DE68927832T2

DE68927832T2 - Verfahren zur ermittlung von magnetischen resonanzsignalen

Info

Publication number: DE68927832T2
Application number: DE68927832T
Authority: DE
Inventors: Jacques Briand; Laurence Hall
Original assignee: British Technology Group Ltd
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1988-11-29
Filing date: 1989-11-29
Publication date: 1997-06-19
Anticipated expiration: 2009-11-30
Also published as: GB2225640A; JPH04501967A; JP2941054B2; EP0446263A1; CA2004007A1; CA2004007C; DE68927832D1; US5049820A; WO1990006524A1; GB8926973D0; GB2225640B; GB8827833D0; EP0446263B1

Description

Diese Erfindung betrifft Verfahren zur Ermittlung von magnetischen Resonanzsignalen und bezieht sich auf das Erhalten von Signalen aus ausgewählten Bereichen eines Objekts. Die Erfindung findet in der NMR-Spektroskopie und der NMR-Bilderzeügung Anwendung.
Die veröffentlichte internationale Patentanmeldung Nr. WO-A1-8706700 (UNIVERSITY OF QUEENSLAND) beschreibt ein Verfahren für volumenselektive NMR-Spektroskopie, bei dem ein RF-Impuls mit selektiver Bandbreite (in Anwesenheit eines einem anfänglichen homogenen Magnetfeld überlagerten Feldgradienten) eine Scheibe mit Magnetisierung in die transversale Ebene rotiert. Nachfolgend wird ein Refokussierimpuls hoher Leistung dazu verwendet, die "Phasenrolle", die den RF-Impuls begleitet, zu refokussieren. Nach einer geeigneten Zeit wird die Magnetisierung zurück zu der Achse des homogenen Magnetfeldes gepulst und der Gradient bricht zusammen. Ein Leseimpuls wird dazu verwendet, die interessierende Magnetisierung zur Ermittlung in Abwesenheit angelegter Gradienten in die transversale Ebene zu kippen.
In einem Artikel in Journal of Magnetic Resonance Nr. 67 (1986), Seiten 148-155 wird von Luyten et al. ein als SPARS bezeichnetes volumenselektives Bilderzeugungsverfahren beschrieben.
Die Patentanmeldung Nr. GB-A-2122753 (GEC PLC), Vereinigtes Königreich, beschreibt ein weiteres verwandtes volumenselektives Anregungsverfahren.
Das Patent US-A-4480228 (General Electric), Vereinigte Staaten, beschreibt ein Verfahren, das sich von dem Verfahren nach Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung darin unterscheidet, daß in Schritt 1 eine Sättigung außerhalb der ausgewählten Scheibe mittels eines selektiven 90º-RF-Impulses mit Frequenzkomponenten erreicht wird, die so gewählt sind, daß sie die gesamte Probe außer dem gewählten Scheibenvolumen in Anwesenheit eines gepulsten Magnetfeldgradienten, der für einige Millisekunden eingeschaltet bleibt, nachdem der 90º-Impuls endet, bestrahlen, um das außerhalb der Scheibe entstehende NMR-Signal rasch außer Phase zu bringen.
Das Patent US-A-4531094 (Oxford Research Systems Limited), Vereinigte Staaten, beschreibt ein Verfahren zur Erreichung selektiver Sättigung unter Verwendung von zwei RF- Impulsen, von denen der erste RF-Impuls im wesentlichen alle Kerne in einem Probenvolumen sättigt; die Sättigung wird durch eine zweiten Wiederherstellungsimpuls, der dazu geeignet ist, in dem Bereich der ausgewählten Scheibe die Wirkung des Sättigungsimpulses umzukehren, selektiv gemacht.
Gemäß der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Erhalten eines magnetischen Kernresonanzsignals aus einem Bereich eines Objekts das einem statischen Magnetfeld Aussetzen des Objekts und das Ausführen der folgenden Schritte:
1)a) Anlegen eines RF-selektiven 90º-Impulses in Anwesenheit eines ersten Gradientenmagnetfeldes, um so die Magnetisierung in einer Scheibe in eine Ebene senkrecht zu der Richtung des statischen Magnetfeldes zu klappen;
b) Anlegen eines nichtselektiven RF-180º-Impulses in Abwesenheit eines Gradientenmagnetfeldes und separates Anlegen eines Gradientenmagnetfeldes, um die Magnetisierung in der Scheibe zu refokussieren;
c) Anlegen eines RF-nichtselektiven 90º-Impulses in Abwesenheit eines Gradientenmagnetfeldes, um so die refokussierte Magnetisierung der Kerne in der Scheibe entlang einer Richtung parallel zu der Richtung des statischen Magnetfeldes umzuklappen;
2) in Anwesenheit eines zweiten Gradientenmagnetfeldes mit einem in einer im allgemeinen zu der Gradientenrichtung des ersten Gradientenmagnetfeldes orthogonalen Richtung verlaufenden Gradienten Anlegen eines RF-selektiven 90º-Impulses, um die Magnetisierung aus einem durch die Überschneidung der vorher genannten Scheibe und einer zu der Gradientenrichtung des zweiten Gradientenmagnetfeldes orthogonalen Scheibe definierten Streifen in eine Ebene senkrecht zu der Richtung des statischen Magnetfeldes zu kippen; und
3) in Anwesenheit eines dritten Gradientenmagnetfeldes mit einer im allgemeinen zu den Gradientenrichtungen sowohl des ersten als auch des zweiten Gradientenmagnetfeldes orthogonal verlaufenden Gradientenrichtung Anlegen eines RF-Signals, um die Spins von Kernen in einem durch die Überschneidung des Streifens und einer zu der Gradientenrichtung des dritten Gradientenmagnetfeldes orthogonalen Scheibe definierten Bereich zu refokussieren, so daß das sich ergebende freie Induktions-Echosignal allein aus dem Bereich stammt.
Die die Erfindung verkörpernden Impulsfolgen umfassen drei aufeinanderfolgende Schritte oder Module. Jeder Schritt enthält einen scheibenselektiven RF-Impuls und liefert eine räumliche Auswahl in einer jeweiligen zu einer der drei orthogonalen Richtungen senkrechten Ebene. Der kumulierte Effekt ruft ein kohärentes NMR-Signal hervor, das ausschließlich aus dem Bereich an der Überschneidung der drei orthogonalen Ebenen stammt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nun auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen.
Figur 1 ist eine Impulsfolge, auf die als für das Verständnis der Erfindung nützliches Beispiel Bezug genommen wird,
Figur 2 zeigt zwei orthogonale Querschnitte eines aus drei in ein Wasserbad getauchten Kugeln bestehenden Objekts, wobei der Querschnitt A in der Z-Ebene liegt und der Querschnitt B in der X-Ebene liegt,
Figur 3A zeigt ein Protonenspektrum des Objekts, erhalten mit einem harten 90º-RF-Impuls,
Figur 3B-3D zeigen eine Folge von Spektren unterschiedlicher interessierender Bereiche des Objekts, die mit jeder der drei Kugeln zusammenfallen,
Figur 4 ist eine die Erfindung verkörpernde Impulsfolge,
Figur 5 zeigt bei (a) bis (e) Darstellungen der Magnetisierungen verschiedener Bereiche (numeriert von 1 bis 8) eines Objekts in verschiedenen Stadien der Impulsfolge von Figur 4,
Figur 6 zeigt bei A, B und C verschiedene Teilimpulsfolgen, die bei der Einrichtung der vollständigen Impulsfolge D nützlich sind, und
Figur 7 zeigt bei A, B, C und D ein zylindrisches Objekt und Bilder von nacheinander kleineren Bereichen von diesem.
Der erste Schritt der Impulsfolge von Figur 1, die keine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, umfaßt eine Folge aus einem nichtselektiven 90º-RF-Impuls, der die Spins ausgewählter Kerne (gewöhnlich Protonen) im gesamten Objekt in eine transversale Richtung kippt, gefolgt von einem selektiven 90º-Impuls, der in Anwesenheit eines Gradientenmagnetfeldes Gz mit einem Gradienten in der z-Richtung angelegt wird. Dieser kippt die Spins in einer Scheibe in der xy-Ebene zurück in die Längsrichtung. Die Position der Scheibe wird durch die Frequenz des selektiven Impulses und die Größe des z-Gradientenfeldes bestimmt. Unmittelbar danach wird ein starker z-Gradientenmagnetfeldimpuls Gz' angelegt, der die anderswo erzeugte Quermagnetisierung inkohärent außer Phase bringt.
Eine alternative Form des oben beschriebenen ersten Schritts, die ebenfalls keine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, besteht darin, daß nach dem nichtselektiven 90º-RF-Impuls ein z-Gradientenmagnetfeldimpuls gefolgt von einem nichtselektiven 180º-RF-Impuls vor dem selektiven 90º-RF-Impuls in Anwesenheit eines z-Gradientenmagnetfeldes angelegt werden. Die zeitliche Reihenfolge des Magnetfeldimpulses und des nichtselektiven 180º-Impulses kann umgekehrt werden, in diesem Fall verläuft der Gradientenmagnetfeldimpuls in der entgegengesetzten Richtung.
In einer Alternative zum ersten Schritt gemäß der vorliegenden Erfindung wird zuerst ein selektiver 90º-RF-Impuls angelegt und dann eine Folge aus einem nichtselektiven 180º- Impuls, einem refokussierenden z-Gradientenmagnetfeldimpuls und einem nichtselektiven 90º-Impuls. Der z-Gradientenmagnetfeldimpuls kann vor dem 180º-RF-Impuls angelegt werden, er verläuft in diesem Fall in der entgegengesetzten Richtung.
Der zweite Schritt besteht aus dem Anlegen eines selektiven 90º-Impulses in Anwesenheit eines Gradientenmagnetfeldes Gy mit einem Gradienten in der y-Richtung. Dies klappt die invertierte Magnetisierung in einem Streifen, der sich an der Überschneidung der oben definierten Scheibe und einer orthogonalen Scheibe in der xz-Ebene befindet, in die transversale Ebene. In diesem Stadium wird die Magnetisierung außerhalb des Streifens hinsichtlich der z- und y-Gradientenmagnetfelder außer Phase gebracht, während die Magnetisierung in dem Streifen nur hinsichtlich des y-Gradienten außer Phase gebracht wird.
Der dritte Schritt besteht im Anlegen eines selektiven 180º-RF-Impulses in Anwesenheit eines x-Gradientenmagnetfeldes. Dies refokussiert einen Bereich in dem Streifen, der an der Überschneidung des Streifens und einer Scheibe in der yz-Ebene liegt, hinsichtlich des y-Gradienten selektiv. Die Quermagnetisierung dieses Bereichs wird deshalb wiederhergestellt und es ist dieser Bereich, der das ausgewählte interessierende Volumen ausmacht. Es kann auch ein y-Gradientenmagnetfeldimpuls angelegt werden, um die Spins hinsichtlich des y-Gradienten wieder in Phase zu bringen. Die angelegten selektiven 90º- und 180º-RF-Impulse können so geformt werden, daß sie jede geeignete Form haben, zum Beispiel die Form eines sin² x oder sinc x.
Dann wird das freie Induktionssignal vom Objekt ermittelt und wird nur aus dem ausgewählten Bereich abgeleitet sein. Die Position des ausgewählten Bereichs kann durch Ändern der in den drei unterschiedlichen Schritten angelegten jeweiligen Trägerfrequenzen und/oder der Größen der Gradientenfelder leicht zu unterschiedlichen Positionen bewegt werden.
Ein Beispiel für die mit Bezug auf Figur 1 beschriebene Impulsfolge wurde an eine in Figur 2 bei A und B gezeigte Probenanordnung angelegt, die aus einem Satz von drei mit 1, 2 und 3 bezeichneten Kugeln besteht, die in ein zylindrisches, mit Wasser gefülltes Bad eingetaucht waren, wobei das Wasser mit Manganchlorid dotiert war, was eine Spin-Gitter- Relaxationszeit T&sub1; von annähernd 160 ms ergab. Das dotierte Wasser wurde nur zur Vereinfachung verwendet, ähnliche Ergebnisse können mit reinem Wasser erhalten werden. Die drei Kugeln waren entlang einer Achse in einem Winkel von 45º zu den drei orthogonalen Achsen x, y und z ausgerichtet und waren jeweils mit Zyklohexan, Ethanol und Benzol gefüllt.
Die erhaltenen Ergebnisse sind in Figur 3 gezeigt. Figur 3A zeigt das Protonenspektrum der gesamten Probenanordnung, erhalten nur mit einem harten 90º-Impuls und ohne Anwendung der Impulsfolge von Figur 1. Der Impuls hatte eine Breite von 67 µs. Es wird ersichtlich werden, daß das breite Spektrum der Wasserresonanz annähernd 400 mal größer als das von jeder Kugel ausgehende Signal ist.
Figur 3B bis D zeigen jeweils die durch Auswahl der Position jeder jeweiligen Kugel 1, 2 und 3 als ausgewähltes interessierendes Volumen erhaltene räumliche Unterscheidung. Diese wurden unter identischen Bedingungen verarbeitet und mit demselben Skalierungsfaktor aufgetragen. Die Spektren des Zyklohexan von Kugel 1 in Figur 3B und des Benzol in Figur 3D sind etwas breiter als das Spektrum von Ethanol in Figur 3C.
Die durch das obige Verfahren erzielten Vorteile bestehen darin, daß es möglich ist, durch eine einzelne Erfassung hochauflösende NMR-Signale aus einem ausgewählten Bereich zu erhalten. Das auf den lokalisierten Bereich wirkende Ausmaß an RF-Anregung minimiert außerdem den Verlust an Auflösung und Signalintensität, der sich andernfalls aus den kumulativen Effekten von Magnetfeldinhomogenitäten und ungeeigneten selektiven Pulsen sowohl für 90º als auch für 180º ergeben haben könnte. Das Verfahren erlaubt entsprechend eine leichte Einstellung des Orts und der Größe des interessierenden Bereichs, ohne eine Neuabstimmung des Magnetsystems nötig zu machen.
Das obige Verfahren kann einfach dahingehend erweitert werden, daß es das Erhalten eines Bildes des ausgewählten Bereichs ermöglicht. Zu diesem Zweck können zwischen den mit Bezug auf Figur 1 beschriebenen Schritten zusätzliche Schritte eingefügt werden. Zwischen dem zweiten und dem dritten Schritt kann ein phasencodierendes Gradientenmagnetfeld angelegt werden und das freie Induktionssignal kann in Anwesenheit eines Gradientenmagnetfeldes mit einer zu dem phasencodierenden Gradienten orthogonalen Gradientenrichtung erfaßt werden.
Durch Kombination bekannter NMR-Impulsfolgen mit dem hier beschriebenen Verfahren kann aus dem interessierenden Bereich ein weiter Bereich von NMR-Informationen erhalten werden. Um eine Messung von T&sub1; (Spin-Gitter-Relaxationszeit) zu erhalten, kann somit ein anfänglicher nichtselektiver 180º-RF-Impuls angelegt werden, nach einer geeigneten zeitlichen Verzögerung gefolgt von der Folge von Figur 1. Für Messungen von T&sub2; (Spin-Spin-Relaxationszeit) kann der Folge von Figur 1 die bekannte Carr-Purcell-Meiboom-Gill-Impulsfolge vorangehen. Für Diffusionsmessungen wird eine Anfangsfolge von 90º-τ-180º-τ angelegt (worin τ eine Verzögerungszeit darstellt), wobei in den τ-Intervallen Gradientenmagnetfeldimpulse angelegt werden.
Figur 4 ist ein schematisches Diagramm einer alternativen Impulsfolge. Ein einfacher und nützlicher Weg zum Verständnis der Lokalisierungseigenschaften dieser Folge ist, die Entwicklung der Magnetisierüng aus unterschiedlichen Teilen des Objekts in Zwischenstadien während der Zeit der Impulsfolge im "rotating frame" darzustellen. Diese Darstellungen sind in Fig. 5(a) bis (e) mit Bezug auf verschiedene, mit 1 bis 8 numerierte Bereiche des Objekts zu verschiedenen Zeiten dargestellt.
Der anfängliche, in Anwesenheit eines x-Gradientenmagnetfeldes angelegte scheibenselektive (90º)x Anregungsimpuls klappt wie in Figur 5(a) gezeigt die Längsmagnetisierung aus einer zu einer ersten orthogonalen Richtung senkrechten ausgewählten Scheibe in die transversale Ebene um. Diese Quermagnetisierung, deren Komponenten durch den scheibenselektiven Impuls teilweise außer Phase gebracht werden, wird dann wie in Figur 5(b) gezeigt durch einen nichtselektiven (180º)y Impuls gefolgt von einem x-Gradientenmagnetfeldimpuls mit einer Dauer, die ausreicht, um die Quermagnetisierungskomponenten wieder in Phase zu bringen, refokussiert. An diesem Punkt wird ein nichtselektiver (90º)x Impuls angelegt, der die refokussierte Magnetisierung aus der vorher definierten Scheibe aus der transversalen Ebene zur Längsachse entlang der z-Richtung umklappt. Die Wirkung dieses Impulses besteht auch darin, die Längsmagnetisierung von außerhalb der Scheibe in die transversale Ebene zu rotieren. Dann wird ein starker x-Gradientenmagnetfeldimpuls angelegt, um diese Quermagnetisierung zu zerstören.
Die Gesamtwirkung dieses ersten Moduls, das als Inversionsmodul bezeichnet wird, ist somit, daß die Längsmagnetisierung der ausgewählten Scheibe (Bereich 2) erhalten und invertiert wird und die anderswo (Bereich 1) erzeugte Quermagnetisierung wie in Figur 5(c) gezeigt inkohärent außer Phase gebracht wird.
Das zweite Modul besteht nur aus einem in Anwesenheit eines y-Gradientenmagnetfeldipulses angelegten scheibenselektiven (90º)x Anregungsimpuls, der eine Scheibe senkrecht zu der zweiten orthogonalen Richtung auswählt. Dieses Modul wurde als das Anregungsmodul bezeichnet, da seine Wirkung darin besteht, die Längsmagnetisierung, die sich an der Überschneidung der beiden bisher definierten orthogonalen Scheiben befindet, in die transversale Ebene umzuklappen. Beim Anlegen des zweiten Moduls können vier unterschiedliche Bereiche mit einem spezifischen Magnetisierungszustand unterschieden werden. Diese Bereiche sind in Figur 5(d) dargestellt. Bereich 1 wird durch den scheibenselektiven Impuls des zweiten Moduls nicht beeinflußt. Er wird jedoch durch den während des scheibenselektiven Impulses angelegten zweiten orthogonalen Feldgradientenimpuls weiter inkohärent außer Phase gebracht. Bereich 2 ist der verbleibende Teil der Scheibe, die durch das erste Modul unterschieden wurde, da er jedoch durch das zweite Modul nicht beeinflußt wird, bleibt sein Magnetisierungszustand derselbe. Bereich 3 entspricht dem Teil der Probe, der durch das erste Modul inkohärent außer Phase gebracht wurde und der nun auch durch das zweite Modul beeinflußt wird. Die Wirkung des zweiten Moduls auf die Magnetisierung dieses Bereichs besteht darin, daß die vorher außer Phase gebrachten Spins in der xy-Ebene in die xz-Ebene rotiert werden. Außerdem wird jede Magnetisierungskomponente auch zu Unterkomponenten um die z-Achse außer Phase gebracht. Bereich 4 entspricht schließlich den beiden sich überschneidenden Scheiben. Der scheibenselektive Impuls des zweiten Moduls hat jedoch die Magnetisierung hinsichtlich des zweiten oder orthogonalen y-Feldgradienten teilweise außer Phase gebracht.
Falls ein Segment des Bereichs 4 nun durch Anlegen eines frequenzselektiven 180º-Impulses in Anwesenheit eines dritten oder orthogonalen z-Feldgradienten gefolgt von einem y-Feldgradientenimpuls geeigneter Dauer hinsichtlich des zweiten orthogonalen Feldgradienten selektiv refokussiert wird, kann die Quermagnetisierung in diesem Segment wiederhergestellt werden; dieses Segment bildet das ausgewählte interessierende Volumen. Dieses selektive refokussierende Modul, das wir als Refokussiermodul bezeichnet haben, bildet das dritte Modul der Folge. Es wählt somit eine zu den zwei zuvor definierten Scheiben orthogonale Scheibe aus und refokussiert diejenige Magnetisierung, die sich an der Überschneidung der drei orthogonalen Scheiben befindet. Die Magnetisierungszustände aus den unterschiedlichen Teilen der Scheibe, die durch das dritte Modul beeinflußt wurden, sind in Figur (5e) dargestellt. Bereich 5 entspricht dem Teil von Bereich 1 in (d), der hinsichtlich des zweiten orthogonalen Feldgradienten teilweise refokussiert wird. Das er jedoch vorher auch hinsichtlich des ersten orthogonalen Feldgradienten außer Phase gebracht wurde, bleibt die Quermagnetisierung inkohärent außer Phase und induziert somit während des Detektionszeitraums kein kohärentes Signal. Die Magnetisierung von Bereich 6, die einem Teil von Bereich 2 in Figur 5(d) entspricht, verbleibt entlang der Längsachse, da die Wirkung des dritten Moduls einfach darin besteht, die Längsmagnetisierung wieder zu invertieren. Da sie keine kohärenten Quermagnetisierungskomponenten besitzt, erzeugt sie folglich kein detektierbares Signal. Bereich 7 entspricht einem Teil von Bereich 3 in Figur 5(d), wobei die Wirkung des dritten Moduls darin besteht, die Unterkomponenten der Magnetisierung hinsichtlich des zweiten orthogonalen Feldgradienten in die xz-Ebene zu refokussieren. Da alle Magnetisierungskomponenten in der xz-Ebene außer Phase sind, ist keine Netto-Quermagnetisierung vorhanden und falls während des Detektionszeitraums keine refokussierenden Mechanismen auftreten, erzeugt sie kein Signal. Bereich 8 entspricht schließlich dem interessierenden Volumen (VOL) und da die Quermagnetisierung hinsichtlich des zweiten orthogonalen Feldgradienten refokussiert ist, verursacht sie ein detektierbares Signal. Die gesamte Folge aus den drei Modulen, bestehend aus dem Inversionsmodul, dem Anregungsmodul und dem Refokussiermodul kann als VOISINER bezeichnet werden.
In der Voisiner-Folge gibt es mehrere experimentelle Parameter, die eingestellt werden müssen, um auf das interessierende Volumen zu fokussieren und ihre Leistungsfähigkeit zu optimieren. Eine einfache Art der Beschreibung dieser Parameter besteht darin, sie in zwei allgemeine Kategorien aufzuteilen: diejenigen, die mit der Position, der Größe und der Form des interessierenden Volumens zu tun haben; und diejenigen, die mit der Optimierung der gestellten Aufgabe zu tun haben, die jedes Modul erfüllen muß.
Die erste Gruppe beinhaltet die Impulslänge und die Trägerfrequenz der scheibenselektiven Impulse und die Stärken der während der scheibenselektiven Impulse angelegten Feldgradienten. Sie sind in Figur 6A-C dargestellt und im folgenden aufgelistet:
P&sub1; Impulslänge des im ersten Modul von VOISINER verwendeten scheibenselektiven 90º-Impulses.
P&sub2; Impulslänge des im zweiten Modul von VOISINER verwendeten scheibenselektiven 90º-Impulses.
P&sub3; Impulslänge des im dritten Modul von VOISINER verwendeten scheibenselektiven 180º-Impulses.
fx RF-Frequenz des scheibenselektiven Impulses, der in Anwesenheit des x-Feldgradienten angelegt wird.
fy RF-Frequenz des scheibenselektiven Impulses, der in Anwesenheit des y-Feldgradienten angelegt wird.
fz RF-Frequenz des scheibenselektiven Impulses, der in Anwesenheit des z-Feldgradienten angelegt wird.
Gsx Stärke des während des scheibenselektiven Impulses des ersten Moduls angelegten x-Feldgradienten.
Gsy Stärke des während des scheibenselektiven Impulses des zweiten Moduls angelegten y-Feldgradienten.
Gsz Stärke des während des scheibenselektiven Impulses des dritten Moduls angelegten z-Feldgradienten.
Durch Bestimmen der Trägerfrequenzen (fx, fy, fz) der scheibenselektiven Impulse mit den folgenden Gleichungen kann auf den Ort des VOL mit den Koordinaten (x, y, z) fokussiert werden:
fx = (ω&sub0;+γGsxx)/2π
fy = (ω&sub0;+γGsxy)/2π
fz = (ω&sub0;+γGszz)/2π
Das interessierende Volumen, dessen Abmessungen (Δx, Δy, Δz) der Scheibendicke der drei orthogonalen scheibenselektiven Impulse entsprechen, kann durch Verändern der Impulslänge der scheibenselektiven Impulse und der Stärken der während der Scheibenauswahl angelegten Feldgradienten gemäß den folgenden Beziehungen auf die gewünschte Größe eingestellt werden:
Δ 1/P&sub1;Gsx, Δy 1/P&sub2;Gsy, Δz 1/P&sub3;Gsz
Diese Beziehungen geben nur die Abhängigkeit der Scheibendicke von der Impulslänge und der Stärke des Feldgradienten an. Eine präzise Bestimmung der Dicke erfordert jedoch eine sorgfältige Analyse der zum Modulieren der Amplitude des scheibenselektiven Impulses eingesetzten Wellenform. Interessant zu erwähnen ist hier, daß das empfindliche Volumen in den meisten Fällen eine kubische Form besitzt. Die allgemeinste Form des empfindlichen Volumens ist jedoch ein Parallelepiped; die drei Scheiben müssen nicht orthogonal zueinander stehen, solange es einen Bereich gibt, in dem sie sich alle schneiden.
Die zweite Gruppe beinhaltet die verschiedenen Zeitintervalle und Zeitverzögerungen, die in unterschiedlichen Stadien der VOISINER-Folge dazu verwendet werden, zu refokussieren und außer Phase zu bringen. Sie enthalten auch Anstiegs- und Abfall-Zeitverzögerungen von Feldgradienten, die eingeführt werden, um ein Überlappen orthogonaler Feldgradienten während der scheibenselektiven Einstrahlung zu vermeiden und um das Magnetfeld vor der Datenerfassung zu stabilisieren. Sie sind in Figur 6A-D dargestellt und im folgenden aufgelistet:
TE&sub1; Zeitintervall, das der Zeit entspricht, die zwischen der Mitte des scheibenselektiven Impulses des ersten Moduls und der Spitze des Echos, das unmittelbar vor dem Anlegen des nichtselektiven 90º-Impulses auftritt, vergangen ist.
TE&sub2; Zeitintervall, das der Zeit entspricht, die zwischen der Mitte des scheibenselektiven Impulses des zweiten Moduls und der Spitze des Echos, das beim Anlegen des scheibenselektiven Refokussiermoduls gebildet wird, vergangen ist.
Tr Zeitintervall nach dem Anlegen des nichtselektiven 90º- Impulses des ersten Moduls, jedoch vor dem Anlegen des scheibenselektiven Impulses des zweiten Moduls. Während dieses Zeitintervalls kann ein starker Feldgradientenimpuls angelegt werden, um die Quermagnetisierung inkohärent außer Phase zu bringen und außerdem kann die Magnetisierung durch T&sub1;-Relaxation teilweise in das thermische Gleichgewicht kommen.
D&sub1; Zeitintervall, das der Zeitdauer des Feldgradientenimpulses entspricht, der notig ist, um die Quermagnetisierungskomponenten zu refokussieren, die durch den scheibenselektiven Impuls des ersten Moduls außer Phase gebracht wurden.
D&sub2; Zeitintervall, das der Zeitdauer des Feldgradientenimpulses entspricht, der nötig ist, um die Quermagnetisierungskomponenten zu refokussieren, die durch den scheibenselektiven Impuls des zweiten Moduls außer Phase gebracht wurden.
D&sub3; Zeitintervall, das dem selektiven refokussierenden Impuls des dritten Moduls vorausgeht und währenddessen die Spins hinsichtlich des während des scheibenselektiven Refokussierimpulses angelegten Feldgradienten außer Phase geraten. Dieses außer Phase bringen zerstört Quermagnetisierung, die durch den scheibenselektiven Refokussierimpuls refokussiert werden kann oder nicht. Es stellt sicher, daß Quermagnetisierung, die nicht durch den Refokussierimpuls beeinflußt wird, während des selektiven Impulses nicht bestehen bleibt und während der Datenerfassung ein unerwünschtes Signal erzeugt.
D&sub4; Zeitintervall nach dem scheibenselektiven Refokussierimpuls, das der Zeitdauer des Feldgradientenimpulses entspricht, der nötig ist, um die Quermagnetisierung zu refokussieren, die während des Zeitintervalls D&sub3; außer Phase gebracht wurde.
Dr Zeitverzögerung, die ermöglicht, daß der Feldgradient ansteigt und sich auf einem bestimmten Wert stabilisiert.
Df Zeitverzögerung, die ermöglicht, daß der Feldgradient fällt und sich auf einem Nullwert stabilisiert.
Ds Zeitverzögerung zwischen der VOISINER-Folge und der Datenerfassung. Diese Verzögerung kann von durch die gepulsten Feldgradienten induzierten Wirbelströmen im Kryostaten verursachte Signalverzerrungen reduzieren.
Die Aufgabe der Einstellung der oben beschriebenen Parameter erfordert zur Optimierung der Leistungsfähigkeit von VOISINER Sorgfalt. In der Praxis ist eine vollständige Einstellung wegen der Anzahl der Variablen zeitaufwendig. Um alle Parameter von VOISINER gleichzeitig einzustellen, ist ein effizienter und systematischer Ansatz wünschenswert.
Ein wirkungsvoller Ansatz besteht darin, mit einigen wenigen Parametern zu beginnen und bis zur vollständigen Implementierung der VOISINER-Folge schrittweise weitere einzubeziehen. Vor Verwendung der vollständigen Folge ist es deshalb wünschenswert, Zwischenschritte zu implementieren, in denen jedes Modul unabhängig von den anderen Modulen eingestellt wird. Das von uns vorgeschlagene experimentelle Protokoll ist in Figur 6A-C dargestellt. Die Impulsfolge von Figur 6A beinhaltet das Refokussiermodul von VOISINER. Diese Folge kann als ein zweidimensionales Verfahren zur Scheibenabbildung betrachtet werden, bei dem die Scheibe durch den Refokussierimpuls ausgewählt wird. Die Parameter, die eingestellt werden können, sind P&sub3;, TE&sub2;, D&sub3;, D&sub4;, fz und Gsx. Sind diese Parameter eingestellt, besteht die zweite Stufe darin, das zweite Modul von VOISINER in die Folge einzubeziehen und den anfänglichen nichtselektiven 90º-Impuls durch den scheibenselektiven 90º-Impuls des zweiten Moduls zu ersetzen; dies führt zu der in Figur 6B dargestellten Impulsfolge; nun können die folgenden Parameter eingestellt werden: P&sub2;, D&sub2;, fy und Gsy. Die dritte Stufe besteht schließlich aus der Einbeziehung des ersten Moduls von VOISINER in die Folge von Figur 6B; dies führt zu Figur 6C, die die vollständige VOISINER-Folge darstellt; nun kann der folgende Parametersatz eingestellt werden: P&sub1; TE&sub1;, D&sub1;, fx, T&sub1; und Gsx.
Der Grund für die Einbeziehung einiger phasencodierender und frequenzcodierender Feldgradienten in die Impulsfolgen des Protokolls besteht darin, daß der räumliche Lokalisierungsprozeß in Zwischenstadien direkt abgebildet werden kann. Es ist somit einfacher, die Effizienz des Lokalisierungsprozesses zu steuern und in der Praxis bequemer für die Optimierung der Signalintensität des Echos während der abschließenden Einstellungen der Refokussierungszeitverzögerungen D&sub4;, D&sub2; und D&sub1;.
Zur Veranschaulichung dieses Protokolls ist es instruktiv, ein Experiment zu betrachten, bei dem eine Lokalisierung auf einen Bereich innerhalb eines größeren Objekts stattfindet. Das Modellsystem ist in Figur 7 dargestellt und besteht aus einem zylindrischen Bad (Innendurchmesser 4 cm, Länge 4 cm), gefüllt mit Wasser. Ein zweidimensionales Bild dieses Systems ist in Figur 7A dargestellt.
Die Wirkung des scheibenselektiven Refokussierimpulses von Figur 6A ist in Figur 7 dargestellt; das erste Bild wurde durch Verwendung des z-Feldgradienten als phasencodierenden Gradienten erhalten und dient zur Darstellung der Effizienz der mit einem selektiven Refokussierimpuls erhaltenen Scheibenselektion, der Scheibendicke und ihres Orts entlang der z-Achse, der durch die Trägerfrequenz fz eingestellt wurde. Dieselbe Scheibe ist im zweiten Bild in Figur 7B gezeigt, dieses Mal ist jedoch der y-Feldgradient der phasencodierende Gradient, wie es durch die Impulsfolge von Figur 6A vorgesehen ist. In der Praxis sind die Zeitverzögerungen D&sub3; und D&sub4; wie in Figur 6A vorgesehen nicht gleich und diese Diskrepanz nimmt mit längeren Anstiegs- und Abfallzeiten des Feldgradienten zu. Dies ist leicht zu erklären, indem betrachtet wird, daß der Winkel, unter dem außer Phase gebracht wird, proportional zu der "Fläche unter der Kurve" ist und somit die Fläche unter den Anteilen von Anstiegs- und Abfallzeit dieser Verzögerungen berücksichtigt werden muß. Das zweite Zwischenstadium ist in Figur 7C dargestellt und wurde durch die Impulsfolge von Figur 6B erhalten; das nun erhaltene Bild zeigt die Effizienz der Scheibenselektion, die Scheibendicke und ihren Ort entlang der y-Achse. Im dritten Stadium wird schließlich das erste Modul eingestellt und Figur 7D zeigt seine Wirkung entlang der x-Achse; dieses Bild wurde durch Verwendung der Abbildungsversion der VOISINER-Folge (Fig. 6C) erhalten. Sind alle Parameter eingestellt, besteht der nächste Schritt, falls hochauflösende NMR-Messungen benötigt werden, darin, die phasen- und frequenzcodierenden Gradienten zu entfernen und die hochauflösende Version von VOISINER zu verwenden, die in Figur 4 oder Figur 6D dargestellt ist. Die Verwendung der Zeitverzögerungen Dr, Df und Ds ist in Figur D vorgesehen; sie sollten in einem ersten Versuch konservative Werte erhalten, um sicherzustellen, daß sie keine Scheibenselektion und Verzerrungen der Feldhomogenität verursachen.
Die Entwicklung des oben beschriebenen VOISINER-Verfahrens zum Erhalt räumlich lokalisierter NMR wurde hauptsächlich durch drei Entwurfsziele geleitet: (1) der Ort des interessierenden Volumens, seine Größe und, bis zu einem gewissen Maß, seine Form sollten leicht zu verändern sein, ohne eine erneute Abstimmung des Magnetsystems nötig zu machen; (2) das Verfahren sollte grundsätzlich in der Lage sein, in einer einzelnen Erfassung ein räumlich lokalisiertes Signal zu liefern und somit dynamische Reichweitenprobleme vermeiden, die durch den Bedarf nach Differenzierung starker unerwünschter Signale verursacht werden, und auch die Zeit zu verkürzen, die notig ist, um die Homogenität des Magnetfeldes für das interessierende Volumen zu optimieren; (3) die Anzahl von RF-Impulsen in der Folge sollte minimiert werden, um das Ausmaß an eingebrachter RF-Leistung und den Verlust an Auflösung und Signalintensität zu verringern, der aus den kumulativen Effekten von aus den RF-Impulsen entstehenden Unvollkommenheiten resultieren könnte.
Die VOISINER-Folge aus Feldgradienten und Radiofrequenzimpulsen (interessierendes Volumen durch selektive Inversion, Anregung und Refokussierung) beruht auf der Verwendung frequenzselektiver Impulse in Anwesenheit gepulster Feldgradienten. Ein derartiger Ansatz hat den bedeutenden Vorteil, daß er eine durch Gradienten gesteuerte Lokalisierung in allen drei Dimensionen durch einfaches Verändern der Trägerfrequenzen der scheibenselektiven Impulse gestattet.

Claims

1. Verfahren zum Erhalten eines magnetischen Kernresonanzsignals aus einem Bereich eines Objekts bestehend aus einem statischen Magnetfeld Aussetzen des Objekts und Ausführen der folgenden Schritte:

1)a) Anlegen eines RF-selektiven 90º-Impulses in Anwesenheit eines ersten Gradientenmagnetfeldes, um so die Magnetisierung in einer Scheibe in eine Ebene senkrecht zu der Richtung des statischen Magnetfeldes umzuklappen;

b) Anlegen eines nichtselektiven RF-180º-Impulses in Abwesenheit eines Gradientenmagnetfeldes und separates Anlegen eines Gradientenmagnetfeldes, um die Magnetisierung in der Scheibe neu zu fokussieren;

c) Anlegen eines RF-nichtselektiven 90º-Impulses in Abwesenheit eines Gradientenmagnetfeldes, um so die neu fokussierte Magnetisierung der Kerne in der Scheibe entlang einer Richtung parallel zu der Richtung des statischen Magnetfeldes umzuklappen;

2) in Anwesenheit eines zweiten Gradientenmagnetfeldes mit einem in einer im allgemeinen zur Gradientenrichtung des ersten Gradientenmagnetfeldes orthogonalen Richtung verlaufenden Gradienten Anlegen eines RF-selektiven 90º-Impulses, um die Magnetisierung aus einem durch die Überschneidung der vorher genannten Scheibe und einer zu der Gradientenrichtung des zweiten Gradientenmagnetfeldes orthogonalen Scheibe definierten Streifen in eine Ebene senkrecht zu der Richtung des statischen Magnetfeldes zu kippen; und

3) in Anwesenheit eines dritten Gradientenmagnetfeldes mit einer im allgemeinen zu den Gradientenrichtungen sowohl des ersten als auch des zweiten Gradientenmagnetfeldes orthogonal verlaufenden Gradientenrichtung Anlegen eines RF-Signals, um die Spins von Kernen in einem durch die Überschneidung des Streifens und einer zu der Gradientenrichtung des dritten Gradientenmagnetfeldes orthogonalen Scheibe definierten Bereich neu zu fokussieren, so daß das sich ergebende freie Induktions-Echosignal allein aus dem Bereich stammt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nach den Unterschritten a) bis c) ein Unterschritt d) angewendet wird, der einen Magnetfeldgradientenimpuls mit einem Gradienten in der Richtung des Gradienten des ersten Gradientenmagnetfeldes beinhaltet, der ausreicht, um die Magnetisierung außerhalb der Scheibe zu zerstören.

3. Verfahren nach jedem der vorangehenden Ansprüche, bei dem Schritt 3) das Anlegen eines RF-selektiven 180º-Impulses in Anwesenheit des dritten Gradientenmagnetfeldes gefolgt von einem Gradientenmagnetfeldimpuls mit einem Gradienten in der Gradientenrichtung des zweiten Gradientenmagnetfeldes mit einer Dauer, die ausreicht, um die Magnetisierung in dem interessierenden Bereich neu zu fokussieren, umfaßt.

4. Verfahren nach jedem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zwischen Schritt 2) und Schritt 3) ein phasencodierender Magnetfeldgradient orthogonal zu der Gradientenrichtung des ersten Gradientenmagnetfeldes eingefügt wird und das freie Induktionssignal in Anwesenheit eines Magnetfeldgradienten in der Gradientenrichtung des ersten Gradientenmagnetfeldes ermittelt wird, so daß das Signal Bildinformation über den Bereich enthält.