DD274905A1

DD274905A1 - METHOD FOR OBTAINING SITE ORIGINAL NMR SIGNALS IN A NICKEL PINPARATOR, IN PARTICULAR LOCATED IN VIVO NMR SPECTROSCOPY AND THE MEDICAL IMAGING TECHNIQUE

Info

Publication number: DD274905A1
Application number: DD31890088A
Authority: DD
Inventors: Wilfried Gruender; Thomas Keller; Harry Pfeifer
Original assignee: Univ Leipzig
Priority date: 1988-08-12
Filing date: 1988-08-12
Publication date: 1990-01-03

Abstract

Ein Verfahren zur Gewinnung ortsaufgeloester NMR-Signale in einer Kernspinapparatur, insbesondere der ortsaufgeloesten in-vivo-NMR-Spektroskopie und der medizinischen bildgebenden Technik, nutzt die Dephasierung der Quermagnetisierung in einem inhomogenen Feld waehrend eines Refokussionsexperimentes (Spin-Echo) aus, indem zwischen den Impulsen (Spin-Echo: zwischen p/2- und p-Impuls) ein das Grundfeld ueberlagerndes Gradientenfeld angelegt wird, welches im zu untersuchenden Probengebiet einen homogenen Verlauf aufweist, waehrend es im restlichen Probengebiet inhomogen ist. Die so vorzugsweise mit einer Oberflaechenspule empfangenen Signale stammen infolge der Dephasierung der Quermagnetisierung in Bereichen mit inhomogenen Verlauf des Gradientenfeldes nur aus dem zu untersuchenden Probengebiet.A method for obtaining spatially resolved NMR signals in a nuclear spin apparatus, in particular spatially resolved in vivo NMR spectroscopy and medical imaging technique, exploits the dephasing of the transverse magnetization in an inhomogeneous field during a refocusing experiment (spin-echo), between the Pulses (spin-echo: between p / 2 and p-momentum) a gradient field superimposed gradient field is applied, which has a homogeneous course in the sample area to be examined, while it is inhomogeneous in the rest of the sample area. The signals thus preferably received with a surface coil come only from the sample area to be examined as a result of the dephasing of the transverse magnetization in regions with an inhomogeneous course of the gradient field.

Description

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Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung ortsaufgelöster NMR-Signale in einer Kernspinapparatur, insbesondere der ortsaufgelösten in-vivo-NMR-Spektroskopie und der medizinischen bildgebenden Technik, mit der eine gezielte Sondierung eines bestimmten Probengebietes mit einer gegenüber der Umgebung hohen Empfindlichkeit möglich ist.The invention relates to a method for obtaining spatially resolved NMR signals in a nuclear spin apparatus, in particular the spatially resolved in vivo NMR spectroscopy and the medical imaging technique, with a targeted probing of a particular sample area with a high sensitivity to the environment is possible.

Characteristic of the known state of the art

In einem statischen homogenen Magnetfeldbereich eines von einem Grundfeldmagneten erzeugten Magnetfeldes wird der interessierende Körper oder Körperteil eingebracht. Mit einem kurzzeitigen, hochfrequenten, von einer Spulenanordnung ausgesendeten Magnetfeld werden Übergänge zwischen den verschiedenen Zuständen der Kernspins einer Atomart (z. B. ¹H, ¹³C oder ³¹P) in dem betreffenden Objekt angeregt. Durch Relaxationsprozesse werden nach dem Hochfrequenzimpuls in einer Ernpfangs-Spulenanordnung, die identisch mit der Sendespulenanordnung sein kann, HF-Signale empfangen, die je nach Anwendungsgebiet weiterverarbeitet bzw. ausgewertet werden.In a static homogeneous magnetic field region of a magnetic field generated by a basic field magnet, the body or body part of interest is introduced. With a short-time, high-frequency magnetic field emitted by a coil arrangement, transitions between the different states of the nuclear spins of a type of atom (for example ¹ H, ¹³ C or ³¹ P) in the relevant object are excited. By relaxation processes, RF signals are received after the high-frequency pulse in a receiving coil arrangement, which may be identical to the transmitting coil arrangement, which are further processed or evaluated depending on the field of application.

Das Problem der Selektierung von Signalanteilen aus tiefergelegenen Körperbereichen wird inzwischen zumindest annähernd auf vielfältige Weise gelöst. Alle Verfahren verwenden ein auf den zu untersuchenden Ort begrenztes Radiofrequenz-(HF-)Feld und/oder die Fokussierung des statischen Magnetfeldes B₀. *The problem of selecting signal components from lower body regions is now at least approximately solved in many ways. All methods use a radio frequency (RF) field limited to the location to be examined and / or the focusing of the static magnetic field B ₀ . *

Die Verfahren ISIS[I], DRESS[2|, VSE[3] und SPARS[4] beruhen auf der Fokussie ur>„ des statischen Magnetfeldes mit Hilfe von linearen Feldgradionten. In diesem Gebiet werden die Spins des interessierend in i'robengebietes z.T. mit selektiven Impulsen angeregt ([1-4], STE(S]). Ein anderes Verfahren (DIGGER[6)) regt die Kernspini außerhalb des ausgewählten Volumens an, um sie anschließend zu dephasieren, bevor die Beobachtung der interessierender Spins mit einem Leseimpuls erfolgt. Die Verwendung von Oberflächenspulen ist die übliche Methode zur örtlichen degrenzung des HF-Feldes. Um zusätzlich Signalanteile aus oberflächennahen oder unerwünschten Gebieten zu unterdrücken, wird eine Verbesserung der örtlichen Auflösung durch Tiefenimpulsgruppen [7], Paketimpulse [8], 2D-Fourierverfahren [9] erreicht. Auch die Veränderung des Empfindlichkeitsprofils der Oberflächenspule durch Verwendung zusätzlich konzentrisch angeordneter aktiver und/oder passiver Oberflächenspulen bzw. durch Verwendung getrennter Sende- und Empfangsoberflächenspulenanordnungen trägt zur Verbesserung der räumlichen Auflösung bei [10,11],The methods ISIS [I], DRESS [2 |, VSE [3] and SPARS [4] are based on the focussing>> of the static magnetic field by means of linear field gradients. In this area the spins of interest in the area of the zoo are z. Another method (DIGGER [6)) excites the nuclear spins outside of the selected volume, and then dephases them before observing the spins of interest with a read pulse he follows. The use of surface coils is the usual method for locally limiting the RF field. In order to additionally suppress signal components from near-surface or undesired regions, an improvement of the spatial resolution is achieved by means of depth pulse groups [7], packet pulses [8], 2D Fourier methods [9]. The change in the sensitivity profile of the surface coil by using additionally concentrically arranged active and / or passive surface coils or by using separate transmitting and receiving surface coil arrangements contributes to the improvement of the spatial resolution in [10,11],

Jedoch sind diese Verfahren sehr kompliziert und erfordern einen großen Aufwand in der Steuer- und Auswertetechnik. Auch die Entkopplung der Spulen im Fall der verschiedenen Sende- und Empfangsspulensysteme ist nur mit hohem Aufwand realisierbar.However, these methods are very complicated and require a lot of effort in the control and evaluation. The decoupling of the coils in the case of the various transmitting and receiving coil systems can be realized only with great effort.

Alternativverwendet die Methode der ,Topical Magnetic Resonance" (TMR, (12)) statische magnetische Profilfelder so, daß nur von einem zentralen homogenen Gebiet des Untersuchungsobjekts hochaufgelöste NMR-Spektren erhalten werden, während Signalbeiträge von anderen Bereichen als stark verbreitertes Untergrundsignal erscheinen. Dieses breite unerwünschte Signal stört erheblich die quantitative Spektrenauswertung, so daß verschiedene Methoden zur Beseitigung dieser Beiträge vorgeschlagen wurden, die allerdings auch die im homogenen Untersuchungsgebiet tatsächlich vorhandenen breiten Signalanteile beseitigen und damit eine quantitative Spektrenauswertung unmöglich machen.Alternatively, Topical Magnetic Resonance (TMR, (12)) uses static magnetic profile fields to obtain high-resolution NMR spectra only from a central homogeneous region of the object being examined, while signal contributions from other regions appear as a greatly broadened background signal unwanted signal significantly disturbs the quantitative spectral analysis, so that various methods for eliminating these contributions have been proposed, but also eliminate the existing in the homogeneous study area broad signal components and thus make a quantitative spectra evaluation impossible.

Aufstellung der angeführten Literaturquellen:List of listed literature sources:

(1| Ordidge, R.J.etal.,J. Magn. Res. 66,283 (1986)(1) Ordidge, R. J. et al., J. Magn. Res. 66, 283 (1986)

[2] Bottomley, P.A. et al., J. Magn. Res. 59,338 (1984)[2] Bottomley, P.A. et al., J. Magn. Res. 59,338 (1984)

[3] Aue, W. P., J. Magn. Res. 56,350 (1984) EP P 4157[3] Aue, W.P., J. Magn. Res. 56,350 (1984) EP P 4157

[41 Luvten, P. R. et al., J. Magn. Res. 67,148 (1986)[41 Luvten, P.R. et al., J. Magn. Res. 67, 148 (1986)].

|5] Schult, N., Bruker Med. Rep. 1,8 (1986)[5] Schult, N., Bruker Med. Rep. 1,8 (1986)

[6] Doddrell, D.M., J. Magn. Res.[6] Doddrell, D. M., J. Magn. Res.

[7] Bendall, M.R. et al., J. Magn. Res. 53,265 (1983)[7] Bendall, M.R. et al., J. Magn. Res. 53,265 (1983)

[8] Shaka, A. J. et al., J. Magn. Res. 59,169 (1984)[8] Shaka, A.J. et al., J. Magn. Res. 59, 169 (1984)

Tycko, R., J. Magn. Res. 60,156 (1984) [9] Haase, A., J. Magn. Res. 55,164 (1983)Tycko, R., J. Magn. Res. 60,156 (1984) [9] Haase, A., J. Magn. Res. 55,164 (1983)

Garwood, M., J. Magn. Res. 60,268 (1984)Garwood, M., J. Magn. Res. 60,268 (1984)

Garwood, M., J. Magn. Res. 65,239 (1985) [10) Bendall, M.R. et al., Magn. Res. Med. 2,298, (1985) [11] DE 3340384 (12] Gordon, R.E. et al., Nature 287 (5789), 367 (1980)Garwood, M., J. Magn. Res. 65,239 (1985) [10] Bendall, M.R. Med., 2,298, (1985) [11] DE 3340384 (12) Gordon, R.E. et al., Nature 287 (5789), 367 (1980).

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, die Ortsauflösung der NMR-Signale wesentlich zu verbessern und hierbei gleichzeitig den apparativen und zeitlichen Aufwand zum Erhalt und zur Verarbeitung der NMR-Signale für die Zwecke der NMR-Spektroskopie, im besonderen der ortsaufgelöston in-vivo-NMR-Spekiroskopie und der medizinischen bildgebenden Technik, zu senken.The aim of the invention is to substantially improve the spatial resolution of the NMR signals and, at the same time, the apparatus and time required for obtaining and processing the NMR signals for the purposes of NMR spectroscopy, in particular the spatially resolved in vivo NMR spectroscopy. Spekiroskopie and the medical imaging technique, lower.

Explanation of the essence of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Gewinnung ortsaufgelöster NMR-Signale in einer Kernspinapparatur, insbesondere der ortsaufgelösten in-vivo-NMR-Spektroskopie und der medizinischen bildgebenden Technik, so zu gestalten, daß Signalanteile aus unerwünschten Proiiangebieten auf unkomplizierte Art beseitigt werden, ohne daß dabei die Signalbeiträge aus dem untersuchten Gtbiet beeinflußt werden.The object of the invention is to design a method for obtaining spatially resolved NMR signals in a nuclear spin apparatus, in particular spatially resolved in vivo NMR spectroscopy and medical imaging technology, in such a way that signal components from unwanted regions of the sample are eliminated in an uncomplicated manner, without thereby affecting the signal contributions from the examined Gtbiet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dürr h ein Verfahren, bei dem die Probe in dam durch ein Gradientenfeld überlagernden Grundfeld angeordnet ist, und das sich euren eine Kombination der Anwendung von Refokussionsverfahren und Profilfeldern auszeichnet, gelöst. Gegenüber der üblichen Praxis bei Refokussionsverfahren, die den Einfluß von Grundfeldinhornogenitäten auf das NMR-Signal vermindern, wird durch das nur zeitweise Einschalten eines speziallen Gradientenfeldes, welches im zu untersuchenden Prober gebiet einen homogenen, ansonsten aber inhomogenen Verlauf aufweist, zwischen den HF-Impulsen des Refokussionsverfah'ens eine Unterdrückung von Signalbeiträgen aus Gebieten mit inhomogenem Verlauf des resultierenden statische') Feldes erreicht.According to the invention, the object is achieved by a method in which the sample is arranged in the base field superposed by a gradient field, and which distinguishes your combination of the application of refocussing methods and profile fields. Compared to the usual practice in refocusing, which reduce the influence of Grundfeldinhornogenitäten on the NMR signal, is only a temporary switching of a special gradient field, which has a homogenous, but otherwise inhomogeneous course in the sample area to be examined, between the RF pulses of the Refokussionsverfah'ens achieved a suppression of signal contributions from areas with inhomogeneous course of the resulting static ') field.

In weiterer Ausgestaltui g der Erfindung ist es vorteilhaft, daß zunächst von der HF-Spule bzw. -Einrichtung ein π/2-lmpuls auf die Probe eingestrahlt wird, daß danach ein Gradientenimpuls dem Grundfold überlagert wird, d. h. daß das Grundfeld von einem nun einzuschaltenden und vor Beginn des nächsten HF-Irnpulses wieder auszuschaltenden Gradientenfeld, welches im zu untersuchenden Probengebiet einen homogenen, ansonsten einen inhomogenen Verlauf aufweist, überlagert wird, daß weiterhin zum Zeitpunkt π nach dem ersten Impuls ein n-lmpuls eingestrahlt wird und daß schließlich zur Zeit 2 * π nach dem ersten Impuls das NMR-Signal (rechte Flanke des Echos) aufgezeichnet wird.In further Ausgestaltui g of the invention it is advantageous that first of the RF coil or device a π / 2 pulse is irradiated to the sample, that thereafter a gradient pulse is superimposed on the Grundfold, d. H. that the basic field is superimposed by a gradient field which is now to be switched on and off again before the beginning of the next RF pulse, which has a homogenous, otherwise inhomogeneous course in the sample area to be examined, that an n pulse is also irradiated at the time π after the first pulse and finally that at the time 2 * π after the first pulse, the NMR signal (right flank of the echo) is recorded.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn im zeitlichen Verlauf zwischen dem Refokussions-Impuls und dem Aufzeichnen des NMR-Signals zusätzlich ein Gradientenfeld, welches dem zwischen n/2- und n-lmpuls entspricht, das Grundfeld überlagert. Dabei ist aberdie Stromflußrichtung in den Gradientenfeldspulen umgekehrt zu der im Fall des ersten Gradientenimpulses. Dadurch wird der Effekt der Dephasierung der transversalen Magnetisierung im inhomogenen Bereich des Gradientenfeldes verstärkt, bzw. es ist bei gleicher Stäike des Effekts eine Halbierung der Gradientenfeldstärke möglich.Furthermore, it is advantageous if, in the course of time between the refocusing pulse and the recording of the NMR signal, a gradient field which corresponds to that between n / 2 and n pulses additionally superimposes the basic field. However, the current flow direction in the gradient field coils is reverse to that in the case of the first gradient pulse. As a result, the effect of dephasing the transverse magnetization in the inhomogeneous region of the gradient field is enhanced, or it is possible to halve the gradient field strength with the same strength of the effect.

Um den Einfluß der vom zweiten Gradientenimpuls hervorgerufenen Wirbelströme im (leitfähigen) Gewebe zu verringern, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung von Vorteil, wenn vor dem Ausschalten des Gradientenfeldes die Stromrichtung im Gradientenspulensystem kurzzeitig (< 10% der Einschaltdauer) umgekehrt wird.In order to reduce the influence of the eddy currents caused by the second gradient pulse in the (conductive) tissue, it is advantageous in another embodiment of the invention if the current direction in the gradient coil system is reversed briefly (<10% of the switch-on duration) before the gradient field is switched off.

Es ist weiterhin günstig, wenn als Sende- und Empfangseinrichtung eine Oberflächenspule eingesetzt wird, da sie durch ihre Eigenschaft, nur aus einem Bereich, er von einer Halbkugel von etwa dem doppelten Spulenradius eingeschlossen wird (empfindlichus Volumen), NMR-Signale zu empfangen, ebenfalls räumlich selektiv wirkt.It is also advantageous if a surface coil is used as the transmitting and receiving device, as it is by its property, only from a range, it is enclosed by a hemisphere of about twice the coil radius (sensitive volume) to receive NMR signals, also spatially selective acts.

Zur weiteren Verdeutlichung wird die erfindungsgemäße Lösung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Die dazugehörigen Abbildungen zeigen in Figur 1 den zeitlichen Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens, in Figur 2 eine Anordnung und den Verlauf des Gradientenfeldes B_9|bezogen auf die Feldstärke B§ auf der Symmetrieachse im Punkt χ = 0 für den Fall der Ortsauflösung in einer Raumrichtung und in Figur 3 die mit dieser Anordnung gewonnenen Spektren mit und ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.For further clarification, the solution according to the invention is shown in one embodiment. The corresponding figures show in FIG. 1 the time course of the method according to the invention, in FIG. 2 an arrangement and the course of the gradient field B ₉ based on the field strength B§ on the axis of symmetry at the point χ = 0 for the case of spatial resolution in a spatial direction and in Figure 3, the spectra obtained with this arrangement with and without application of the method.

Im Ausführungebeispiel wird die Ortsauilösung in einer Raumrichtung realisiert, wie es sich bei räumlich heterogen zusammengesetzten Proben in herkömmlichen Probenröhrchen notwendig macht. Mit Hilfe des erfindungsgomäßen Verfahrens (Figur 1) ist es möglich, die Verteilung von Substanzen in dieser Probe zu bestimmen. Entsprechend Figur 2 ist ei" Gradientenspulensystem (GF) aus die Stromflußrichtung betreffend antisymmetrisch aufgebauten Helmholtzspulenpaaron zusammengesetzt, die auf einer Achse symmetrisch angeordnet sind. Die einzelnen Helrnholtzspulenpaare können sich in Stromrichtung und/oder in ihren geometrischen Abmessungen unterscheiden. Haben die bezüglich der Achse Süßeren Gradientenspulen - im Fall von Kreisringen die Spulen mit dem großen Radius -die entgegengesetzte Stromflußrichtung zu den inneren Gradientenspulen, so läßt sich bei geeigneter Wahl der geometrischen Parameter der gewünschte, Figur 2 zu entnehmende Feldverlauf erreichen. Der Effekt der Ortsauflösung wird erfindungsgemäß mittels NMR-Rofokussionsverfahren (Spin-Echo) realisiert. Die Signale aus dem inhomogenen Bereich des resultierenden statischen Feldes werden unterdrückt, wenn nur zwischen den beiden Impulsen des Spin-Echo-Verfahrens das Gradientenfeld angelegt wird, da in diesem Bereich zum Grundfeld senkrechte Anteile der Magnetisierung, die als Folge des ersten HF-Impulsos entstanden, dephasiert werden. Dieser Prozeß der transversalen Relaxation infolge der Inhomogenität des resultierenden Grundfeldes wird durch die Stärke des Gradientenfeldes und dadurch letztendlich durch die Stromstärke 1 in den Gradientenspulen bestimmt:In the embodiment example, the local ana solution is realized in one spatial direction, as is required for spatially heterogeneous composite samples in conventional sample tubes. With the aid of the method according to the invention (FIG. 1) it is possible to determine the distribution of substances in this sample. 2, a gradient coil system (GF) is composed of the current flow direction with respect to an antisymmetric Helmholtz coil pair, which are arranged symmetrically on one axis The individual pairs of helical coil coils can differ in the current direction and / or in their geometric dimensions Have the sweeper gradient coils with respect to the axis In the case of circular rings, the coils with the large radius-the opposite direction of current flow to the inner gradient coils, the desired field parameter to be taken can be achieved with a suitable selection of the geometrical parameters The effect of spatial resolution is determined according to the invention by means of NMR-Rfocussionsverfahren (FIG. Spin-echo) The signals from the inhomogeneous region of the resulting static field are suppressed if the gradient field is applied only between the two pulses of the spin-echo method, since in this region the basic field vertical portions of the magnetization that resulted from the first RF pulse are dephased. This process of transverse relaxation due to the inhomogeneity of the resulting fundamental field is determined by the strength of the gradient field and, ultimately, by the current 1 in the gradient coils:

(τ: Impulsabstand zw. π/2- und π-lmpuls yi gyromagnetisches Verhältnis k: Geometriefaktor)(τ: momentum difference between π / 2 and π-momentum yi gyromagnetic ratio k: geometry factor)

Entlang der Achse sind drei Kügelchen angeordnet und von einer zylindrischen HF-Spule (HF) umgeben, von denen die beiden äußeren mit einer Substanz (b) gefüllt sind, deren chemisch« Verschiebung von der in der mittleren Kugel («! verschieden ist. Die Spektren ohne (O) und mit (M) Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Figur 3 dargestellt.Along the axis, three spheres are arranged and surrounded by a cylindrical RF coil (HF), of which the two outer ones are filled with a substance (b) whose chemical displacement differs from that in the middle sphere Spectra without (O) and with (M) application of the method according to the invention are shown in FIG.

Claims

1. A method for obtaining spatially resolved NMR signals in a nuclear spin apparatus, in particular spatially resolved in vivo NMR spectroscopy and the medical imaging technique, wherein the sample is arranged in the superimposed by a gradient field, characterized in that an NMR Refocusing method (spin echo) is used, that further in the time course between the excitation and refocussing pulse of the refocussing a basic field superimposed gradient field (G,) is turned off and before the beginning of the next RF pulse and that finally the Gradient field is constructed such that the sample area to be examined is in the homogeneous, the rest of the sample area in the inhomogeneous area of the resulting field of field and gradient field.

2. The method according to claim 1, characterized in that first of the RF coil or device a π / 2 pulse (I ₁ ) is irradiated to the sample, that thereafter a gradient pulse is superimposed on the basic field, that is that the basic field of one to be switched on and before the beginning of the next RF pulse? again auszuschaltenenden gradient field (G ₁ ), which has a homogeneous, otherwise inhomogeneous course in the sample area to be examined, is superimposed that further at the time τ after the first pulse a π-pulse (I ₂ ) is irradiated and that finally at time 2 # τ after the pulse (I ₁ ) dau NMR signal (right edge of the echo (E)) recorded (A) is.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that in the time course between the refocusing pulse and the recording of the NMR signal in addition a gradient field (G ₂ ) according to claim 1, but superimposed with reversed Stromflußrichtung in the gradient field coils, the basic field ,

4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that before switching off the gradient field (G ₂ ), the current direction in the gradient coil system for a short time (<10% of the duty cycle) is reversed (G ₃ ).

5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that a surface coil is used as a transmitting and receiving device.