DE2951537A1

DE2951537A1 - Zeugmatografieverfahren

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Publication number: DE2951537A1
Application number: DE19792951537
Authority: DE
Inventors: Dr.rer.nat. Alexander Ganssen; Dr.rer.nat. Wilfried 8522 Erzogenaurach Loeffler; Dr.rer.nat. Arnulf 8520 Erlangen Oppelt
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1979-12-20
Filing date: 1979-12-20
Publication date: 1981-07-02
Also published as: US4390840A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 79 P 5133 BRD

Zeugmatografieverfahren

Die Erfindung betrifft ein Zeugmatografieverfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Solche Verfahren zur bildlichen Darstellung des Innenraums von Körpern sind unter der Bezeichnung Zeugmatografie, Spin-Imaging, Spin-Mapping oder FONAR bekannt geworden. Diese Verfahren haben aber ein kleines Signal zu Rauschverhältnis, so daß die medizinische Anwendung wegen der sich deshalb ergebenden langen Meßdauer in Frage gestellt ist.

Verfahren zur bildlichen Darstellung der Kernspindichte bestimmter Isotope (meist Wasserstoff) im Inneren von Körpern, speziell medizinisch bedeutsamer Verteilungen im Inneren des menschlichen Körpers, wurden z.B. von P.Lauterbur (1), P.Mansfield und I.L.Pykett (2), R.Damadian et al. (3), W.S. Hinshaw (4) sowie A.Kumar et al. (5) und Z.Abe et al. (6) beschrieben. Diese Verfahren lassen sich auch benutzen, um Information über

Kn 5 Kof / 10.12.1979

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VPA 79 P 5133 BRD physikalische und chemische Zustände und deren Änderung im Inneren von Körpern zu erhalten, wie z.B. chemische Zusammensetzung und Stoffwechsel (Metabolismus), sowie Durchfluß- und Strömungsgeschwindigkeit. Hierbei wird von dem Phänomen der magnetischen Kernspinresonanz Gebrauch gemacht. Der zu untersuchende Körper wird dazu einem magnetischen Gleichfeld B ausgesetzt und die nachzuweisenden Kernisotope werden durch ein Hochfrequenzfeld B₁ der durch das gyromagnetische Verhältnis γ- der entsprechenden Kerne gegebenen Frequenz

zur Präzession angeregt. Üblicherweise wird dann die Querkomponente der präzedierenden Magnetisierung mittels Induktion nachgewiesen.

Das nachgewiesene Signal ist proportional zur präzedierenden Magnetisierung M , welche ihrerseits wieder zum magnetischen Grundfeld B und zur Präzessionsfrequenz to proportional ist.

Für ein gutes Signal-zu-Rauschverhältnis ist also ein möglichst hohes Gleichfeld B und damit auch eine mög liehst hohe Meßfrequenz erwünscht. Dem steht die endliche Leitfähigkeit des zu untersuchenden Körpers, für die medizinische Anwendung also diejenige eines biologischen Körpers, entgegen. Wegen des bekannten Skin-Effektes variiert nämlich das die Kernresonanz anregende Hochfrequenzfeld über den Querschnitt des Meßobjektes. Damit ist nicht mehr gewährleistet, daß der Präzessionswinkel für die angeregten Kernspins über den Körperquerschnitt annähernd konstant ist. Außerdem werden die Signalbeiträge aus den Randzonen und den Innenzonen des zu untersuchenden Körpers un-

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-S-

- VPA 79 P 5133 BRD terschiedlich stark nachgewiesen. In einer Abschätzung von Bottomley und Andrew (7) wird gezeigt, daß bildgebende Kernresonanzverfahren für die medizinisch diagnostische Ganzkörperdarstellung bei Frequenzen oberhalb 10 MHz (bei Protonen entsprechend Gleichfeldern größer 0,25 T) durch den Skineffekt ernsthaft beeinträchtigt werden. Daraus ist aber nach Hoult und Lauterbur (8) vorauszusehen, daß bei den zulässigen Meßfrequenzen Bilder mit ausreichendem Signal zu Rauschverhältnissen Aufnahmezeiten erfordern, die im Bereich von Minuten liegen; besonders für Anwendungen in der medizinischen Diagnostik wären aber wegen unvermeidlicher Körperbewegungen kürzere Aufnahmezeiten wünschenswert.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein wesentliches Anheben des Signal zu Rauschverhältnisses zu erreichen, so daß auch die zum Anfertigen von medizinisch relevanten Bildern benötigte Meßzeit verkürzt werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen g'elöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die Anwendung des "schnellen adiabatischen Übergangs" zur Inversion der Kernmagnetisierung in Hauptfeldrichtung B und die gleichzeitige Bestimmung dieser Magnetisierungsänderung durch einen Längsfelddetektor (induktionsspule oder Josephsondetektor, Squid) wird eine räumliche Darstellung der kernmagnetischen Resonanz (NMR) von ausgedehnten Objekten (Ganzkörper-Zeugmatografie) auch bei wesentlich höheren Gleichfeldstärken als bisher möglich. Das Signal zu Rauschverhältnis kann dadurch erhöht und die Meßzeit verkürzt werden, so daß der Einsatz des Verfahrens für

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VPA 79 P 5133 BRD die medizinische Diagnostik verbessert wird. Als Einzelversuch bei einem nicht räumlich auflösenden magnetischen Kernresonanzexperiment an Wasser und Lithiumfluorid berichtet E.P.Day (9) von dem Nachweis des schnellen adiabatischen Resonanzdurchgangs mit einem Detektor, der auf die Längskomponente der Kernmagnetisierung anspricht und mit einem Josephson-Kontakt-Magnetometer (Squid) arbeitet.

Bei dieser Nachweismethode ist die Signalamplitude proportional dem Doppelten der Kerngleichgewichtsmagnetisierung und in weiten Grenzen unabhängig von der Hochfrequenzleistung. Es ist lediglich die Bedingung

zu erfüllen, wobei B₁ die Hochfrequenz-Amplitude, T₁ die Längsrelaxationszeit des Kernspinsystems, Λ, Β die Grundfeldinhomogenität und —g^— die Geschwindigkeit bedeutet, mit der die Frequenz des Hochfrequenzfeldes verändert wird.

Vorliegend soll ein ortsauflösender Nachweis der Kernmagnetisierung M in ausgedehnten Objekten durchgeführt werden, indem die Kernmagnetisierung nacheinander an verschiedenen Orten durch schnellen adiabatischen Resonanzdurchgang invertiert wird.

Die lokale Anregung erfolgt wie bei den von der Zeugmatografie her bekannten Verfahren durch Anwendung von Gradientenfeldern (dB_Q/dr, wobei r für einen Ortsvektor - im allgemeinen senkrecht zum Grundfeld - steht).

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VPA 79 P 5133 BRD Das lokal bewirkte Umklappen der Kernmagnetisierung von +M —» -M würde man am besten mit einem Josephson-Magnetometer (Squid) messen. Bei entsprechend rascher Folge der Resonanzdurchgänge kann auch eine Induktionsspule als Detektor benutzt werden. Sie ist aber gegenüber einem Squid weniger effektiv, weil das induzierte Signal mit relativ kleiner Frequenz anfällt und deshalb noch verstärkt werden muß. Niederfrequenzverstärker zeigen zudem ein relativ großes Eigenrauschen. Da für die in Frage kommenden Gleichfeldstärken B von etwa 1 bis 10 Tesla vorteilhafterweise wegen der sonst großen Verlustleistung supraleitende Magnetspulen verwendet werden sollten, bietet sich die Anwendung des supraleitenden Squid-Detektors wegen des geringeren Eigenrauschens besonders an.

Für einen zweidimensionalen Fall sähe die Vorgehensweise zur Erstellung eines Bildes der Kernspindichte etwa folgendermaßen aus:
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Mit einem supraleitenden Magneten mit Raumtemperaturzugang wird ein Gleichfeld B in dem mit NMR darzustellenden Körper erzeugt.

Diesem Gleichfeld B wird quer zur Richtung dieses Feldes B ein linearer Feldgradient G = dB_Q/dr überlagert, welcher schrittweise um einen Winkel y von mindestens 180° um die Feldrichtung B gedreht werden kann.

Für jeden Winkelschritt wird die Anregungsfrequenz über das gesamte aus der Feldstärkeverteilung über den darzustellenden Körperabschnitt resultierende Kernresonanzspektrum variiert und zeitsynchron die Änderung der Längsmagnetisierung registriert. Bei

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VPA 79 P 5133 BRD jeder Gradienteneinstellung erhält man so eine Projektion der Kernspindichte (bzw. eine Aneinanderreihung von Linienintegralen über die Kernspindichte). Aus der Gesamtheit dieser Projektionen läßt sich mit der aus der Computer-Tomographie (CT) bekannten Methode ein Bild der Spindichte rekonstruieren (eine entsprechende Beschreibung befindet sich z.B. bei Schwierz et al. (13)).

Statt eine Frequenz über das gesamte Kernresonanz-Spektrum zu variieren, kann man auch mehrere, gleichmäßig über das Spektrum verteilte Anregungsfrequenzen über die Teil-Spektren variieren. Zur Unterscheidung der Übergangssignale aus verschiedenen Spektralbereichen (Magnetfeldintervallen) müssen die verschiedenen Anregungsfrequenzen mit verschiedenen Modulationsfrequenzen beaufschlagt -werden (Frequenzmodulation). Als Vorteil dieser Vielfachfrequenzmodulation ergibt sich insbesondere, daß man bei Anregung mit η verschiedenen Frequenzen in derselben Zeit die η-fachen Signalamplituden aufnimmt und damit eine Signal zu Rausch-Verbesserung um den Faktor ]flP erhält.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele weiter erläutert.

In der Fig. 1 ist eine Apparatur zur Anregung

schneller, adiabatischer Resonanzdurchgänge und gleichzeitiger Auf

nahme der Kernlängsmagnetisierung, sowie zur Weiterverarbeitung dieser Signale mit dem Ziel, eine Ortsauflösung zu erzielen, in einem Blockschaltbild gezeichnet,

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- / - VPA 79 P 5133 BRD

in den Fig. 2 bis 4 an einem Probenkörper die Aufnahme von Projektionen,

in der Fig. 5 die Auftragung der Frequenzänderung im Verlauf der Meßzeit,

in der Fig. 6 die Änderung des Winkels y im Verlauf der Meßzeit,

in der Fig. 7 die Veränderung des Flusses in

Abhängigkeit von der Meßzeit und

in der Fig. 8 die Veränderung des Flusses pro

Zeiteinheit über die Meßzeit. 15

In der Fig. 1 sind mit 21 und 21' die Feldspulen eines Magneten in Helmholtz-Anordnung bezeichnet, der das benötigte homogene Grundfeld in der zu untersuchenden Probe erzeugt. Mit 22 und 23 sind Gradientenspulen bezeichnet zur Erzeugung unabhängiger, zueinander senkrechter Magnetfeldgradienten G„ und G_. Ein wei-

y ^z

terer Gradientenspulensatz erzeugt einen Feldgradienten G senkrecht zu dem, der durch 22 und 23 bewirkt wird und ist in der Abbildung der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.

In einem Gehäuse 24 befindet sich eine an sich bekannte Elektronik zur Stromversorgung und sukzessiven Drehung der Feldgradienten G. Mit 25 ist eine Elektronik bezeichnet zur Erzeugung und Modulation von Hochfrequenz. Diese wird der Sendespule 26 zugeführt, die das zur Anregung des schnellen adiabatischen Resonanzdurchgangs der Kernspins nötige Hochfrequenzfeld erzeugt. Dieses steht senkrecht auf dem Grundfeld. 28 bezeichnet eine Aufnähmespule, welche Ände-

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VPA 79 P 5133 BRD rungen der Magnetisierung parallel zum Grundfeld nachweist. Diese Spule kann supraleitend sein und mit einem Squid-Detektor 29 verbunden sein. Im Gehäuse 27 befindet sich dann die Elektronik zur Aufnahme des Squidsignals. Das Heliumbad zur Kühlung der supraleitenden Nachweisspule 28 und des Squids 29 ist der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet. 28 kann aber auch eine normale Induktionsspule (supra- oder normalleitend) sein, deren Signal in einem üblichen elektronischen Verstärker weiterverarbeitet wird; dieser ist der Übersichtlichkeit halber nicht gezeichnet. Aus Ausgang 30 von 27 steht dann ein Signal zur Verfügung, das nach Weiterverarbeitung im Computer zur bildlichen Darstellung der Spindichte verwendet werden kann.

In der Fig. 2 ist mit 29 ein zu untersuchender, zur Bildebene planparalleler Probekörper bezeichnet, in welchem ein Grundfeld B senkrecht zur Bildebene erzeugt ist, dem ein Feldgradient in Richtung eines Pfeiles 30 überlagert ist und der, wie durch gestrichelte Linien 31 bis 33 angedeutet, sukzessive senkrecht zum Feldgradienten abgetastet werden soll. Über den Bereich fc χ soll die Spindichte konstant sein.

In der Fig. 3 ist gemäß der Andeutung durch einen Pfeil 34 der überlagerte Feldgradient um einen Winkel γ gedreht. Die durch gestrichelte Linien 35 bis 39 angedeutete Abtastung ist dann ebenfalls in Richtung der Drehung des Pfeiles 34 gegenüber dem Pfeil 30 im Hinblick auf die gestrichelten Linien 31 bis 32 gekippt.

In der Fig. 4 ist, wie durch einen Pfeil 40 angedeutet, der Winkel γ>·, um den der Feldgradient G gedreht ist, größer als in Fig. 3.

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- -fT- VPA 79 P 5133 BRD

In der Fig. 5 ist in einem Diagramm schematisch der Durchlauf der Frequenzen der Anregungshochfrequenz von der Minimal frequenz U) _.,_ bis **}„,„,, gegen die

UiXZl HIcLX

auf der Abszisse aufgetragene Zeit in ein Diagramm eingetragen. Der Frequenzhub ^_max ~ ^ min *^s^ ^^a~ bei gegeben durch die Gleichung

max min ~ Y *

wobei D der Durchmesser des Meßobjekts bedeutet und G die Stärke des Feldgradienten. Die Mittenfrequenz ist durch das Grundfeld entsprechend

gegeben. Dabei zeigt die sich in dem Diagramm ergebende Linie 41 einen Anstieg von der Minimalfrequenz bis zur Maximalfrequenz, die an der gestrichelten Linie endet. Beim Rücklauf wird die Linie 42 geknickt und läuft bezüglich der Ordinate in gleichem Winkel, in dem sie vorher anstieg, wieder nach unten usw.

Im gleichen Verlauf wie bei Fig. 5 ist in Fig. 6 in Richtung der Ordinate der Winkel *ft aufgetragen, um den der Feldgradient, der durch die Pfeile 30, 34 und 40 angedeutet ist, in Abhängigkeit von der Zeit gedreht wird. Die Linie 43 zeigt dabei die Größe von im Verlauf der Meßzeit an.

In der Fig. 7 ist der Fluß ψ , wie er vom Längsfelddetektor der Kernresonanzapparatur aufgenommen wird, in der Ordinate gegen die Zeit in der Abszisse aufgetragen, wobei ebenfalls das Auftrageschema demjenigen der Fig. 5 entspricht. Es ergibt sich eine Linie 44, die bis zum Erreichen der gestrichelten Linie 42, d.h.

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-MIT- VPA 79 P 5133 BRD

bis zur Umkehr des Anstiegs der Frequenz, einen sich zum Erreichen des Maximums hin abflachenden Anstieg zeigt, der dann einen zunehmend steiler werdenden Abfall aufweist und entsprechend beim erneuten Anstieg der Frequenz wieder ansteigt.

Die Auftragung der Ableitung des Flusses d ψ /dt nach der Zeit gegen die Zeit t ergibt entsprechend der Linie 45 eine Projektion des Körpers 29 auf die Richtung des Feldgradienten. Dabei ist die Figur in einer Abtastung, d.h. während der Zeitdauer Δ Y » bezüglich des Diagramms positiv, d.h. während des Anstiegs des Frequenzdurchgangs. Während des anschließenden Abfalls des Frequenzdurchgangs ist die Abbildung negativ. Die Kurve 45 entspricht dem Spannungssignal, welches in einer Induktionsspule (in Fig. 1: 28 ohne Squid-Detektor) induziert wird.

Wie erwähnt, bietet eine Apparatur zur ortsauflösenden Kernresonanz, die nach der Erfindung statt wie üblich die präzedierende Quermagnetisierung die Kernmagnetisierung mittels des schnellen adiabatischen Resonanzdurchgangs invertiert und die quasistatische Längsmagnetisierung nachweist, Vorteile bezüglich des Signals zu Rauschverhältnisses. Es soll deshalb im folgenden das Signal zu Rauschverhältnis für beide Verfahren abgeschätzt werden sowie ein Vergleich der zur Erstellung eines vollständigen Bildes benötigten Meßzeit durchgeführt werden.
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Bei der Aufnahme eines schnellen adiabatischen Resonanzdurchgangs dreht man das effektive Magnetfeld B--im rotierenden Koordinatensystem

(G. 1) B_eff = I/ (B₀ - O/ ^)² ₊ B₁ ²

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VPA 79 P 5133 BRD

B = Grundfeld

B₁ ss Hochfrequenzfeld mit der Kreisfrequenz O \l· = gyromagnetisches Verhältnis der abzubildenden

Kerne
5

von der Richtung parallel zum Grundfeld antiparallel zum Grundfeld und invertiert dadurch die Kernmagnetisierung. Das kann entweder durch Verändern des Grundfeldes (B ) oder durch Verändern der Frequenz ( U ) des B₁-Feldes geschehen. Voraussetzung ist in jedem Fall, daß der Resonanzdurchgang so langsam erfolgt, daß die Magnetisierung M dem effektiven Feld folgen kann

(Gl. 2) d ω /dt = ^ dB₀/dt »

und so schnell erfolgt, daß während des Resonanzdurchgangs keine Relaxation erfolgt

(Gl. 3) dtf/dt m }fdB₀/dt « AO/T-, = γ ^^B _o/T

( ΔO ss y. A B_Q: inhomogene Linienbreite) (T₁ = Längsrelaxationszeit).

Figuren 2 bis 8 zeigen, wie ein Zeugmatografieexperiment ablaufen kann: Dem Grundfeld B wird ein linearer Gradient (G) überlagert; man macht einen schnellen Resonanzdurchgang, wobei entweder die Längsmagnetisierung mittels Squid oder die Änderung der Längsmagnetisierung mittels Induktionsspule als Funktion der Zeit (d.h. von B oder u> ) aufgenommen wird; danach wird der Gradient G um einen Winkel y gedreht, die Z-Magnetisierung (M ) durch einen schnellen Resonanzdurchgang zurückgeklappt, wieder der Gradient gedreht usw. Aus einer Vielzahl derart gemessener Projektionen kann man ein Bild der Probenmagnetisierung rekonstruieren.

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VPA 79 P 5133 BRD Die Längskomponente (M ) (bezogen auf die Gesamtmagnetisierung) der Kernmagnetisierung ist gegeben durch

(Gl. 4) M, =

Verändert man mit der Zeit t die Frequenz (O des HF-Feldes gemäß

(Gl. 5) U> = äC t,

kann M als Funktion der Zeit beobachtet werden, wobei entsprechend Gl. 2 Voraussetzung ist, daß

(Gl. 2a) Oi «( ^B₁)²,

damit die Kernmagnetisierung dem effektiven Feld folgen kann. Diese Ungleichung ist gemäß R.A.Webb (10) erfüllt, wenn
20

(Gl. 2b) 3,5 U £ ( y. B₁)².

Die Ableitung dM /dt als Funktion der Zeit stellt eine Kernresonanzlinie dar mit der (vollen) Halbwertsbreite

(Gl. 6) L^/p = 1,532 —r—.

welche somit von HF-Feld und Sweepgeschwindigkeit abhängt. Bei Berücksichtigung der adiabatischen Bedingung (Gl. 2) wird

(Gl. 6a) At_i/2 > 3/f?

Um zwei Linien noch trennen zu können, müssen diese zeitlich um Λ "t-i/o verschoben sein, also einen Frequenzabstand haben von

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VPA 79 P 5133 BRD (Gl. 7) ^

Bekanntlich erreicht man bei der Zeugmatografie eine Ortsauflösung dadurch, daß man räumlich getrennten Volumenelementen (Pixeln) über einen Feldgradienten verschiedene Bereiche eines Spektrums zuordnet.

Bei Aufnahmen einer Projektion mit einer Anzahl von N Meßwerten entspricht die Meßobjektdimension D = N · d (d = Pixelgröße) einer Frequenzaufspaltung Jl. = y-GD (G = Feldgradient), für die gelten muß (Gl.7)

(Gl. 7a) JI = N Δ O _i/2 > 3. N

Für die Meßzeit einer Projektion t = Si/<< ergibt sich also

(Gl. 8) t¹ > _Of_,

Κ" °^D

so daß für ein Meßobjekt von D = 50 cm folgt

t¹ 2

^8a) -iic- ⁶⁷>³ * ¹⁰"⁶

^G/m

Bei einem in der Zeugmatografie üblichen Feldgradienten von 1^m /m braucht man für eine Projektion mit 100 Meßwerten mindestens 0,7 see; das entspricht einer Hubgeschwindigkeit oC = 200 · 10^D 1/sec =r 30 kHz/sec. Aus Gleichung (2a) ergibt sich ein erforderliches Hochfrequenzfeld von B₁ ^ 0,03 Gauß.

Zeugmatografie mit dem adiabatischen, schnellen Resonanzdurchgang bei Nachweis der Längsmagnetisierung wird vorgeschlagen, um trotz Skineffekt den Empfind-

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VPA 79 P 5133 BRD lichkeitsvorteil hoher Grundfelder ausnutzen zu können. Bottomley und Andrew (7) geben an, daß die Hochfrequenzfeldstärke über ein biologisches Objekt von 40 cm 0 bei einer Frequenz von 50 MHz bis zu 33 % variieren kann. Entsprechend Gleichung (6) bedeutet das, daß die "Trennschärfe" zweier Pixel im Gebiet des stärkeren HF-Feldes (also am Rande) geringer ist, was dann durch dreimal längere Meßzeit,als oben abgeschätzt,ausgeglichen werden muß.

Da der Nachweis der Längsmagnetisierung also wohl bei sehr niedriger Frequenz (Gl, 8a) stattfinden wird, kann man, um das Niederfrequenzrauschen der elektronischen Verstärkerelemente (Schrot- und Funkelrauschen) zu vermeiden, als Nachweiselement ein Squid in Verbindung mit He-gekühlten Nachweisspulen einsetzen. Nachgewiesen wird dann der von der Probe ausgehende Induktionsfluß

(Gl. 9) 0 ·= MB*

B = Geometriefaktor der Nachweisspule,

Feld pro Einheitsstrom M = magnetisches Moment der Probe

= m O

m = magnetisches Moment pro Kreisfre

quenz .

Dieses "Nutzsignal" muß verglichen werden mit dem Rauschfluß, der vom Meßobjekt in die Nachweisspule eingekoppelt wird. Die wesentliche Rauschquelle bei der Kernresonanz an lebenden Objekten ist die Brown'sehe Molekularbewegung der Ionen in der Probe: Hoult und Lauterbur (8) schätzen für den äquivalenten Rauschwiderstand R.. der Empfangsspule ab:

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- η-

VPA 79 P 5133 BRD (Gl. 10) R_äq = T- W²

( 1- » Rauschkonstante)

was für das Squid einem Rauschfluß W^ von '

(Gl. 11) «C ·» V⁴ kTr Af'

(f = Nachweisbandbreite = /t*)

(k = BoItzmannkonstante)

(T = Temperatur)
10

entspricht.

Als S/R-Verhältnis £ bei Nachweis der Längsmagnetisierung (bezogen auf ein Pixel) folgt schließlich bei Aufnahme einer Projektion

Die Squid-Rauschzahl Ρ_σΛ1 ergibt sich zu

sq

1^ f' _ Rauschleistung von Spule und Squid ■^>} sq ~ Rauschleistung von Spule allein

^{kTr A}£ ⁺ /r² (Squid)

*<■ kTr Δ ^f

Für das Eigenrauschen eines Squid gilt (10).

φ _r & 10"⁴ φ₀ x y Λ f/Hz,' jf₀ = 2,07 x 10"¹⁵ Vsec und ein typischer Wert für die Rauschkonstante einer Ganzkörperspule ist (2 T )²r = 1,875 · 10"¹⁵H/Hz² (Hoult und Lauterbur (8) ); für die Rauschzahl folgt dann F = 1,05 = 0,23 dB.

Im Vergleich zum Nachweis der Längsmagnetisierung folgt bei Nachweis der Quermagnetisierung nach 90°-

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VPA 79 P 5133 BRD Anregung für das S/R-Verhältnis £ bei Aufnahme einer Projektion

y¹

N ψ 4 kTr

(F = Rauschzahl der Nachweisapparatur).

Im Falle des Nachweises der Quermagnetisierung ist man im Signal zu Rauschverhältnis bei gleichem Feld und gleicher Nachweiszeit vorerst um den Faktor l/ Nbesser, auch kann man mit Rauschzahlen F £ 1 rechnen (0,3 dB, siehe Hoult (11)), doch ist man wegen des Skineffektes auf Frequenzen unterhalb 10 MHz begrenzt.

Der Faktor ^TI, um den der Längsmagnetisierungsnachweis noch schlechter ist als der der Quermagnetisierung, liegt darin begründet, daß im ersteren Falle nicht alle Kerne gleichzeitig beobachtet werden können (Einkanaldetektion) wie im letzteren (Vielkanal~).

Diesem Nachteil kann man dadurch begegnen, daß man, statt eine Frequenz voll über das gesamte durch den Gradienten aufgespaltene Band zu sweepen, mehrere Einzelfrequenzen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten über einzelne Teilbereiche fährt. Durch Diskrimination des Kernresonanzsignals nach den entsprechenden Sweepgeschwindigkeiten können dann die Signalbeiträge den einzelnen Teilbereichen zugeordnet werden. Sollen auf diese Weise N Meßwerte pro Projektion gewonnen werden, muß die Probe angeregt werden mit N Frequenzen im Abstand Δ(»> = y^Gd, wobei die Zeit zum Durchfahren des Frequenzintervalls Ät*5 nicht kürzer sein darf als

^t > 9/aO (Gl.8). Mit der ersten Anregungsfrequenz würde man dann N-mal die erste Teilmagnetisierung umklappen (in der Zeit N · Lt), mit der zweiten

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VPA 79 P 5133 BRD (N-I)mal die zweite usw. Das beobachtete Signal setzt sich aus der Summe aller Teilmagnetisierungen zusammen, eine Fouriertransformation diskriminiert die einzelnen Komponenten entsprechend den jeweiligen Durchfahrzeiten. Auf diese Art verbessert sich das S/R-Verhältnis um den Faktor ^ N,' die Gesamtmeßzeit bleibt jedoch dieselbe wie bei monochromatischer Anregung.

Strahlt man nur η ^ N Frequenzen ein, unterscheiden sich Zeugmatografie mit Nachweis der Längsmagnetisierung und konventionell mit Nachweis der Quermagnetisierung im S/R-Verhältnis um den Faktor

(Gl. 15) -rr- =
^6q

N: Zahl der Meßwerte je Projektion n: Zahl der gleichzeitig eingestrahlten Frequenzen.

Bei Nachweis der Längsmagnetisierung kann man jedoch ohne Beeinträchtigung durch Skineffekt zu hohen Magnetfeldern gehen und damit das S/R-Verhältnis verbessern.

Bisher wurde nur die untere Grenze für die Meßzeit einer Projektion 'aufgrund der Linienbreite abgeschätzt. Eine obere Grenze ist durch die Bedingung gegeben, daß während des adiabatischen Resonanzdurchgangs eines Volumenelements keine Relaxation erfolgen darf (Gl. 3); für die Meßzeit pro Pixel muß also gelten

(Gl. 16) |- « T₁

N = Zahl der Meßwerte pro Projektion T₁= Längsrelaxationszeit (bei Protonen in biologischer Materie 0_}1 - 1 see).

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-VSr- VPA 79 P 5133 BRD

Im Falle der monochromatischen Anregung läßt sich diese Bedingung bei einem Gradienten von 1 mT/m und 100 Meßwerten pro Projektion leicht erfüllen (0,7 sec/100 « 0,5 see), bei voller Ausnutzung der Vorteile der Multifrequenzmodulation muß man jedoch mit 100 verschiedenen Durchfahrzeiten arbeiten, wobei die langsamste gerade t (0,7 see) dauert. Damit Gleichung 16 erfüllt bleibt, muß man also mit der Meßzeit um eine Größenordnung heruntergehen und wegen Gleichung 8 mit dem Gradienten um eine Größenordnung herauf.

Man könnte dann eine Projektion in etwa 50 msec aufnehmen. Zur Rekonstruktion eines Bildes benötigt man jedoch einen vollständigen Satz von Projektionen. Mißt man eine Anzahl von L Projektionen unmittelbar aufeinanderfolgend, so hat die Magnetisierung M nach der Zeit L · t₁ den Wert

(Gl. 17) t^ 2t₁ 3t₁ Lt₁

M(IZt₁ )=M₀ [i - 2(e" T₁ - e " f^~ + e" T^~-+e~T^~ )]

angenommen. Diese Abnahme der Magnetisierung verfälscht natürlich die im Bild wiedergegebenen Spindichten; man kann deshalb nicht beliebig viele Projektionen unmittelbar hintereinander aufnehmen, sondern muß zwischendurch warten, bis das Kernspinsystem wieder ins thermische Gleichgewicht gelangt.

Geht man davon aus, daß bei Verwendung der beschriebenen multispektralen Anregung die Aufnahme von zwei Projektionen unmittelbar nacheinander erfolgt, so werden alle spektralen Bereiche geradzahlig häufig invertiert. Ohne Berücksichtigung der Relaxation wäre also die Ausgangsmagnetisierung gerade wieder eingestellt. Tatsächlich beträgt die Magnetisierung gemäß Gleichung 17 nur 82 % des Ausgangswertes (t₁ = 50 msec,T₁ =0,5sec).

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VPA 79 P 5133 BRD Es ist deshalb nötig, nach je zwei Projektionen eine gewisse Zeit t zu warten, in der sich die Magnetisierung wieder dem thermischen Gleichgewicht nähert. Soll die Magnetisierung den Wert M erreichen, so erhält man für diese Wartezeit

1- M (L · t.)M_n

(Gl. 18) t_v =

ν - "1 *"· 1- Μ_ν/Μ₀

Geht man davon aus, daß die Magnetisierung wieder 99 % des Gleichgewichtswertes erreichen soll, so muß eine Wartezeit t £i 1,4 see verstreichen. In ungefähr 75sec kann man somit ein Bild mit 100 Projektionen aufnehmen.

Alle bisher angestellten Überlegungen bezogen sich auf die Darstellung eines zweidimensionalen Objektes. Um aus einem dreidimensionalen Objekt eine interessierende Schicht herauszugreifen, könnte man Hochfrequenz-Spulen konstruieren, die ihr Feld auf eine schmale Ebene beschränken. Es wäre auch möglich, durch kontinuierliche HF-Einstrahlung alle Spins außerhalb der interessierenden Ebene zu sättigen. Dieser Weg wird z.B. von Hoult (12) vorgeschlagen.

Man kann sich aber auch darauf beschränken, Projektionsbilder analog üblicher Röntgenaufnahmen zu erstellen, die ein Schattenbild darstellen und alle in Durchstrahlungsrichtung hintereinanderliegenden Meßgrößen enthalten. Schließlich könnte man auch zu dreidimensionaler Rekonstruktion übergehen, indem man den Feldgradienten nicht nur um die Achse des Grundfeldes rotiert, sondern auch senkrecht dazu.

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Claims

VPA 79 P 5133 BRD Patentansprüche

1. Verfahren zur Zeugmatografie, g e k e η η zeichnet durch Inversion der Kernmagnetisierung in Richtung des Hauptfeldes mittels schnellen adiabatischen Resonanzdurchgangs und gleichzeitiger Detektion der Magnetisierungsänderung durch einen Längsfelddetektor.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet , daß zum ortsauflösenden Nachweis der Kernmagnetisierung in ausgedehnten Körpern

a) im zu untersuchenden Körper ein magnetisches Gleichfeld B_Q erzeugt wird,

b) quer zu B ein linearer Feldgradient dB /dr überlagert wird, der schrittweise um mindestens 180 um die Richtung des Feldes B gedreht werden kann,

c) daß dann durch Frequenzvariation des anregenden Hochfrequenzfeldes B₁ im zu untersuchenden Objekt schnelle, adiabatische Resonanzdurchgänge angeregt werden,

d) daß die Änderung der Kernlängsmagnetisierung synchron mit der Frequenzvariation des Hochfrequenzfeldes nachgewiesen wird,

e) woraus sich eine Projektion der Kernspindichte senkrecht zum überlagerten Feldgradienten ableiten läßt,

f) daß durch sukzessive Drehung des Feldgradienten eine Vielzahl von Projektionen gemessen wird,

g) daß aus all diesen Projektionen entsprechend den bekannten Methoden aus der Computer-Tomographie ein Bild der Kernspindichte erstellt wird.

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ORIGINAL INSPECTED

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3. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichzeitigen Anregung einer Vielzahl von schnellen adiabatischen Übergängen gleichzeitig mehrere Frequenzen eingestrahlt werden, die zur Unterscheidung der verschiedenen örtlichen Bereiche mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen beaufschlagt sind.

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