt gedefaseerd met een magnetische veldgradiënt die is gesuperponeerd op het stationair magnetisch veld en vervolgens excitatiepulsen op metabolieten worden gegeven, zoals in een zogenaamde CHESS-werkwijze. Ook een dergelijke werkwijze eist een in hoge mate homogeen hoogfrequent elektromagnetisch veld, is gevoelig voor opwekking van valse echoresonantiesignalen opgewekt buiten een gewenst volume, is gevoelig voor beweging van het object, en kost ten opzichte van de werkwijze volgens de uitvindingen faktor twee in signaalruisverhouding.

Een uitvoeringsvorm van en werkwijze volgens de uitvinding is erdoor gekenmerkt, dat de pulsen ter opwekking van het resonantiesignaal een Hahn-echosequentie vormen met achtereenvolgens een 90°-puls, een eerste 180°-puls en een tweede 180°-puls, waarbij ter verkrijging van volumeselectie de 90°-puls en de eerste en de tweede 180°-puls ruimtelijk selectief gemaakt worden door respectieve gradiënten met een verschillende gradiêntrichting. Hierdoor kan een echoresonantiesignaal in een deelvolume van het object worden opgewekt. Door het gebruik van een Hahn-echosequentie wordt excitatie van kernspins buiten het deelvolume zoveel mogelijk vermeden. De plaats van het deelvolume in het object kan door variatie van gradiëntsterkten worden gekozen.

Een verdere uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding is erdoor gekenmerkt, dat ter verkrijging van een relatief kleine tijdsafstand tussen de 90°-puls en de eerste 180°-puls, echotijdsintervallen in de Hahn-echosequentie asymmetrisch worden gekozen. Hierdoor worden wervelstroominvloeden ten gevolge van schakelen van gradiënten op het echoresonantiesignaal zoveel mogelijk vermeden.

Een verdere uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding is erdoor gekenmerkt, dat de wateronderdrukkingspuls wordt gevolgd of voorafgegaan door een vetonderdrukkingspuls, die een frequentieselectieve adiabatisch snelle doorgangspuls is rond de protonresonantiefrequentie van vet. Bevat het spectrum behalve een te onderdrukken waterpiek ook nog een te onderdrukken vetpiek dan wordt deze op soortgelijke wijze onderdrukt. Afhankelijk van de longitudinale relaxatietijd van het te onderdrukken water ten opzichte van het te onderdrukken vet zal de wateronderdrukkingspuls worden gevolgd of voorafgegaan door de vetonderdrukkingspuls.

De uitvinding zal verder worden toegelicht aan de hand van een tekening, waarin figuur 1 een schematische weergave is van een magnetische resonantieinrichting volgens de uitvinding, figuur 2 een volumeselectieve puls- en gradiëntseguentie met wateronderdrukking volgens de uitvinding toont, figuur 3 een eerste met de inrichting en werkwijze volgens de uitvinding gemeten in vivo spectrum toont, en figuur 4 een tweede met de inrichting en werkwijze volgens de uitvinding in vivo gemeten spectrum laat zien.

In figuur 1 is schematisch een magnetische resonantieinrichting 1 volgens de uitvinding weergegeven, met zendmiddelen 2 en ontvangstmiddelen 3 voor het respectievelijk zenden van hoogfrequent elektromagnetische pulsen via een zend/ontvangstspoel 4 naar een objekt 5 en ontvangen van magnetische resonantiesignalen, die met de hoogfrequent elektromagnetische pulsen in het objekt 5 worden opgewekt, dat zich in een stationair homogeen magnetisch veld bevindt.

De inrichting 1 bevat middelen 6 voor het opwekken van het stationair veld. De middelen 6 bevatten magneetspoelen 7, en in het geval van weerstandsmagneten of supergeleidende magneten, een gelijkspanningsvoeding 8. Is de inrichting 1 in bedrijf en is het objekt binnen de magneetspoelen 7 geplaatst dan zal in evenwichtstoestand een geringe overmaat aan kernspins (van kernen met een magnetisch moment) met het stationair homogeen veld zijn meegericht. Macroscopisch is dit op te vatten als een magnetisatie M, een evenwichtsmagnetisatie. De inrichting 1 bevat verder verwerkingsmiddelen 9, die gekoppeld zijn met de zendmiddelen 2 en de ontvangstmiddelen 3, een met de verwerkingsmiddelen 9, en de zendmiddelen 2 gekoppelde procescomputer 10, en weergeefraiddelen 11 voor het weergeven van een kernmagnetisatieverdeling die met geprogrammeerde middelen 12 wordt bepaald uit met de ontvangstmiddelen 3 ontvangen en gedemoduleerde resonantiesignalen, na signaalbemonstering daarvan (detektie van resonantiesignalen). Meer gedetailleerd bevatten de zendmiddelen 2 een hoogfrequent oscillator 13 voor het opwekken van een draaggolfsignaal, een modulator 14 voor het in amplitude en/of fase of frequentie moduleren van het draaggolfsignaal, een vermogensversterker 15 en een richtingskoppeling 16, die met de zend/ontvangstspoel 4 gekoppeld is. De zend/ontvangstspoel 4 kan een spoel zijn die het gehele objekt 5 omvat, of een spoel die een gedeelte van het objekt 5 omvat, of een oppervlaktespoel. De hoogfrequentoscillator 13 is gekoppeld met de verwerkingsmiddelen 9 en de modulator 14 met de procescomputer 10,

Worden onder besturing van de geprogrammeerde middelen 12 via de zendmiddelen 2 excitatiepulsen op het objekt 5 aangestraald met een frequentieinhoud die ligt rond de Larmorfrequentie van bijvoorbeeld protonen dan zullen magnetische resonantiesignalen ontstaan waaruit met de geprogrammeerde middelen 12 door middel van bijvoorbeeld Fouriertransformatie een protonspectrum kan worden bepaald. De ontvangstmiddelen 3 voor het ontvangen van de resonantiesignalen bevatten de richtingskoppeling 16 en een ontvangst- en demodulatieeenheid 17. De eenheid 17 is bijvoorbeeld een dubbele fasegevoelige detektor, waarvan de uitgangssignalen met een eerste en een tweede A/D-omzetter 18 en 19 bemonsterd worden. De eerste en tweede A/D-omzetter 18 en 19 zijn gekoppeld met de verwerkingsmiddelen 9. Als er een aparte zend- en ontvangstspoel is dan ontbreekt de richtingskoppeling 16. De inrichting bevat verder middelen 20 voor het opwekken van op het stationair homogeen magnetisch veld gesuperponeerde magnetische veldgradiënten. De middelen 20 bevatten gradiëntmagneetspoelen 21, 22 en 23 voor het respectievelijk opwekken van een magnetische veldgradiënt Gx, Gy en Gz en een door de procescomputer aanstuurbare voeding 24 voor het voeden van de gradiëntmagneetspoelen 21, 22 en 23, die afzonderlijk aanstuurbaar zijn. Bij de getoonde uitvoeringsvorm is de ruimtelijke opstelling van de gradiëntmagneetspoelen zodanig dat de veldrichting van de magnetische veldgradiënten samenvalt met de richting van het stationair homogeen magnetisch veld en dat de gradiêntrichtingen loodrecht op elkaar staan, in fig. 1 aangegeven met drie loodrecht op elkaar staande assen x, y en z. Worden puls- en gradiëntsequenties aangelegd aan het objekt 5 dan kunnen de resonantiesignalen onder meer gebruikt worden voor spectroscopie, plaatsafhankelijke spectroscopie en spectroscopische beeldvorming. Voor in vivo hersenspectroscopie kan een zogenaamde hoofdspoel gebruikt worden, en voor andere delen een oppervlaktespoel.

In figuur 2 wordt een volumeselectieve puls- en gradiëntsequentie met wateronderdrukking volgens de uitvinding getoond, als funktie van de tijd t, waarin met t1 tot en met t5 enige tijdstippen zijn aangegeven. Onder besturing van de geprogrammeerde middelen 12 wordt op het tijdstip t=t1 door de zendmiddelen 2 een hoogfrequent elektromagnetische wateronderdrukkingspuls p1 opgewekt. De puls p1 is een frequentieselectieve adiabatisch snelle doorgangspuls rond de protonresonantiefrequentie van water, dat wil zeggen een in amplitude en frequentie of fase gemoduleerde hoogfrequent elektromagnetische puls met een voorafbepaalde bandbreedte rond de protonresonantiefrequentie van water. De bandbreedte is bijvoorbeeld 60 Hz, maar niet zo groot dat ook gewenste metabolieten in het te meten spectrum worden onderdrukt. Eenvoudigheidshalve is in figuur 2 alleen de amplitude van de adiabatische puls weergegeven, Adiabatisch snelle doorgangspulsen zijn op zichzelf bekend en worden bijvoorbeeld beschreven in een artikel "Optimization of Modulation Functions to Improve Insensitivity of Adiabatic Pulses to Variations in B1 Magnitude", van U^urbil e.a., in JMR 80, blz. 448-469, 1988. De adiabatische puls p1 kan bijvoorbeeld een zogenaamde sech/tanh puls zijn zoals genoemd op blz. 448 van het artikel van U§urbil, maar kan ook andere modulatiefunkties hebben. Voor verdere details wordt verwezen naar het artikel van tfifurbil. De puls pi wordt met de zend/ontvangstspoel 4 naar het object 5 gezonden, waardoor selectief kernspins rond de resonantiefrequentie van water worden geëxciteerd.

De adiabatische puls p1 wordt zodanig gedimensioneerd dat een magnetisatievector van kernmagnetisatie rond de waterresonantiefrequentie in een met de waterresonantiefrequentie ronddraaiend coördinatenstelsel 180° uit evenwichtsmagnetisatie wordt gedraaid, dat wil zeggen de longitudinale magnetisatie wordt selectief geïnverteerd rond water. Vervolgens wordt gewacht totdat genoemde magnetisatievector een amplitude nul heeft gekregen ten gevolge van longitudinale relaxatie, tot het tijdstip t=t2. Op het tijdstip t=t2 wordt een ruimtelijk selectieve 90° excitatiepuls p2 geëxciteerd, dat wil zeggen een hoogfrequent elektromagnetische puls onder aanlegging van een magnetische veldgradiënt, bijvoorbeeld Gz, zodat kernspins van metabolieten worden geëxciteerd in een plak loodrecht op de z-as.

De excitatie van metabolieten vindt dus plaats op het moment dat water is onderdrukt. Vervolgens worden achtereenvolgens op de tijdstippen t=t3 en t=t4 de 180°-pulsen p3 en p4 geëxciteerd onder aanlegging van respectieve gradiënten G„ en Gv. Op het tijdstip t=t5 ontstaat een echoresonantiesignaal e, een tijd TE na de excitatiepuls p2. In het echoresonantiesignaal e zijn resonantiefrequenties rond water onderdrukt. Het echoresonantiesignaal e wordt met de ontvangstmiddelen 3 ontvangen en gedetekteerd, Na signaalbemonstering met de A/D-omzetters 18 en 19 wordt met de geprogrammeerde middelen 12 bijvoorbeeld met Fouriertransformatie uit het echoresonantiesignaal e een spectrum bepaald dat kan worden weergegeven met de weergeefmiddelen 11. Gebleken is dat het gebruik van adiabatische inversiepulsen voor wateronderdrukking de spectrumkwaliteit van volumeselectieve spectra aanzienlijk verbetert, waardoor meer metabolische informatie kan worden verkregen. Bij gebruik van een hoofdspoel voor in vivo hersenspectra of een oppervlaktespoel voor in vivo spectroscopie van andere gedeelten van een menselijk object werden goede resultaten bereikt. Wordt een oppervlaktepoel gebruikt dan zou de ruimtelijke selectie beperkt kunnen blijven tot een plak loodrecht op de as van de oppervlaktespoel gezien de lokale werking van de oppervlaktespoel zelf. Bevat het spectrum buiten een storende waterpiek een storende vetpiek dan kan deze op soortgelijke wijze onderdrukt worden. Watercomponenten met verschillende longitudinale relaxatietijden kunnen met afzonderlijke wateronderdrukkingspulsen onderdrukt worden. Deze laatste situatie kan zich bijvoorbeeld voordoen bij in vivo hersenspectroscopie waarbij water van CSF (cerebral spinal fluid) een veel grotere longitudinale relaxatietijd heeft dan cellulair gebonden water.

In figuur 3 wordt een eerste met de inrichting en werkwijze volgens de uitvinding gemeten in vivo spectrum s1 getoond. De meting is uitgevoerd met een hoofdspoel voor hersenonderzoek. De timing van de pulsen p3 en p4 is asymmetrisch teeinde het interval tussen de 90°-puls p2 en de 180°-puls p3 minimaal te houden (<10 msec). De echotijd TE bedroeg 136 msec. Er werd een volume van 70 cm·* geselecteerd waarbij 256 resonantiesignalen werden gemiddeld ter verkrijging van een voldoend grote signaalruisverhouding. Het spectrum s1 in ppm toont onder meer de resonanties van N-acetyl-aspartate NAA, Creatine Cr, Choline Ch en Inositol In. Gewezen wordt op de niet- vervormde restpiek Wr van water. Met de geprogrammeerde middelen 12 wordt door middel van opervlaktebepaling onder de getoonde resonantiepieken kwalitatief de bijdragen van de metabolieten bepaald. Ten opzichte van niet-onderdrukt water zouden de getoonde resonanties niet te zien zijn vanwege de enorme dynamiek. Ook bij slecht onderdrukt water met werkwijzen die onder meer gevoelig zijn voor B-|-inhomogeniteiten zouden dergelijke details niet goed te onderscheiden zijn.

In figuur 4 wordt een tweede spectrum s2 getoond. De meting is met een oppervlaktespoel uitgevoerd. Getoond wordt een spectrum van spierweefsel in een kuit van een gezonde menselijke vrijwilliger. Het spectrum is afkomstig uit een volumedeel van 4,5

O

cm. De echotijd bedroeg 30 msec. Naast het restsignaal Wr van water en sterke vetsignalen V toont het spectrum s2 de c2 en c4 protonen van de histidine residuen HIS van Carnosine, de methyl protonen CH=HC van vet, Creatine Cr en Carnitine Choline Car Ch. Behalve de getoonde spectra s1 en s2 zijn onder meer ook leverspectra met een TE van 21 msec gemeten. De getoonde sequentie voor het opwekken van een echoresonantiesignaal kan op bekende wijze worden aangepast voor verkrijging van resonantiesignalen voor spectroscopische beeldvorming door toevoeging van fasecoderingsgradiënten.

Claims (8)

1. Werkwijze ter onderdrukking van waterresonantie in een magnetisch protonresonantiespectrum, dat wordt bepaald uit resonantiesignalen, die met behulp van pulssequenties worden opgewekt in een objekt, dat in een stationair magnetisch veld is geplaatst, waarbij de pulssequenties een hoogfrequent elektromagnetische wateronderdrukkingspuls bevatten, die na een wachtijd waarin een longitudinale watermagnetisatie resonantiesignaal althans nagenoeg een amplitude nul bereikt wordt gevolgd door hoogfrequent elektromagnetische pulsen ter opwekking van het resonantiesignaal, met het kenmerk, dat de wateronderdrukkingspuls een frequentieselectieve adiabatisch snelle doorgangspuls is rond de protonresonantiefrequentie van water, en dat ten minste één van de pulsen ter opwekking van het resonantiesignaal ruimtelijk selectief gemaakt wordt door aanlegging van een op het stationair magnetisch veld gesuperponeerde magnetische veldgradiënt.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de pulsen ter opwekking van het resonantiesignaal een Hahn-echosequentie vormen met achtereenvolgens een 90°-puls, een eerste 180°-puls en een tweede 180°-puls, waarbij ter verkrijging van volumeselectie de 90°-puls en de eerste en de tweede 180°-puls ruimtelijk selectief gemaakt worden door respectieve gradiënten met een verschillende gradiëntrichting.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat ter verkrijging van een relatief kleine tijdsafstand tussen de 90°-puls en de eerste 180°-puls, echotijdsintervallen in de Hahn-echosequentie asymmetrisch worden gekozen.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de tijdsafstand tussen de 90°-puls en de eerste 180°-puls kleiner dan 10 msec wordt gekozen.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, 2, 3 of 4, met het kenmerk, dat de frequentieselectieve adiabatisch snelle doorgangspuls een bandbreedte van kleiner dan 1,5 ppm rond de te onderdrukken resonantie heeft.

6. Werkwijze volgens één der conclusies 1 tot en met 5, met het kenmerk, dat de wateronderdrukkingspuls wordt gevolgd of voorafgegaan door een vetonderdrukkingspuls, die een frequentieselectieve adiabatisch snelle doorgangspuls is rond de protonresonantiefrequentie van vet.

7. Werkwijze volgens één der conclusies 1 tot en met 6, met het kenmerk, dat de wateronderdrukkingspuls ter onderdrukking van een watercomponent wordt gevolgd of voorafgegaan door een verdere wateronderdrukkingspuls, die een frequentieseleetieve adiabatisch snelle doorgangspuls is rond de protonresonantiefreguentie van een verdere watercomponent met een van genoemde watercomponent verschillende longitudinale relaxatietijd.

8. Inrichting voor het uitvoeren van een werkwijze volgens één der voorafgaande conclusies, welke inrichting bevat, middelen om het objekt bloot te stellen aan een stationair magnetisch veld, aan een sequentie van een hoogfrequent elektromagnetische wateronderdrukkingspuls en van hoogfrequent elektromagnetische pulsen ter opwekking van een resonantiesignaal, en middelen voor detektie van het resonantiesignaal, met het kenmerk, dat de middelen om het object bloot te stellen aan de sequentie ervoor zijn ingericht om de wateronderdrukkingspuls als frequentieseleetieve adiabatisch snelle doorgangspuls rond de protonresonantiefrequentie van water op te wekken, en dat de inrichting verder middelen bevat om het object gedurende te minste één der opwekkingspulsen bloot te stellen aan een ruimtelijk selectieve magnetische veldgradiènt.