DE3539256A1

DE3539256A1 - Verfahren zur aufzeichnung der kernmagnetischen eigenschaften eines zu untersuchenden objektes

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Publication number: DE3539256A1
Application number: DE19853539256
Authority: DE
Inventors: Raimo Helsinki Sepponen
Original assignee: Instrumentarium Oyj
Current assignee: Philips Medical Systems MR Technologies Finland Oy
Priority date: 1984-11-21
Filing date: 1985-11-06
Publication date: 1986-05-22
Anticipated expiration: 2005-11-07
Also published as: GB2167564A; JPS61130863A; FI75428B; GB2167564B; FI75428C; FI844561L; JPH0576298B2; DE3539256C2; US4799015A; GB8528021D0; FI844561A0

Description

- 10 - J₄ ι ■ :(1£ 348)

Verfahren zur Aufzeichnung der kernmagnetischen Eigenschaften eines zu untersuchenden Objektes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufzeichnung der kernmagnetischen Eigenschaften eines zu untersuchenden Objektes gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.

Die Existenz des nuklearmagnetischen Resonanzphänomens (NMR-Phänomen) wurde experimentell 1946 festgestellt durch zwei Forschungsgruppen (Pound, Puvell, Torrey und Block, Hansen, Packard). Diese Entdeckung führte schnell zu einer breiten Anwendung des Phänomens im Bereich- der Physik und der organischen Chemie.

Alle Kerne mit ungeraden Zahlen von Protonen und Neutronen haben, ein Impulsmoment oder ein "Spin", der unterschiedlich zu 0 ist. Außerdem haben die Kerne eine positiv elektrische Ladung, die zusammen mit dem Spin der Kerne für den Kern ein magnetisches Moment erzeugen, dessen Richtung mit der Spinachse des Kernes zusammenfällt. Ein Feld, erzeugt vom magnetischen Moment eines Kernes kann vom Feld eines magnetischen Dipoles angenähert werden. Falls ein Muster, das eine Mehrzahl von Kernen enthält, in einem statischen magnetischen Feld plaziert wird, neigen die magnetischen Momente eines Kernes dazu, sich parallel auszurichten, und das Muster wird dadurch mit einer Netzmagnetisierung parallel zum äußeren Magnetfeld

versehen. Die Größenordnung der Netzmagnetisierung ist proportional der Zahl der Kerne im Muster und der Stärke des äußeren Magnetfeldes. Die Orientierung der Kerne wird von der thermischen Bewegung der Kerne gestört, und auf diese Weise wird die Größenordnung der Magnetisierung auch von der Temperatur des Musters beeinflußt. Wenn die Temperatur anwächst, nimmt die Magnetisierung ab. Quantenmechanisch ausgedrückt, kann dieser Vorgang derart beschrieben werden, daß ein äußeres Magnetfeld eine Anzahl von Energieniveaus in Abhängigkeit von der Spinquantennummer (I) eines Kernes erzeugt, auf welchen Niveaus sich ein Kern mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit niederläßt. Der Kern eines Wasserstoffatomes oder Protons hat eine Spinquantenzahl I = 1/2, so daß sich ein Proton auf zwei Energieniveaus einstellen kann, entweder derart, daß die Richtung seines magnetischen Momentes die gleiche ist wie die des äußeren Magnetfeldes oder entgegengesetzt. Von diesen zwei ist die erstgenannte wahrscheinlich und die Besetzungsverhältnisse der Energieniveaus gehen konform mit der sogenannten Boltzmannschen Verteilung.

Um sich von einem Energieniveau zu einem anderen zu bewegen, nimmt ein Kern entweder ein Energiequantum auf oder gibt eines ab und zwar in Form elektromagnetischer Strahlung mit einer bestimmten Frequenz. Die Strahlungsfrequenz ist bestimmt durch die Differenz zwischen den Energieniveaus, die direkt proportional ist der Stärke eines äußeren Magnetfeldes. Diese Frequenz, die mit einem Energie-

austausch verbunden ist, wird als sogenannte Lamor-Frequenz bezeichnet und der Energieaustausch zwischen einem Kern und seiner Umgebung wird als kernmagnetisches Resonanzphänomen bezeichnet. Die Prinzipien der kernmagnetischen Räsonanz sind behandelt worden bspw. in: Abragam A.; The Principles of Nuclear Magnetism. London Oxford University Press., 1961 and Slichter C.P.; Principles of Magnetic Resonance, Berlin, Springer Verlag, 1981.

Das kernmagnetische Resonanzphänomen ist anhand von sogenannter kontinuierlicher Strahlungs(CW continuous Wave) und Pulsverfahren untersucht worden. Die Pulsverfahren sind dabei als effektiver befunden worden als die CW-Verfahren und werden demgemäß in der MR-Spektroskopie und bei der sogenannten Kernspindarstellung angewendet.

Bei den Pulsverfahren wird ein Untersuchungsmuster einem elektromagnetischen Puls der Lamor-Frequenz unterworfen, dessen Dauer derart determiniert wird, daß die Kernmagnetisierung eines Musters durch einen gewünschten Winkel

θ relativ zur Richtung eines äußeren magnetischen Feldes spint. Die Amplitude und die Dauer eines elektromagnetischen Pulses werden im allgemeinen derart ausgewählt, daß θ ein Mehrfaches von 90° ist. Im allgemeinen werden Terms von 90°-und 180°-Pulsen usw. benutzt. Die Netzmagnetisierung M , die von der Richtung des Basis-

magnetfeldes B nach der Wirkung der Erregung abgelenkt wird, präzidiert bei Lamor-Frequenz W um die Richtung von B . Dies kann durch die Anordnung einer Spule außerhalb eines Musters derart bewirkt werden, daß deren magnetische Achse orthogonal zur Richtung von P steht. Die präzidierte Netzmagnetisierung induziert in der Spule ein sogenanntes FID-Signal (free induction decay), das Lamor-Frequenz hat und dessen Amplitude proportional der Stärke der Kernmagnetisierung eines Musters ist oder der Zahl der Kerne und der Stärke eines äußeren Magnetfeldes.

Die Pulsverfahren in Verbindung mit kernmagnetischen Resonanztests sind in folgenden Druckschriften beschrieben worden:

Farrar T.C, Becker E.D.; Pulse and Fourier Transform NMR - Introduction to Theory and Methods. New York, Academic Press, 1971 and Ernst R.R., Anderson W.A.; Application of Fourier Spectroscopy to Magnetic Resonance, Rev Sei Instrum, Vol. 37, No 1, 1966.

Während der Erregung erhält ein Kernsystem äußere Energie von einem erregenden Radiofrequenzfeld und gibt diese Energie nach der Erregung an seine Umgebung ab. Die Abgabe von Energie kann als kohärente Strahlung erscheinen, die durch eine äußere Spule dedektiert werden kann, oder die Energie kann in Form thermischer Bewegung in die Struktur eines Musters transferiert werden. In Verbindung mit der Abgabe von Energie kehrt die Netzmagnetisierung eines

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Musters auf ihren Ruhewert zurück. Die Natur dieses Prozesses ist exponential und wird durch eine Entspannungszeit T₁ charakterisiert. Diese Entspannungszeit hängt von der Zusammensetzung einer zu prüfenden Substanz ab, bspw. ist bei flüssigen Substanzen T₁ relativ kurz (von Millisekunden) während T₁ bei Feststoffsubstanzen lang ist (Minuten bis Wochen). Die Kohärenz der Strahlung, die von einem Muster ausgeht, nimmt nach der Erregung mit einer Rate ab, die bspw. durch die Eigenschaften einer zu prüfenden Substanz und durch die Homogenität eines äußeren Magnetfeldes bestimmt ist. Dies führt zu einem exponentiellen Abklingen eines Signals mit einer Rate, charakterisiert durch eine Entspannungszeit T_ox (T, asterisk).

worin T₂ die spin-spin-Entspannungszeit eines Musters ist,

ein gyromagnetisches Verhältnis

Λ B die Inhomogenität einer polarisierten Magnetisierung über einem Muster.

Die Entspannungszeit T₁^ repräsentiert die Entspannung einer Kernmagnetisierung in einem erregenden Radiofrequenzfeld B₁ und kann gemessen werden, indem man ein Muster; einer verlängerten Larmor- Frequenz strahlung unterwirft,, so daß die Phase eines Radio-Frequenzfeldes gleich oder entgegengesetzt ist der Phase der präzidierten Kernmagnetisierung.

Alle die obenerwähnten Entspannungszeiten hängen von der unmittelbaren Umgebung des Kernes und seiner Aktivität ab. Wie oben erwähnt, wirkt sich der physikalische Zustand eines Musters auf die Entspannungszeiten aus aber auch auf die Stärke eines externen magnetischen Feldes, und die Temperatur eines Musters verändert die Entspannungszeiten.

Die Brauchbarkeit des Kernes eines Wasserstoffatomes oder Protons in der medizinischen Diagnostik basiert auf der Häufigkeit von Wasserstoff in Weichgeweben, in denen es primär an Wassermoleküle gebunden ist. Dank seiner Polarität verknüpft sich ein Wassermolekül umgekehrt selbst in verschiedener Weise an verschiedene Proteinketten und diese Verkettung wird aus einer Mehrzahl von Gründen verändert, bspw. durch pathologische Prozesse.

Die Entspannungszeiten und Ihre Veränderungen sind bspw. in folgenden Druckschriften behandelt worden: US-PS 3,789,832 and Nuclear Magnetic Resonance of Intact Biological Systems, Phil Trans R Soc Lond, 289, June 1980. R. Mathur de Vre; Progress in Biophysics and Molecular Biology, Vol. 35, 103-104, 1979.

Ein Interesse an der Nutzbarmachung des kermnagnetischen Resonanzphänomens in der Medizin entstand in den frühen 70er Jahren, d.h., als R. Damadian seine Untersuchungsergebnisse veröffentlichte, die zeigten, daß die Entspan-"

nungszeit T. eines malignen Tumorgewebes sogar zweimal so lang ist wie die eines Normalgewebes. '

Die US-PS 3,789 832 beschreibt ein Verfahren zur Indentifikation von malignem Tumorgewebe durch Vergleich der gemessenen Entspannung eines Gewebes mit tabularischen Entspannungszeitwerten und dann die Diagnose möglicher Malignität eines Musters. Spätere Studien haben allerdings deutlich gemacht, daß die Veränderung der Entspannungszeiten nicht für jede besondere pathologischen Bedingungen spezifisch ist. Es kann jedoch im allgemeinen davon ausgegangen werden, daß sich die Entspannungszeiten leicht gemäß verschiedener Leiden ändern und diese Tatsache demgemäß in der Medizin-Diagnostik zur Anwendung kommen kann.

Die US-PS 3,789,832 beschreibt auch eine Art von Scanner für die Untersuchung des menschlichen Körpers mit Hilfe des NMR. Diese vorbekannte Lösung kann jedoch nicht als irgendein Spin-Darstellungsgerät angesehen werden. Die Grundidee der Kernspindarstellung wurde von Lauterbur 1973 in Nature, 242 190, 1973 veröffentlicht. In dieser Veröffentlichung brachte Lauterbur auch die Idee der Darstellung einer Entspannungszeit T₁ auf. Verschiedene Pulssequenzen sind für die Messung der Entspannungszeiten entwickelt worden, einschließlich sogenannter Saturation Recovery and Inversion Recovery sequences für die Messung von T₁ und Spin-Echo-Sequenzen für die Messung von T₂· Diese Sequenzen sind beschrieben worden bspw. in:

Farrar T.C, Becker E.D.; Pulse and Fourier Transform NMR - Introduction to Theory and Methods, Academic Press, New York, 1971.

Die Kernspindarstellungsverfahren können grob in drei Kategorien klassifiziert werden: 1. Punktdarstellungs-, 2. Liniendarstellungs- und 3. Volumendarstellungsverfahren. Bei der Punktdarstellungstechnik wird eine zu prüfende Gegenstandsfläche durch die Bewegung des Objektes oder einer Punkt-förmigen NMR Sensitiv-Fläche erfaßt, die durch verschiedene technische Mittel mit bezug zueinander erhalten wird. Der Hauptnachteil der Einzelpunkttechnik besteht darin, daß sie langsam ist und daß sie deshalb nicht in der medizinischen Darstellung angewendet werden kann. Mit speziellen Anordnungen können die Punktdarstellungsmethoden jedoch benutzt werden, um mehr Gewebeinformationen zu erhalten als bspw. mit den Volumendarstellungsmethoden. Die Einpunktdarstellungstechniken sind in folgenden Druckschriften veröffentlicht: Tanaka et al: Proc. IEEE, Vol. 66, No. -1, 1582-1583, 1978, DOS 29 46 847, US-PS 4,o15,196, US-PS 3,932,805, US-PS 4,021 726, US-PS 4,318 043 und GB 2122753 A.

Durch Kombination der langsamen Einpunktdarstellungstechnik und der schnellen Ultraschalldarstellungstechnik gemäß FI-PS 64 282, kann die Einpunktdarstellungstechnik in der medizinischen Diagnostik benutzt werden.

Die Liniendarstellungstechnik ist beschrieben in US-PS 4,015 196, FI-PS 58 868, US-PS 4,021 196, 4, 318,043 und US-PS 4,290,019. Die Liniendarstellungstechnik ist für die medizinische Darstellung ebenfalls zu langsam und . ihre Anwendung ist demgemäß auf diese speziellen Fälle beschränkt.

Die Darstellung von dreidimensionalen Gegenständen wird vorzugsweise durch die Anwendung der Ganzvolumendarstellungstechnik bewirkt. Durch sogenannte selektive Erregung ist es möglich, eine zu untersuchende Objektfläche zu definieren und eine sehr genaue Darstellung der Verteilung von NMR-Parametern zu bewirken. Die selektive Erregung kann durch Erregen eines magnetischen Feldgradienten über dem Objekt senkrecht zur Ebene einer Objektfläche durchgeführt werden, die zu untersuchen ist und durch Modulation eines erregenden Radiofrequenzpulses derart, daß seine Frequenzbandbreite und die Gradientenfeldstärke mit der Abmessung einer gewünschten Objektfläche korrespondieren.

Ein anderes Verfahren zur Definition einer Objektfläche besteht in der Verwendung eines tempolabilen Magnetfeldgradienten gemäß US-PS 4,015,196. Vorbekannt ist auch, einen Gradienten in einem erregenden Radiofrequenzpuls nutzbar zu machen und zwar derart, daß in suczessiven Zeiten der Erregung die Gradientenrichtung ver-

ändert wird. Ein unveränderliches NMR-Signal wird nur in der Ebene erzeugt, in der die Pulsamplitude konstant ist.

Eine wesentlich ungenauere Methode besteht in der Nutzbarmachung geometrischer Eigenschaften von Transmitterund Receiver-Spulen für die Definition einer Objektfläche, und demgemäß ist dieses Verfahren nur angewendet worden, wenn es gewünscht war, NMR-spektroskopische Studien eines Gegenstandes zu machen. Diese Methode ist beschrieben in: Ackerman et al: Nature 283, 167, 1980, Haase et al: J. Magn. Reson. 56, 401-412, 1984, Bottomley et al: Radiology, 150, 441-446, 1984.

GanzVolumendarstellungsmethoden sind beschrieben in: Lauterbur; Nature, 242, 190-191, 1973, üS-PS 4,070,611, PCT-WO 81/02788, Fl-Patentanmeldung 824343. Zur Beschleunigung des DarstellungsVerfahrens ist es möglich, Verfahren anzuwenden, die beschrieben sind in GB-Anmeldung 2079463, US-PS 4,307,343, US-PS 4,165,479 und Physics Letters 48A, No. 2, 3. Juni, 87-88, 1974.

Besonders bemerkenswerte Kernspin-Darstellungsmethoden sind sogenannte Fourier-Darsteilungsverfahren, von denen eine Version in der US-PS 4,070,611 beschrieben ist. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht in der Sammlung eines FID-Signals, das nach dem Erregungspuls erzeugt wird.

Encodiert in der Phase eines gesammelten FID-Signals ist die Positionsinformation von einer oder zwei senk-

rechten Richtungen durch Gradientenpulse mit konstanten Amplituden aber variierender Dauer. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist bspw., daß sich das Pick-up-Moment bei verschiedenen Signalaufnähmeζeiten ändert, was Einfluß auf die Verfahrensempfindlichkeit hinsichtlich der Inhomogenitäten eines polarisierenden Magnetfeldes B hat, und demgemäß nimmt auch T₂ eines Musters Einfluß auf das aufzunehmende Signale.

Die WO 81/02788 bezieht sich auf eine Variante der Fourier-Darstellungstechnik für die Erzeugung einer Art von Spinecho durch Veränderung der Magnetfeld-Gradientenrichtung. Das Spinecho wird gespeichert und in seiner Phase ist die Positionsinformation durch Gradientenpulse orthogonal zur Richtung eines Lesegradienten encodiert. Die Amplitude des Gradientenpulses wird in verschiedenen Wiederholungszyklen variiert. Eine eher bevorzugte Art zur Erzeugung eines Spinechos besteht in der Ausnutzung eines sogenannten 180° refocusing-Pulses, der in der Lage ist, die Auswirkung der Basisfeldinhomogenitaten in einer Enddarsteilung zu kompensieren. Die Anwendung dieses Verfahrens ist beschrieben in:

EP 91008, EP 98426, Hutchinson et al: Proceedings of 18th Ampere.Congress, Nottingham, 1974, 283-284 und in der finnischen Anmeldung 824343. _;

Die Veröffentlichung von Brunner P.: Journal of Mag. Res. 33, 83-106, 1979, offenbart, wie die Untersuchung eines dreidimensionalen Objektes mit der Kernspindarstellungstechnik durch Ausrichtung der Erregungs- und Detektionsphasen in zeitlicher Folge an verschiedenen Teilen eines Gegenstandes beschleunigt werden kann. Dies dient dazu, die lange Dauer der Untersuchung zu vermeiden, verursacht durch die Kernsystemwiederherstellungszeit.

Zur Zeit wird die Kernspindarstellung primär für die Darstellung der Wasserstoffverteilung eines Gegenstandes und die Verteilungen der Entspannungszeiten T₁ und T₂ des Kernes eines Wasserstoffatomes genutzt. Andererseits sind anwendbare Verfahren für die Darstellung der Entspannungszeit T₁^? nicht veröffentlicht worden. Eine Erklärung dafür kann der für diese Verfahren notwendige starke Radio-Frequenzpuls sein, dessen Dauer relativ lang ist (mehrere 100 Millisekunden). Bei allgemein benutzten Betriebsfrequenzen von Darstellungseinrichtungen führt dies zur Absorption des Radiofrequenzeffektes im Gewebe einer Person oder beim Test eines zu untersuchenden Tieres, was zu lokalen Temperaturerhöhungen führen kann und damit zu einem Gesundheitsrisiko.

Die Kernspindarstellung kann jedoch mit relativ niedrigen Feldstärken (unter 0,05 T) bewirkt werden, wobei die verwendete Radiofrequenz unter 2MHz liegen kann und, wie

bekannt, wird bei solch niedrigen Frequenzen der Radio-Frequenz-elektromagnetische Effekt nicht wesentlich im Körpergewebe absorbiert.. · ;

Ein Verfahren zur Darstellung der T₁ ? -Verteilung eines Objektes ist in der FI-anmeldung 842292 beschrieben. T₁^ kann jedoch genutzt werden, um beträchtlich mehr Information als die bloße Darstellung numerischer Werte der Verteilung zu erhalten. Die Veröffentlichung von R.R. Knispel et al: Dispersion of Proton-Spin-lattice Relaxation in Tissues, J. Magn. Reson. Vol. 14, 44-51, 1974, beschreibt die Abhängigkeiten der Entspannungszeiten T., T_ und T₁^ von den Stärken eines polarisierenden Magnetfeldes B und eines erregten Magnetfeldes B-. Danach wird die Abhängigkeit der Entspannungszeit T₁ f eines Kernes von der Stärke eines Strahlungsmagnetfeldes B₁ die B..-Verteilung von T- 9 genannt. Die Darstellung der lokalen Verteilung der B₁-Verteilung von T₁ gebildet von einem Gegenstand wird die B₁-Verteilungsdarstellung von T₁ ^ genannt.

Die Entspannungsraten der Protonenresonanz des Körpergewebes werden primär durch drei Mechanismen bewirkt: Der Austausch der Protonen zwischen Wassermolekülen, Rotation und Diffusion von Wassermolekülen. Demgemäß ist die Gesamtentspannungsratengeschwindigkeit die Summe dieser drei Faktoren:

RTOTAL = Rex + bRot + (1-b)Rdiff.

Die Entspannungsraten sind von der Magnetfeldstärke abhängig, in der die Entspannung stattfindet. Demgemäß hängt R ab von der Stärke eines erregenden Magnetfei-

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des B₁ und auch von der Stärke eines polarisierenden Magnetfeldes. R_rot hängt ab von der Stärke eines polarisierenden Magnetfeldes.

R,,_ff ist nicht wesentlich abhängig von der Stärke des Magnetfeldes. Die Abhängigkeiten variieren zwischen unterschiedlichen Geweben, und demgemäß ist es möglich, Gewebe durch die Verteilung der Entspannungszeiten zu charakterisieren. Die Entspannungszeit T₂ hängt nicht wesentlich ab von der Stärke eines polarisierenden Feldes, aber stattdessen besteht für die Entspannungszeit T^ eine klare Feldabhängigkeit. Das erfindungsgemäße Verfahren: kann natürlich auch unter Benutzung größerer Feldstärken angewendet werden, falls dies der zu untersuchende ■'.Gegenstand zuläßt. Demgemäß kann das Verfahren mit Darstellungsmethoden kombiniert werden, die die lokale Verteilung des NMR-Spektrums eines Objektes vorsehen. Solche Verfahren sind beschrieben worden in US-PS 4,319,190, GB-PS 20 57 142, Journal of Magnetic Resonance Vol. 40, p. 209, 1980; FI-Anmeldungen 832 326 und 833 807; Journal of Magnetic Resonance, Vol. 59, p. 536, 1984, FI-PS 65 859. Dieser Weg ist möglich, um die lokale Verteilung der Streuung der Entspannungszeit T.? für jede chemische Komponente oder für die Zeit selbst aufzubauen.

Um die B₁-Verteilungsdarstellung der Entspannungszeit T₁ eines Gegenstandes zu erzeugen, müssen der Erregungsvorgang und die Darstellungsseguenz bei verschiedenen Zeiten wiederholt werden, bspw. Benutzung der angelegten Feldstärke korrespondierend zur Resonanzfrequenz von 1, 5, und 50 kHz. Die Werte liegen bspw. bei 2 und 20 kHz. Falls die Dauer eines angelegten Pulses in jedem Falle eine konstante T" ist, wird folgende Formel erhalten:

I (x,y,z,B₁ (n>) = I(x,y,z) exp{- T/T^ (x,y,z, ^B₁ (n)) (2)

worin I (x,y,z,B.. (η)) = Signalintensität eines Gegenstandselementes korrespondierend zum x,y_rz,B.j (n) Feld

T ist die Dauer eines angelegten Pulses und

I (x,y,z) ist die Signalintensität ohne ein angelegtes rf-Feld.

Die Bestimmung der Feldabhängigkeit oder der Streuung der Entspannungszeit T-. ist sehr schwierig bezüglich der Art von Einrichtungen, die für bspw. die Untersuchung des menschlichen Körpers geeignet sind. Die Stärke eines polarisierenden Feldes sollte mindestens in einem Verhältnis 1 : 10 geändert werden, was korrespondiert mit der Änderung der Resonanzfrquenz beim gleichen Verhältnis. Die Wechselrate muß Sieherheitsgrenzen überschreiten, die bspw. in den USA 3 Teslas/sec. betragen. Die Änderung eines polarisierenden Feldes würde die Wiedererregung von Transmitter- und Receiver-Spulen erfordern, die Ka-

librierung der Amplitude der Erregungspulse usw. und ist demgemäß höchst ungeeignet.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann angewandt werden, um die Materialeigenschaften eines zu untersuchenden Gegenstandes durch die B..-Streuung von T₁ zu charakterisieren. Durch dieses Verfahren ist es möglich, bspw. in der medizinischen Darstellung ein Fettgewebe von anderen Geweben zu unterscheiden, dessen ausgesandtes Signal von den Protonen des Wassers stammt. Dies ist nütlich bspw. bei Untersuchungen von gewissen Leberkrankheiten und bei der Beobachtung und Diagnostik von Brustkrebs. Die Unterscheidung von Fett und anderen Geweben ist auch möglich durch Protonspektroskopie, wie beschrieben in der finnischen Anmeldung 83 3807, aber dies verlangt ein Gerät, dessen polarisierendes Magnetfeld eine Stärke von mehr als 0,15 T hat. Das Verfahren nach der Erfindung erfordert demgegenüber nur ein Magnetfeld mit 0,01...0,02 T. Ein solches Feld ist natürlich wesentlich einfacher zu realisieren, und demgemäß ist das Gerät billiger und bietet eine Möglichkeit zur Entwicklung eines Gerätes, das speziell für die Brustkrebsdiagnostik und Scanneruntersuchungen bestimmt sein kann. Ein Vorteil beim Verfahren ist natürlich die Elimination der Benutzung von nicht ionisierter Strahlung.

Die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind im Hauptan-

und anderen kennzeichnenden Merkmalen der Erfindung in den Unteransprüchen festgelegt.

Die Wirkungsweise der Erfindung ist in zeichnerischen Darstellungen verdeutlicht.

Es zeigt

Fig. 1 eine Pulsfolge für die Bildererzeugung eines

dreidimensionalen Gegenstandes unter Anwendung des sogen. Projektions-Rekonstruktionsverfahrens ;

Fig. 2 die Anwendung der Erfindung durch Benutzung einer sogen. Projektions-Rekonstruktionsmethode und durch Aufnahme eines sogen. Spinechos, erzeugt durch Mittel eines sogen, refocusing-Pulses;

Fig. 3 die Anwendung der Erfindung durch Benutzung einer sogen. Projektions-Rekonstruktlonsmethode und durch Aufnahme eines sogen. Spinechos, erzeugt durch Umkehrung eines Gradientenfeldes;

Fig. 4 die Anwendung der Erfindung durch Benutzung einer sogen. Fourier-Methode und durch Aufnahme eines sogen. Spinechos, erzeugt durch Umkehrung eines Gradientenfeldes;

Fig. 5 die Anwendung der Erfindung durch Benutzung einer sogen, Fourier-Methode und durch Aufnahme eines sogen. Spinechos, erzeugt durch Mittel eines sogen. refocusing-Pulses;

Fig. 6 einen Weg zur Erzeugung eines sogen. Selektiv-Erregungspulses, der in Verbindung mit der Erfindung angewendet werden kann und

Fig. 7 einen Weg zur Erzeugung eines sogen. Selektiverregungspulses, der in Verbindung mit der Erfindung angewendet werden kann.

In der Fig. 1 wird während der Phase 1 der Kern einer Objektfläche durch einen sogenannten 90 -Puls erregt. Dieser Puls kann auch ein sogenannter adiabatischer Schnelldurchgangspuls (adiabatic fast passage pulse) sein. Danach wird die Objektfläche einem sogenannten "Clamping"-PuIs unterworfen (Phase 2), dessen Amplitude derart ausgewählt ist, daß die Entspannungsvorgänge, die während des Pulses auftreten, wie gewünscht bewertet werden und dessen Dauer derart ausgewählt ist, daß ein gewünschter Wert von Entspannung auftritt. Die relative Zeit dieser Pulse ist auf der RF-Achse markiert. Während der Phase 3 ist über der Gegenstandsfläche ein sogenannter Lesegradient (read-out gradient) eingeschaltet, erzeugt als Resultate von drei orthogonalen Gradienten G , G und G und dessen Richtung und Amplitude durch Veränderung dieser Komponenten geändert werden kann. Ein Signal S, das von der Gegenstandsfläche induziert wird, wird während der Phase aufgenommen. Dieses Aufnahmemoment ist auf der Achse D dargestellt. Danach wird die gewünschte Pulsfolge so oft wiederholt, wie gewünscht, bspw. 64...128 mal in einem zweidimensionalen Fall und 4.096...16.384 mal in einem dreidimensionalen Fall. Der Darstellungsprozeß wird dann so oft wiederholt,wie gewünscht,durch Veränderung der Am-

plitude des besagten Clamping-Pulses und zwar derart, daß die Bewertung der Entspannungsvorgänge wechselt, wie gewünscht, und die erhaltenen Entspannungsdarstellungen benutzt werden können, um eine Darstellung der B«.-Streuung der Entspannungszeit T«. f zu erzeugen.

Die Anwendung der Erfindung, wie in Fig. 2 dargestellt, ist ansonsten die gleiche wie in Fig. 1, mit der Ausnahme, daß ein Signal durch Erzeugung eines sogenannten Spinechos mittels eines sogenannten refocusing-Pulses aufgenommen wird.

Die Anwendung der Erfindung gemäß Fig. 3 ist ansonsten die gleiche wie die in Fig. 1, mit der Ausnahme, daß ein Signal durch Erzeugung einer Art von Spinecho durch Umkehrung der Richtung eines Gradientenfeldes aufgenommen wird.

Fig. 4 verdeutlicht ein Verfahren nach der Erfindung, angewendet in Verbindung mit der sogenannten Fourier-Methode. Im dargestellten Fall wird ein Signal durch Erzeugung eines Gradientenfeldes (G in der Fig. 4) aufgenommen, und die Positionsinformation in anderen orthogonalen Richtungen wird in die Phase eines Spinechos durch Mittel eines Gradientenpulses G und G (Phase 3) enco-

y ^z

diert. Bei der Wiederholung werden die Zeitintegrale dieser Gradientenpulse geändert.

Fig. 5 verdeutlicht eine Anwendung des Verfahrens durch Benutzung der Fourier-Methode und eines Spinechos, erzeugt durch Mittel eines sogenannten refocusing-Pulses (Phase 4), ansonsten ist die Funktion die gleiche wie in Verbindung mit Fig. 4 erklärt.

Fig. 6 stellt eine Art der Erzeugung eines sogenannten selektiven Erregungspulses dar, was in Verbindung mit allen obenerwähnten Alternativen angewendet werden kann. Ausgewählt wird bspw. die Z-Richtung, gegen die eine orthogonale Erregungsfläche hervorgehoben wird. Eine Fehlphasierung, hervorgerufen in Verbindung mit der Erregung, ist durch Umkehrung der Richtung eines Gradienten eliminiert.

Fig. 7 verdeutlicht einen anderen möglichen Weg der Erzeugung eines sogenannten selektiven Erregungspulses. Eine Fehlphasierung, hervorgerufen in Verbindung mit der Erregung, ist durch einen sogenannten refocusing-Puls eliminiert, gefolgt durch Schaltung eines Schnittselektionsgradienten (slice selection gradient) für eine gewisse Zeitperiode, um die Fehlphasierung zu beheben. Die Vorgehensweisen nach den Figuren 6 und 7 können in der Phase 1 in Verbindung mit allen in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Alternativen durchgeführt werden.

Die Erfindung ist nicht begrenzt auf die obigen Anwendun-

gen, und andere Anwendungen können- ebenso in Betracht gezogen werden. Der Meßobjektskern kann natürlich jeder geeignete Kern für NMR-Tests sein, wie bspw. NMR-aktive Isotopen von bspw. Wasserstoff, Phosphor, Natrium, Fluor und Kohlenstoff. In Verbindung mit dem Verfahren ist es möglich, verschiedene Substanzen zu benutzen, die eine Auswirkung auf die Entspannungsvorgänge für die Verbesse- ■ rung der Diagnoseempfindlichkeit haben. Das Verfahren kann bspw. für die Aufzeichnung von Gewebetemperaturen in Verbindung mit einer überwarmungsbehandlung angewendet werden. Das Verfahren kann auch in Verbindung mit einer sogenannten Inversions-Recovery-Sequenz angewendet werden, um eine T₁-Bewertung zu erhalten. Die gleiche Aktivität kann auch durch Verkürzung des Sequenzwiederholungsintervalles.erzeugt werden, und es wird eine T₂~Bewertung durch eine Verzögerungsvergroßerung zwischen der Erregung und der Signalsammlung erhalten. Diese Zeitgebungen können derart verändert werden, daß eine erzeugte Darstellung gewisse Materialeigenschaften eines Gegenstandes mehr als andere;Eigenschaften hervorhebt.

Claims

(15 348) Patentansprüche:

1. Verfahren zur Aufzeichnung der kernmagnetischen Eigenschaften eines zu untersuchenden Objektes und zwar zur Aufzeichnung der lokalen Verteilung der sogenannten B₁-Streuung der Entspannungszeit T₁9 des Kernes eines bestimmten Elementes, wie Wassersto-f oder Phosphor eines Gegenstandes, wie menschlicher Körper oder eines Teiles davon; Baumstamm od. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß eine Gegenstandsfläche einem sogenannten ersten Erregungspuls unterworfen wird, der die Magnetisierung des Kernes des Gegenstandes vorzugsweise um 90 spint und danach einem zweiten Erregungspuls, dessen Phase und Frequenz derart ausgewählt sind, daß die Entspannung in Abhängigkeit vom magnetischen Vektor dieses Erregungspulses erfolgt, gefolgt von der Ausführung der gewünschten Schritte durch Anwendung der an sich bekannten sogenannten Kernspindarstellungsmethoden, wobei die obige Operationsfolge so oft wie gewünscht wiederholt wird bei Wechsel der Amplitude des zweiten Erregungspulses.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Kernspindarstellungsmethoden sogenannte Projektions-Rekonstruktionsmethoden angewendet werden.

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3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r,c h gekennzeichnet, daß als Kernspindarstellungsmethoden sogenannte Fourier-Methoden angewendet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als erster Erregungspuls ein sogenannter adiabatischer Schnelldurchgangspuls (fast passage puls) verwendet wird, dessen Frequenzdurchlauf vorzugsweise in der Resonanzfrequenz endet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als erster Erregungspuls ein sogenannter Selektiv-Erregungspuls mit einem magnetischen Feldgradienten verwendet wird, der während dieses Pulses eingeschaltet ist, wobei eine Fehlphase, verursacht in einem Kernsystem, durch diesen Vorgang eliminiert wird durch Umkehr der Richtung des Magnetfeldgradienten für eine bestimmte Zeitperiode oder indem eine Objektfläche einen sogenannten 180°-Puls unterworfen wird und unmittelbar danach einem zu diesem magnetischen Feldgradienten parallelen Gradienten.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß

für die Darstellung der kernmagnetischen Eigenschaften einer Gegenstandsfläche die folgenden Schritte durchgeführt werden:

a) die Gegenstandsfläche wird dem ersten Erregungspuls unterworfen, der vorzugsweise die 90 -Magnetisierung spint und der ein sogenannter Selektiv-Erregungspuls sein kann, derart moduliert, daß sein Frequenzband begrenzt ist und während dem über dem Gegenstand ein sogenannter erster Magnetfeldgradient eingeschaltet ist,

b) eine mögliche Fehlphase, hervorgerufen während des ersten Erregungspulses, wird eliminiert bspw. durch Umkehr der Richtung des ersten Magnetfeldgradienten für eine gewisse Zeitperiode oder indem eine Objektfläche vorzugsweise einem sogenannten 180 -Puls unterworfen wird und durch Schaltung des ersten Magnetfeldgradienten für eine gewisse Zeitperiode und auf einen gewissen Wert,

c) die zu untersuchende Fläche wird einem sogenannten zweiten Erregungspuls unterworfen, dessen Phase entweder gleich oder entgegengesetzt ist zur Phase der präzidierten Kernmagnetisierung der zu untersuchenden Fläche,

d) über die zu untersuchende Fläche wird ein sogenannter dritter Magnetfeldgradient geschaltet, der eine bestimmte Stärke und Richtung hat, und aus dem

Gegenstand wird ein induzierendes kernmagnetisches Signal aufgenommen,

e) die obige Sequenz a...d wird so oft wie gewünscht wiederholt, wobei die Amplitude des zweiten Erregungspulses verändert wird,

f) die obige Sequenz wird so oft wie gewünscht wiederholt, wobei die Richtung des dritten Magnetfeldgradienten umgekehrt wird,

g) die gespeicherten kernmagnetischen Signale werden bspw. mit Hilfe einer sogenannten Projektions-Rekonstruktionsmethode zu Kerndichtenverteilungsdarstellungen des Gegenstandes verarbeitet, gewichtet mit einem Entspannungsprozeß T₁, der unter dem Einfluß verschiedener Amplituden des zweiten Erregungspulses in Erscheinung getreten ist,

h) wenn erwünscht, werden die Dichtedarstellungen benutzt für die Erzeugung einer B--Verteilungsdarstellung des Entspannungsprozesses T₁, um die Materialeigenschaften eines Gegenstandes deutlich zu machen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Schritte a...d durchgeführt werden, gefolgt von f) und dann e).

8. Verfahren nach einem der Ansprüche i, 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß

b) eine mögliche Fehlphase, hervorgerufen während des ersten Erregungspulses, wird eliminiert bspw. durch Umkehr der Richtung des ersten Magnetfeldgradienten für eine gewisse Zeitperiode oder indem eine Objektfläche vorzugsweise einem sogenannten 180 Puls unterworfen wird und durch. Schaltung des ersten Magnetfeldgradienten für eine gewisse Zeitperiode und auf einen gewissen Wert,

c) die zu untersuchende Fläche wird einem sogenannten zweiten Erregungspuls unterworfen, dessen Phase entweder gleich oder entgegengesetzt ist zur Phase der präzidierten Kernmagnetisierung der zu untersuchenden Fläche,-

d) über die zu untersuchende Fläche wird ein sogenannter dritter Magnetfeldgradient geschaltet, der eine bestimmte Stärke und Richtung hat, ein sogenanntes

Spinecho wird erzeugt entweder durch Umkehrung der Richtung des dritten Magnetfeldgradienten oder indem die Untersuchungsfläche einem Nachfokusierungs-RF-PuIs unterworfen wird, der vorzugsweise ein 180°-Puls ist und während dem der dritte Magnetfeldgradient ausgeschaltet sein kann und ein Gradient parallel zum ersten Magnetfeldgradienten kann eingeschaltet sein und der Nachfokusierungspuls kann derart moduliert sein, daß sein Frequenzband begrenzt und dieser demgemäß ein sogenannter Selektiverregungspuls ist,

e) ein hervorgerufenes Spinecho wird aufgenommen,

f) die obige Schrittfolge a...e wird so oft wie gewünscht wiederholt während die Amplitude des zweiten Erregungspulses geändert wird,

g) die obige Schrittfolge wird so oft wie gewünscht wiederholt während die Richtung des dritten Magnetfeldgradienten geändert wird,

h) die gespeicherten kernmagnetischen Signale werden, bspw. mit Hilfe einer sogenannten Projektions-REkonstruktionsmethode, zu KerndichtenverteilungsdarStellungen des Gegenstandes verarbeitet, gewichtet mit einem Entspannungsprozeß T-, der unter dem Einfluß verschiedener Amplituden des zweiten Erregungspulses in Erscheinung getreten ist,

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i) wenn erwünscht, werden die Dichtedarstellungen benutzt für die Erzeugung einer B--Verteilungsdarstellung des Entspannungsprozesses T₁, um die Materialeigenschaften eines Gegenstandes deutlich zu machen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß zunächst die Schritte a...e durchgeführt werden, gefolgt von g) und dann f).

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Darstellung der kernmagnetischen Eigenschaften einer Gegenstandsfläche die folgenden Schritte durchgeführt werden:

b) eine mögliche Fehlphase, hervorgerufen während des ersten Erregungspulses, wird eliminiert bspw. durch Umkehr der Richtung des ersten Magnetfeldgradienten für eine gewisse Zeitperiode oder indem eine Objekt-

fläche vorzugsweise einem sogenannten 18O°-Puls unterworfen wird und durch Schaltung des ersten Magnetfeldgradienten für eine gewisse Zeitperiode und auf einen gewissen Wert,

d) über die zu untersuchende Fläche wird ein sogenannter dritter Magnetfeldgradient geschaltet, der eine bestimmte Stärke und Richtung hat, ein sogenanntes Spinecho wird erzeugt entweder durch Umkehrung der Richtung des dritten Magnetfeldgradienten oder indem die Untersuchungsfläche einem Nachfokusierungs-RF-PuIs unterworfen wird, der vorzugsweise ein 180 Puls ist und während dem der dritte Magnetfeldgradient ausgeschaltet sein kann und ein Gradient parallel zum ersten Magnetfeldgradienten kann eingeschaltet sein und der Nachfokusierungspuls kann derart moduliert sein, daß sein Frequenzband begrenzt und dieser demgemäß ein sogenannter Selektiverregungspuls ist, und über die zu untersuchende Fläche wird ein sogenannter dritter Magnetfeldgradient geschaltet, dessen Zeitintegral vor und nach besagtem Nachfokusierungspuls einen bestimmten Wert erhält oder dessen Zeitintegral einen gewünschten

Wert erhält vor der Umkehr der Richtung des zweiten Magnet feldgradienten,

e) ein hervorgerufenes Spinecho wird aufgenommen,

f) die obige Schrittfolge a...d wird so oft wie gewünscht wiederholt während die Amplitude des zweiten Erregungspulses geändert wird,

h) die gespeicherten kernmagnetischen Signale werden, bspw. mit Hilfe einer sogenannten Projektions-Rekonstruktionsmethode, zu Kerndichtenverteilungsdarstellungen des Gegenstandes verarbeitet, gewichtet mit einem Entspannungsprozeß T₁9 , der unter dem Einfluß verschiedener Amplituden des zweiten Erregungspulses in Erscheinung getreten ist,

i) wenn erwünscht, werden die Dichtedarstellungen benutzt für die Erzeugung einer B -Verteilungsdarstellung des Entspannungsprozesses T₁9 λ um die Materialeigenschaften eines Gegenstandes deutlich zu machen.

11.Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß zunächst die Schritte a...e durchgeführt werden, gefolgt von g) und dann f).