FI75428C

FI75428C - Foerfarande foer kartlaeggning av de kaernmagnetiska egenskaperna hos ett objekt, som skall undersoekas.

Info

Publication number: FI75428C
Application number: FI844561A
Authority: FI
Inventors: Raimo Sepponen
Original assignee: Instrumentarium Oy
Priority date: 1984-11-21
Filing date: 1984-11-21
Publication date: 1988-06-09
Also published as: JPH0576298B2; FI844561L; GB2167564B; DE3539256C2; GB8528021D0; GB2167564A; JPS61130863A; US4799015A; DE3539256A1; FI75428B; FI844561A0

Description

75428

MENETELMÄ TUTKITTAVAN KOHTEEN YDINMAGNEETTISTEN OMINAISUUKSIEN KARTOITTAMISEKSI

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 mukainen mene-5 telmä tutkittavan atomin ytimen ydinmagnetismin relaksaatio- ajan Τχ9 dispersion paikallisen jakautumisen selvittämiseksi kolmiulotteisessa kohteessa kuten esim. ihmiskehossa tai puunrungossa. Ydinmagneettisen resonanssi-ilmiön (YMR-ilmiö) olemassaolo todistettiin kokeellisesti vuonna 1946 10 kahden tutkimusryhmän toimesta (Pound, Purcell, Torrey ja

Bloch, Hansen, Packard). Tämä havainto johti nopeasti ilmiön laajaan soveltamiseen fysiikan ja orgaanisen kemian aloilla.

15 Kaikilla ytimillä, joilla on pariton lukumäärä protoneja tai neutroneja, on nollasta poikkeava impulssimomentti eli spin. Ytimillä on myös positiivinen sähköinen varaus, joka yhdessä ytimen spinin kanssa synnyttää ytinelle magneettisen momentin, jonka suunta yhtyy ytimen spinin akselin 20 suuntaan. Ytimen magneettisen momentin synnyttämää kenttää voidaan approksimoida magneettisen dipolin kentällä. Jos näyte, joka sisältää suuren määrän ytimiä asetetaan staattiseen magneettikenttään, pyrkivät ytimien magneettiset momentit suuntautumaan ulkoisen magneettikentän suuntai-25 siksi ja näytteelle syntyy ulkoisen magneettikentän suuntainen nettomagnetisaatio. Nettomagnetisaation suuruus on verrannollinen näytteessä olevien ytimien lukumäärään ja ulkoisen magneetikentän voimakkuuteen. Ytimien suuntautumista häiritsee ytimien lämpöliike, joten magnetisaation 30 suuruuteen vaikuttaa myös näytteen lämpötila. Lämpötilan noustessa magnetisaatio pienenee. Kvanttimekaanisesti voidaan tapahtumia kuvata siten, että ulkoinen magneettikenttä synnyttää ytimen spinkvanttiluvusta (I) riippuvan määrän energiatasoja, joille ydin voi tietyllä todennäköi-35 syydellä asettua. Vetyätornin ytimen eli protonin spin-kvanttiluku I * 1/2, joten protoni voi asettua kahteen energiatasoon joko siten, että sen magneettisen momentin suunta on sama kuin ulkoisen magneettikentän suunta tai tämän suunnan vastainen. .Näistä kahdesta ensinmainittu on 40 todennäköisempi ja energiatasojen miehityssuhteet noudattavat nk. Boltzmanin jakautumaa.

75428

Siirtyäkseen energiatasolta toiselle ydin joko vastaanottaa tai luovuttaa energiakvantin tietyn taajuisena sähkömagneettisena säteilynä. Säteilyn taajuuden määrää energiatasojen välinen erotus, joka on suoraan verrannollinen ulkoisen 5 magneettikentän voimakkuuteen. Tätä energiavaihtoon liitty vää taajuutta kutsutaan Larmor-taajuudeksi ja tätä ytimen ja ympäristön välistä energianvaihtoa ydinmagneettiseksi resonanssi-ilmiöksi. Ydinmagneettisen resonanssin perusteita on käsitelty mm. seuraavissa viitteissä: Abragam A.; 10 The Principles of Nuclear Magnetism. London Oxford

University Press., 1961 ja Slichter C.P.; Principles of Magnetic Resonance, Berlin, Springer Verlag, 1961.

Ydinmagneettista resonanssi-ilmiötä on tutkittu nk. jatkuva 15 säteilytys- (CW, Continuous Wave) ja pulssimenetelmällä.

Puissimenetelmät on todettu CW-menetelmiä tehokkaammiksi ja ovat näinollen käytössä YI-lR-spektroskopiassa ja nk. ydin-spinkuvauksessa.

20 Pulssimenetelmissä näytteeseen kohdistetaan Lannor-taajui nen sähkömagneettinen pulssi, jonka pituus on määrätty siten, että näytteen ydinmagneetisaatio kiertyy halutun kulman (Θ) verran ulkoisen magneettikentän suuntaan nähden. Yleensä valitaan sähkömagneettisen pulssin amplitudi ja 25 kesto siten, että (Θ) on 90°:een moninkerta. Yleisesti puhutaan 90°-een ja 180°-een jne. pulsseista. Viritys-tapahtuman jälkeen perusmagneettikentän B0-suunnasta poikkeutettu nettomagnetisaatio Mn prekessoi Larmor-taajuudella W0 B0:n suunnan ympäri. Tämä on todettavissa 30 asettamalla näytteen ulkopuolelle kela siten, että sen magneettinen akseli on kohtisuorassa Bc:n suuntaan nähden. Prekessoiva nettomagnetisaatio indusoi kelaan nk. FID-signaalin (Free Induction Decay), joka on Larmor-taajuinen ja jonka amplitudi on verrannollinen näytteen ydinmagneti-35 säätiön voimakkuuteen eli ytimien lukumäärään ja ulkopuo lisen magneettikentän voimakkuuteen.

Ydinmagneettisiin resonanssikokeisiin liittyviä pulssimene-telmiä on käsitelty mm. seuraavissa viitteissä: Farrar 40 T.C., Becker E.D.; Pulse and Fourier Transform NMR - 75428

Introduction to Theory and Methods. New York, Academic Press, 1971 ja Ernst R.R., Anderson W.A.; Application of Fourier Spectroscopy to Magnetic Resonance, Rev Sci Instrum, Vol. 37, No 1, 1966.

5

Virityksen yhteydessä ydinsysteemi vastaanottaa ulkopuolista energiaa virittävästä radiotaajuisesta kentästä ja virityksen jälkeen luovuttaa sen ympäristöönsä. Energian luovutus voi tapahtua koherenttina säteilynä, joka voidaan 10 havaita ulkoisella kelalla, tai energia voi siirtyä näytteen rakenteeseen lämpöliikkeeksi. Energian luovutuksen yhteydessä palaa näytteen nettomagnetisaatio lepoarvoonsa. Tämä prosessi on luonteeltaan eksponentiaalinen ja sitä karakterisoi relaksaatioaika Τχ. Tämä relaksaatioaika on 15 riippuvainen tutkittavan aineen rakenteesta, esimerkiksi nestemäisillä aineilla Ti on suhteellisen lyhyt (millisekunneista sekunteihin) kun taas kiinteillä aineilla Τχ on pitkä (minuuteista viikkoihin).

20 Näytteen lähettämän säteilyn koherenttisuus heikkenee virityksen jälkeen nopeudella, jonka määrää mm. tutkittavan aineen ominaisuudet ja ulkoisen magneettikentän homogeenisuus. Tämä aiheuttaa signaalin eksponentiaalisen vaimenemisen nopeudella, jota karakterisoi relaksaatioaika T2* (T2 25 tähti).

1/T2* = 1/T2 +γΔ B0/(2ir), · (1) missä T2 on näytteen spin-spin relaksaatioaika γ on gyromagneettinen suhde ΔΒ© on polarisoivan magneettikentän epähomoyeenisuus 30 näytteen yli

Relaksaatioaika Τχ9 kuvastaa ydinmagnetisaation relaksaatiota virittävässä radiotaajuuskentässä Βχ ja se voidaan mitata kohdistamalla näytteesen pitkäaikainen Larmor-taajui-nen säteilytys siten, että radiotaajuisen kentän vaihe on 35 sama tai vastakkainen kuin prekessoivan ydinmagnetisaation vaihe.

75428

Kaikki yllämainitut relaksaatioajat ovat riippuvaisia ytimien välittömästä ympäristöstä ja sen vaikutuksesta. Kuten edellä mainittiin, näytteen olomuoto vaikuttaa relaksaatioaikoihin, mutta myös ulkoisen magneettikentän 5 voimakkuus ja näytteen lämpötila muuttavat relaksaatio-aikoja.

Vetyatomin ytimen eli protonin käyttökelpoisuus lääketieteellisessä diagnostiikassa perustuu vedyn runsauteen 10 pehmeässä kudoksissa, joissa se on pääasiassa vesimole- kyyleihin sitoutuneena. Vesimolekyyli vuorostaan polaari-suutensa ansiosta sitoutuu eri tavoin eri proteeiini-ketjuihin ja tämä sitoutuminen muuttuu monesta eri syystä, kuten esimerkiksi patologisen prosessin ansiosta.

15

Relaksaatioaikoja ja niiden muutoksia on käsitelty mm. seuraavissa viitteissä: R. Damadian US PAT 3,789,832 ja Nuclear Magnetic Resonance 20 of Intact Biological Systems, Phil Trans R Soc Lond, 289, June 1980, R. Mathur de Vr4; Progress in Biophysics and Molecular Biology, Vol. 35, 103-134, 1979.

Kiinnostus YMR-ilmiön hyväksikäyttöön lääketieteessä heräsi 25 1970-luvun alussa. Tällöin R Damadian julkaisi tutkimustulokset, joiden mukaan pahanlaatuisen kasvainkudoksen relaksaatioaika T]_ on jopa kaksi kertaa* pidempi kuin vastaavan normaalikudoksen. Julkaisussa R. Damadian, US PAT 3,789,832, on kuvattu menetelmä pahanlaatuisen kasvain-30 kudoksen tunnistamiseksi siten, että mitattua kudoksen relaksaatioaikaa verrataan taulukoituihin relaksaatio-aika-arvoihin ja siten päätellään näytteen mahdollinen pahanlaatuisuus.

35 Myöhemmät tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, ettei relaksaatioaikojen muuttuminen ole millekään erityiselle patologiselle tilalle spesifinen. Yleisesti voidaan kuitenkin todeta, että relaksaatioajat muuttuvat herkästi eri sairaustilojen vaikutuksesta ja niitä voidaan siis 40 käyttää lääketieteellisessä diagnostiikassa.

5 75428

Julkaisussa US PAT 3,789,832 on kuvattu myös eräänlainen keilauslaitteisto ihmiskehon tutkimiseen YMR:n avulla. Tätä esitettyä ratkaisua ei voi kuitenkaan pitää minään spin-kuvauslaitteena'. Ydinspinkuvauksen perusajatuksen julkaisi 5 1973 P.C. Lauterbur viitteessään P.C. Lauterbur; Nature, 242, 190, 1973. Tässä julkaisussa hän esitti myös ajatuksen relaksaatioajan Τχ kartoittamiseen. Relaksaatioaikojen mittaamiseen on kehitetty useita pulssisekvenssejä, joista mainittakoon nk. Saturation Recovery- ja Inversion Recovery 10 -sekvenssit Tj_:n mittaamiseksi ja Spin-Echo-sekvenssi T2:n mittaamiseksi. Näitä sekvenssejä on käsitelty esimerkiksi viitteessä: Farrar T.C., Becker E.D.; Pulse and Fourier Transform NMR - Introduction to Theory and Methods,

Academic Press, New York, 1971.

15

Ydinspinkuvausmenetelmät voidaan jaotella karkeasti kolmeen luokkaan: 1. piste-, 2. viiva- ja 3. tilavuuskuvausmenetel-mät. Pistekuvausmenetelmissä tutkittava kohdealue kartoitetaan liikuttamalla kohdetta tai eri teknisin tavoin aikaan-20 saatua pistemäistä YMR-herkkää aluetta toisiinsa nähden.

Pistekuvausmenetelmien suurin haitta on niiden hitaus, eikä niitä näin ollen käytetä lääketieteellisessä kuvantamisessa. Erikoisjärjestelyin voidaan kuitenkin pistekuvaus-menetelmillä saada aikaan enemmän kudosinformaatiota kuin 25 esimerkiksi tilavuuskuvausmenetelmillä. Pistekuvausmene- telmiä on käsitelty viitteissä: Tanaka et ai: Proc. IEEE, Voi. 66, No. 11, 1582-1583, 1978, DamacTian: Offenlegung-schrift 2946847, Moore et ai: US PAT 4,015,196, Abc: US PAT 3,932,805, Garroway et ai: US PAT 4,021,726, Crooks et ai: 30 US PAT 4,318,043, Young: UK PAT APPL. GB 2122753 A.

Yhdistämällä hidas pistekuvausmenetelmä ja nopea ultraääni-kuvausmenetelmä siten kuin viitteessä Sepponen; FI PAT 64282 on esitetty voidaan pistekuvausmenetelmiä käyttää 35 hyväksi lääketieteellisessä diagnostiikassa.

Viivakuvausmenetelmiä on käsitelty mm. seuraavissa viitteissä: Moore et ai: US PAT 4,015,196, Sepponen: FI PAT 58868, Garroway et at: US PAT 4,021,196, Crooks et ai: US 40 PAT 4,318,043, Hutchison et ai: US PAT 4,290,019. Myöskin 75428 viivakuvausmejaetelmät ovat liian hitaita lääketieteelliseen kuvantamiseen ja niiden käyttö rajoittuukin vain tiettyihin erikoistapauksiin.

5 Kolmiulotteisen kohteen kuvaaminen on edullisinta suorittaa käyttämällä tilavuuskuvausmenetelmiä. Kohteesta voidaan nk. selektiivisen virityksen avulla rajata tutkittava kohdealue ja suorittaa tarkempi YMR-parametrien jakautuman kartoitus.

10 Selektiivinen viritys voidaan suorittaa kytkemällä kohteen yli viritettävän kohdealueen tasoon nähden kohtisuora magneettikenttägradientti ja moduloimalla virittävä radiotaajuinen pulssi siten, että sen taajuuskaistaleveys ja gradienttikentän voimakkuus vastaavat halutun kohde-15 alueen leveyttä. Toinen tapa rajoittaa kohdealue on käyttää hyväksi ajallisesti muuttuvaa magneettikenttägradienttia kuten viitteessä: Moore et ai; US PAT 4,015,196 on kuvattu. Myöskin on tunnettua käyttää hyväksi gradienttia virittävässä radiotaajuisessa pulssissa siten, että peräkkäisillä 20 virityskerroilla gradientin suunta muuttuu, jolloin stabiili YMR-signaali syntyy vain tasossa, jossa pulssin amplitudi on vakio.

Huomattavasti epätarkempi menetelmä on käyttää hyväksi 25 lähetin- ja vastaanotinkelojen geometrisia ominaisuuksia kohdealueen rajaamiseksi ja tätä menetelmää onkin käytetty hyväksi vain silloin kun halutaan suorittaa kohteesta YHR-spektroskopisia tutkimuksia. Tämän menetelmän soveltamista on kuvattu viitteissä: Ackerman et ai: Nature 283, 167, 30 1980, Haase et ai: J. Magn. Reson. 56, 401-412, 1984,

Bottomley et ai: Radiology, 150, 441-446, 1984.

Tilavuuskuvausmenetelmiä on kuvattu mm. viitteissä: Lauterbur; Nature, 242, 190-191, 1973, Ernst: US PAT 35 4,070,611, Hutchison et ai: International Patent

Application WO 81/02788, Sepponen: FI hak. 824343.

7 75428

Kuvauksen nopeuttamiseksi voidaan soveltaa menetelmiä, joita on kuvattu viitteissä: Edelstein et ai: GB Application 2079463, Mansfield; US PAT 4,165,479, Hinshaw:

Physics Letters 48A, No. 2, June 3, 87-88, 1974. Likes: US 5 PAT 4,307,343.

Ydinspinkuvausmenetelmistä voidaan erityisesti mainita nk. Fourier-kuvausmenetelmät, joiden eräs versio on kuvattu viitteessä Ernst: US PAT 4,070,611. Viitteessä kuvatun 10 menetelmän haittapuolena on se, että kerätään viritys-pulssin jälkeen syntyvä FID-signaali. Kerättävän FID-signaalin vaiheeseen koodataan yhden tai kahden kohtisuoran suunnan paikkainformaatio vakioamplitudisilla mutta vaihtelevan pituisilla gradienttipulsseilla. Tämän 15 menetelmän haittapuolena on mm. keräyshetken muuttuminen eri signaalinkeruukerroilla, mikä aiheuttaa menetelmän herkkyyden polarisoivan magneettikentän B0 epähomogeeni-suuksille ja näytteen T2 vaikuttaa siten myös kerättävään signaaliin.

20

Viitteesä Hutchison et ai: VK) 81/02788 on esitetty eräs Fourier-kuvausmenetelmän muunnos, jossa synnytetään eräänlainen spinkaiku magneettikenttägradientin suuntaa vaihtamalla. Tämä spinkaiku talletetaan ja sen vaiheeseen on koodattu 25 paikkainformaatio lukugradientin suuntaan nähden ortogonaa- lisella gradienttipulssilla, jonka amplitudia muutetaan eri toistokerroilla. Edullisempi tapa synnyttää spinkaiku on käyttää hyväksi nk. 180°:een refokusöintipulssia, jolla on kyky kompensoida peruskentän epähomogeenisuuksien vaiku-30 tusta lopulliseen kuvaan. Tämän menetelmän sovellutuksia on kuvattu viitteissä: Edelstein et ai: EP 91008, Bottomley et ai: EP 98426, Hutchison et ai: Proceedings of IS*·*1 Ampere Congress, Nottingham, 1974, 283-284 ja Sepponen: FI hak.

824343.

/ 35

Viitteestä Brunner P.: Journal of Mag. Res. 33, 83-106 (1979) on tunnettua nopeuttaa kolmiulotteisen kohteen tutkimista ydinspinkuvausmenetelmillä siten, että viritys-ja detektointivaiheet kohdistetaan ajallisesti peräkkäin 40 kohteen eri osiin. Tällöin vältetään ydinsysteemin toipumisajan aiheuttama tutkimuksen pitkä kestoaika.

75428

Nykyisin ydinspinkuvauksella kartoitetaan pääasiassa kohteen vedyn jakautumaa ja vetyatomin ytimen relaksaatio-aikojen Τχ- ja T2-jakautumia. Sensijaan relaksaatioajan Τχ9 kartoittamiseen soveltuvia menetelmiä ei ole julkisesti 5 esitetty. Selityksenä saattaa olla menetelmissä vaadittava voimakas radiotaajuinen pulssi, jonka kestoaika on suhteellisen pitkä (satoja millisekunteja). Yleisesti käytetyillä kuvauslaitteiden toimintataajuuksilla tämä johtaisia radiotaajuisen tehon absorboitumiseen tutkittavan henkilön 10 tai koe-eläimen kudoksiin, mikä saattaa aiheuttaa paikal lisia lämpötilan nousuja ja muodostaa terveydellisen riskin.

Ydinspinkuvausta on kuitenkin mahdollista suorittaa 15 suhteellisen matalilla kenttävoimakkuuksilla (alle 0.05T), jolloin käytettävä radiotaajuus on alle 2 MHz ja kuten tunnettua näin alhaisilla taajuuksilla radiotaajuinen sähkömagneettinen teho ei absorboidu kehon kudoksiin merkittävässä määrin.

20

Eräs menetelmä kohteen Τχ9-jakautuman kartoittamiseksi on esitetty viitteessä Sepponen FI hak. 842292. Τχρ:η avulla on saatavissa kuitenkin huomattavasti enemmän informaatiota kuin mitä pelkkä jakautuman lukuarvon kartoitus antaa.

25 Viitteessä R.R. Knispel et. ai.: Dispersion of Proton Spin-lattice Relaxation in Tissues, J. Magn. Reson. Vol. 14, 44-51, 1974 on kuvattu relaksaatioaikojen Τχ-, T2- ja Τχρ -riippuvuuksia polarisoivan magneettikentän B0 ja virittävän magneettikentän Βχ voimakkuuksista. Seuraavassa kutsu-30 taan ytimen relaksaatioajan Τχρ -riippuvuutta säteilyttävän magneettikentän Bxvoimakkuudesta Τχ9:η Βχ-dispersioksi. Kohteesta muodostettua Τχ?:η Βχ-dispersion paikallista jakautuman kuvaa kutsutaan Τχρ:η Βχ-dispersiokartaksi.

35 Kehon kudosten protoniresonanssin relaksaationopeuksiin vaikuttaa pääasiassa kolme mekanismia: Protonien vaihto vesimolekyylien kesken, vesimolekyylien pyöriminen ja diffuusio. Näin ollen kokonaisrelaksaationopeus on näiden kolmen tekijän summa 40 ^OTAL = Rex + bRrot + *1-b)Rdiff 9 75428

Relaksaationopeudet ovat riippuvaisia siitä magneettikenttä-voimakkuudesta, jossa relaksaatio tapahtuu. Täten Rex on riippuvainen virittävän magneettikentän voimakkuudesta ja myös polarisoivan magneettikentän voimakkuudesta. Rrot on 5 riippuvainen polarisoivan magneettikentän voimakkuudesta.

R^iff ei oleellisesti riipu magneettikenttien voimakkuudesta. Nämä riippuvuudet vaihtelevat eri kudosten välillä, ja näinollen on mahdollista karakterisoida kudoksia relak-10 saatioaikojen dispersion avulla. Relaksaatioaika T2 ei juurikaan riipu polarisoivan kentän voimakkuudesta, mutta sensijaan relaksaatioaika Tj omaa selvän kenttäriippuvuu-den.

15 Keksinnön mukaista menetelmää voidaan luonnollisesti soveltaa käyttäen suurempia kenttävoimakkuuksia, mikäli tutkittava kohde sen sallii. Tällöin voidaan menetelmään yhdistää kuvausmenetelmät, jotka muodostavat kohteen YMR-spektrin paikallisen jakautuman. Tällaisia menetelmiä on 20 kuvattu esimerkiksi viitteissä US 4,319,190, GB 2057142,

Journal of Magnetic Resonance Voi. 40, p. 209, 1980, FI-hak. 832 326 ja FI hak. 833807, Journal of Magnetic Resonance, Voi. 59, p. 536, 1984, FI PAT 65859. Tällöin voidaan muodostaa kunkin kemiallisen yhdisteen relaksaatio-25 ajan T]_ 9 dispersion tai itse ajan paikallinen jakautuma.

Kohteen relaksaatioajan T^9:n B^-dispersiokartan muodostamiseksi joudutaan viritystapahtuma ja kuvaussekvenssi toistamaan useita kertoja esimerkiksi käyttäen lukituskentän 3Q voimakkuuksia, jotka vastaavat 1, 5, 10 ja 50 kHz resonans-sitaajuuksia. Diagnostiikassa ehkä sopivat arvot ovat 2 ja 20 kHz. Mikäli tällöin lukituspulssin pituus on kummassakin tapauksessa vakio 1, saadaan kaavan (2) mukaisesti: I (x,y,z,Bi(n)) =l(x,y,z) exp(-x/T!(x,y,z,B1(n))) (2), 35 missä I (x,y,z,B^(n)) = kohdealkion x,y,z kenttää B^(n) vastaava signaali-intensiteetti T on lukituspulssin pituus I(x,y,z) on signaalin intensiteetti ilman lukitsevaa rf-kenttää 75428 10

Relaksaatioajan Τχ kenttäriippuvuuden eli dispersion määrittäminen esimerkiksi ihmiskehon kuvauksiin soveltuvilla laitteistoilla on hyvin vaikeaa. Polarisoivan kentän voimakkuutta tulisi muuttaa ainakin suhteessa 1:10, mikä vastaisi 5 resonanssitaajuuden muuttumista samassa suhteessa. Muutos nopeus ei saa ylittää turvallisuusrajoja, joka esim.

USAtssa on 3 Teslaa/s. Polarisoivan kentän muuttaminen vaatisi lähetys- ja vastaanotinkelojen uudelleenvirityksen, virityspulssien amplitudin kalibroinnin jne., ja on näin 10 ollen hyvin hankalaa.

Keksinnön mukaisella menetelmällä on mahdollista karakterisoida tutkittavan kohteen materiaalisia ominaisuuksia Τχ$:η Βχ-dispersion avulla. Tämän menetelmän avulla saattaa olla 15 mahdollista esimerkiksi lääketieteellisessä kuvauksessa erottaa rasvakudos muista kudoksista, joiden antama signaali on peräisin veden protoneista. Tämä on hyödyllistä esimerkiksi tiettyjen maksasairauksien tutkimisessa ja mm. rintasyövän havainnoinnissa ja diagnostiikassa. Rasvan ja 20 muun kudoksen erotteleminen on myös mahdollista protoni- spektroskopian avulla kuten on kuvattu viitteessä Sepponen FI 833807, mutta tämä vaatii laitteiston, jonka polarisoivan magneettikentän voimakkuus on yli 0.1S T. Sensijaan keksinnön mukainen menetelmä edellyttää vain 0.01...0.02 25 T:n magneettikenttää.

Viimeksimainittu kenttä on luonnollisesti huomattavasti helpompi toteuttaa ja laitteisto on näin ollen huokeampi ja mahdollistaa sellaisen laitteiston kehittämisen, joka 30 voidaan erityisesti suunnitella rintasyöpädiagnostiikkaan ja seulontatutkimuksiin. Luonnollisesti menetelmän etuna on ionisoimattoman säteilyn käytön välttäminen.

Keksinnön oleelliset tunnusmerkit käyvät ilmi pääpatentti-35 vaatimuksesta ja muut keksinnölle ominaiset piirteet ala vaatimuksista.

Keksinnön toimintaa on havainnollistettu oheisella piirustuksella, jossa L1 7 5 4 2 8 - Kuvio 1 esittää erästä keksinnön mukaista pulssisekvens-siä, jossa kuva muodostetaan kolmiulotteisesta kohteesta nk. projektiorekonstruktiomenetelmää käyttäen, 5 - Kuvio 2 esittää keksinnön soveltamista nk. projektio- rekonstruktiomenetelmää käyttäen ja keräämällä nk. spinkaiku, joka on synnytetty nk. refokusointipulssia käyttäen, 10 - Kuvio 3 esittää keksinnön soveltamista nk. projektio- rekonstruktiomenetelmää käyttäen ja keräämällä nk. spinkaiku, joka on synnytetty kääntämällä gradienttikenttä, - Kuvio 4 esittää keksinnön soveltamista nk. Fourier-mene- 15 telmää käyttäen ja keräämällä nk. spinkaiku, joka on synnytetty kääntämällä gradienttikenttä, - Kuvio 5 esittää keskinnön soveltamista nk. Fourier-mene-telmää käyttäen ja keräämällä nk. spinkaiku, joka on 20 synnytetty nk. refokusointipulssia käyttäen, - Kuvio 6 esittää erästä tapaa muodostaa nk. selektiivinen virityspulssi, jota voidaan soveltaa keksinnön yhteydessä, 25 - Kuvio 7 esittää erästä tapaa muodostaa nk. selektiivinen virityspulssi, jota voidaan soveltaa keksinnön yhteydessä.

Kuviossa 1 vaiheen 1 aikana kohdealueen ytimet viritetään mieluiten nk. 90°-pulssia käyttäen. Tämä pulssi voi olla 30 myös nk. adiabaattinen fast passage -pulssi. Tämän jälkeen kohdealueeseen suunnataan nk. lukituspulssi (vaihe 2), jonka amplitudi valitaan siten, että pulssin aikana vaikuttavat relaksaatioprosessit painottuvat halutuilla tavoilla ja jonka kesto on valittu siten, että haluttu määrä relak-35 säätiötä tapahtuu. Näiden pulssien suhteellinen ajankohta on merkitty RF-akselille. Vaiheessa 3 kohdealueen yli kytketään nk. lukugradientti, joka muodostuu kolmen orto-gonaalisen gradientin Gx, Gy ja Gz resultanttina ja jonka suuntaa ja amplitudia voidaan muuttaa näitä komponentteja 40 muuttamalla. Kohdealueesta indusoituva signaali S kerätään 75428 vaiheen 3 aikana, ke rääntie ajankohta on merkitty akselille D. Vaiheen 4 aikana relaksoituu kohdealueen ydinmagnetisaa-tio nopeudella, jonka määrää kohdealueen relaksaatioaika T^. Tämän jälkeen kuvattu pulssisekvenssi toistetaan 5 halutun monta kertaa, esimerkiksi 64...128 kertaa kaksiulotteisessa tapauksessa ja 4096...16384 kertaa kolmiulotteisessa tapauksessa. Kuvausprosessi toistetaan tämän jälkeen halutun monta kertaa muuttamalla mainitun lukituspulssin amplitudia siten, että relaksaatioprosessien 10 painotus muuttuu halutulla tavalla ja saaduista relaksaatio- kartoista voidaan muodostaa relaksaatioajän T^9:n B^-dispersion kartta.

Kuviossa 2 esitetty keksinnön sovellutus on muuten sama 15 kuin kuvion 1 yhteydessä on esitetty paitsi, että signaali kerätään synnyttämällä nk. spinkaiku nk. refokusointi-pulssin avulla.

Kuviossa 3 esitetty keksinnön sovellutus on muuten sama 20 kuin kuvion 1 yhteydessä on esitetty paitsi, että signaali kerätään synnyttämällä eräänlainen spinkaiku kääntämällä gradienttikentän suunta.

Kuviossa 4 on esitetty keksinnön mukaisen menetelmän 25 soveltamista nk. Fourier-menetelmän yhteydessä. Kuvion esittämässä tapauksessa signaali kerätään synnyttämällä gradienttikenttä (kuviossa Gx) ja paikkainformaatio muihin ortogonaalisiin suuuntiin koodataan spinkaiun vaiheeseen gradienttipulssien Gy ja Gz avulla (vaihe 3). Toistettaessa 30 muutetaan mainittujen gradienttipulssien aikaintegraaleja.

Kuviossa 5 on esitetty menetelmän soveltaminen käyttämällä hyväksi Fourier-menetelmää ja nk. refokusointipulssin (vaihe 4) avulla synnytettyä spinkaikua, muuten toiminto on 35 vastaava kuin kuvion 4 yhteydessä on selostettu.

Kuviossa 6 on esitetty eräs tapa muodostaa nk. selektiivinen virityspulssi, jota voidaan soveltaa kaikkien edellä-kuvattujen toimintavaihtoehtojen yhteydessä. Esimerkkinä on 40 valittu Z-suunta, jota vastaan ortogonaalisesti virittyvä 13 75428 alue muodostuu. Virityksen yhteydessä syntyvä epävaiheistus poistetaan kääntämällä gradientin suunta.

Kuviossa 7 on esitetty toinen mahdollinen tapa muodostaa 5 nk. selektiivinen virityspulssi. Virityksen yhteydessä syntyvä epävaiheistus poistetaan nk. refokusointipulssin avulla ja kytkemällä tämän jälkeen viipaleenvalintagra-dientti tietyksi ajaksi siten, että epävaiheistus poistuu.

10 Kuvioiden 6 ja 7 toimenpiteet voidaan suorittaa kaikkien kuvioiden 1...5 esittämien vaihtoehtojen yhteydessä vaiheessa 1.

Keksintö ei rajoitu yllä kuvattuihin sovellutusmuotoihin 15 vaan myös muita sovellutustapoja on ajateltavissa.

Luonnollisesti kohdeytimenä voi olla mikä tahansa YMR-kokeisiin soveltuva ydin kuten esimerkiksi vedyn, fosforin, natriumin, fluorin ja hiilen YMR-aktiiviset isotoopit. Menetelmän yhteydessä voidaan diagnostisen 20 herkkyyden parantamiseksi käyttää erilaisia relaksaatio- prosesseihin vaikuttavia aineita. Menetelmää voidaan soveltaa esim. kudoksen lämpötilan monitorointiin hypertermiahoidon yhteydessä.

25 Menetelmää voidaan myös soveltaa nk. Inversion Recovery -sekvenssin yhteydessä, jolloin saadaan Τι-painotus. Sana vaikutus voidaan aikaansaada myös lyhentämällä sekvenssin toistoväliä ja T2~painotus saadaan pidentämällä viivettä viritystapahtuman ja signaalinkeruun välillä. Näitä ajoituk-30 siä voidaan muuttaa siten, että tuloksena oleva kartta korostaa tiettyjä kohteen materiaaliominaisuuksia enemmän kuin toisia.

Claims

75428 PATENTTIVAATIMUS ET
1. Menetelmä kohteen, kuten esimerkiksi ihmiskehon tai sen osan, puun rungon, tietyn alkuaineen, kuten esimerkiksi 5 vedyn tai fosforin, ytimen relaksaatioajan :n B^-dis- persion paikallisen jakautuman kartoittamiseksi tunnettu siitä, että kohdealueeseen suunnataan nk. ensimmäinen virityspulssi, joka kiertää kohdealueen ytimien magnetisaatiota mieluummin 90° ja tämän jälkeen nk. toinen 10 virityspulssi, jonka vaihe ja taajuus on valittu siten, että relaksaatio tämän virityspulssin magneettivektoriin nähden tapahtuu ja suoritetaan tämän jälkeen tarvittavat toimenpiteet sinänsä tunnettuja nk. ydinspinkuvausmenetel-miä käyttäen ja toistetaan halutun monta kertaa ylläkuvattu 15 toimenpidesekvenssi muuttaen mainitun toisen virityspulssin amplitudia.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että mainitut ydinspinkuvausmenetelmät ovat nk. 20 projektiorekonstruktiomenetelmiä.
3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä tunnet-t u siitä, että mainitut ydinspinkuvausmenetelmät ovat nk. Fourie rmenetelmiä. 25
4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että mainittu ensimmäinen virityspulssi on nk. adiabaattinen fast passage -pulssi, jonka taajuus-pyyhkäisy päättyy mieluummin resonanssitaajuuteen. 30
5. Patenttivaatimuksn 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että mainittu ensimmäinen virityspulssi on nk. selektiivinen virityspulssi, jonka aikana on kytkettynä magneettikenttägradientti ja tämän toimenpiteen kohde-35 alueen ydinsysteemiin aiheuttama epävaiheistus poistetaan esimerkiksi kääntämällä mainitun magneettikenttägradientin suunta tietyksi ajaksi tai kohdistamalla kohdealueeseen nk. 180°-pulssi ja välittömästi tämän jälkeen mainitun magneettikenttägradientin suuntainen gradientti. 15 75428
6. Patenttivaatimuksen 1, 2, 4 tai 5 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että kohdealueen ydinmagneettisten ominaisuuksien kartoittamiseksi suoritetaan seuraava toimenpidesekvenssi: 5 a. Kohdealueeseen suunnataan mainittu ensimmäinen viritys-pulssi, joka kiertää magnetisaatiota mieluummin 90° ja joka voi olla nk. selektiivinen virityspulssi, joka on moduloitu siten, että sen taajuuskaista on rajoitettu ja jonka aikana 10 on kohteen yli kytkettynä nk. ensimmäinen magneettikenttä- gradientti. b. Poistetaan mainitun ensimmäisen virityspulssin aikana mahdollisesti syntynyt epävaiheistus esimerkiksi kääntä- 15 mällä mainitun ensimmäisen magneettikenttägradientin suunta tietyksi ajaksi tai kohdistamalla kohdealueeseen mieluummin nk. 180°pulssi ja kytkemällä mainittu ensimmäinen magneet-tikanttägradientti tietyksi ajaksi ja tiettyyn arvoon. 20 c. Kohdistetaan tutkimusalueeseen nk. toinen viritys- pulssi, jonka vaihe on valittu mieluummin siten, että se on sama tai vastakkainen tutkimusalueen prekessoivan ydinmagne-tisaation vaiheeseen nähden. 25 d. Kytketään tutkimusalueen yli nk. kolmas magneettikenttä- gradientti, jolla on tietty voimakkuus ja suunta, kerätään kohteesta indusoituva ydinmagneettinen 'signaali. e. Toistetaan edelläkuvattu toimenpidesekvenssi a...d 3Q halutun monta kertaa muuttaen mainitun toisen viritys- pulssin amplitudia. f. Toistetaan edelläkuvattu toimenpidesekvenssi halutun monta kertaa muuttaen mainitun kolmannen magneettikenttä- 35 gradientin suuntaa. 75428 g. Muodostetaan talletetuista ydinmagneettisista signaaleista esimerkiksi nk. projektiorekonstruktionenetelmää käyttäen kohteen ydintiheysjakautumakarttoja, jotka on painotettu relaksaatioprosessilla T^p, joka on tapahtunut mainitun 5 toisen virityspulssin eri amplitudien vaikutuksen alaisuudessa. h. Muodostetaan haluttaessa mainittujen ydintiheyskart-tojen avulla relaksaatioprosessin Ti 9:n Bi-dispersiokartta, 10 jota käytetään kohteen materiaalisten ominaisuuksien selvittämiseksi.
7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että ensin suoritetaan toimenpiteet a...d ja 15 sitten £ ja sitten e.
8. Patenttivaatimuksen 1, 2, 4 tai 5 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että kohdealueen ydinmagneettisten ominaisuuksien kartoittamiseksi suoritetaan seuraava toinen- 20 pidesekvenssi: S a. Kohdealueeseen suunnataan mainittu ensimmäinen viritys-pulssi, joka kiertää magnetisaatiota mieluummin 90° ja joka voi olla nk. selektiivinen virityspulssi, joka on moduloitu 25 siten, että sen taajuuskaista on rajoitettu ja jonka aikana on kohteen yli kytkettynä nk. ensimmäinen magneettikenttä-gradlentti. b. Poistetaan mainitun ensimmäisen virityspulssin aikana 30 mahdollisesti syntynyt epävaiheistus esimerkiksi kääntä mällä mainitun ensimmäisen magneettikenttägradientin suunta tietyksi ajaksi tai kohdistamalla kohdealueeseen mieluummin nk. 180°pulssi ja kytkemällä mainittu ensimmäinen magneetti-kenttägradientti tietyksi ajaksi ja tiettyyn arvoon. 35' c. Kohdistetaan tutkimusalueeseen nk. toinen viritys-pulssi, jonka vaihe on valittu mieluummin siten, että se on sama tai vastakkainen tutkimusalueen prekessoivan ydinmagne-tisaation vaiheeseen nähden. 17 75428 d. Kytketään tutkimusalueen yli nk. kolmas magneettikenttä-gradientti, jolla on tietty voimakkuus ja suunta, synnytetään nk. spinkaiku joko kääntämällä mainitun kolmannen mag-neettikenttägradientin suunta tai kohdistamalla tutkimus- 5 alueeseen nk. refokusointi RF-pulssi, joka on mieluiten nk. 180°-pulssi, jonka aikana mainittu kolmas magneettlkenttä-gradientti voi olla poiskytkettynä ja mainitun ensimmäisen magneettikenttägradientin suuntainen gradientti olla kytkettynä ja mainittu refokusointipulssi siten moduloitu, että 10 sen taajuuskaista on rajoitettu ja on näinollen nk. selektii vinen virityspulssi. e. Kerätään syntyvä spinkaiku. 15 f. Toistetaan edelläkuvattu toimenpidesekvenssi a...e halutun monta kertaa muuttaen mainitun toisen virityspuls-sin amplitudia. g. Toistetaan edelläkuvattu toimenpidesekvenssi halutun 20 monta kertaa muuttaen mainitun kolmannen magneettikenttä— gradientin suuntaa. h. Muodostetaan talletetuista ydinmagneettisista signaaleista esimerkiksi nk. projektiorekonstruktiomenetelmää 25 käyttäen kohteen ydintiheysjakautumakarttoja, jotka on painotettu relaksaatioprosessilla T19, joka on tapahtunut mainitun toisen virityspulssin eri alaisuudessa. i. Muodostetaan haluttaessa mainittujen ydintiheyskart- 30 tojen avulla relaksaatioprosessin T^pm Bi-dispersiokartta, jota käytetään kohteen materiaalisten ominaisuuksien selvittämiseks i.
9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä tunnettu 35 siitä, että ensin suoritetaan toimenpiteet a...e ja sitten g ja sitten £. 10. · Patenttivaatimuksen 1, 3, 4 tai 5 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että kohdealueen ydinmagneettisten 40 ominaisuuksien kartoittamiseksi suoritetaan seuraava toimen pidesekvenssi : 75428 a* Kohdealueeseen suunnataan mainittu ensimmäinen viritys-pulssi, joka kiertää magnetisaatiota mieluummin 90° ja joka voi olla nk. selektiivinen virityspulssi, joka on moduloitu siten, että sen taajuuskaista on rajoitettu ja jonka aikana 5 on kohteen yli kytkettynä nk. ensimmäinen magneettikenttä- gradientti. b. Poistetaan mainitun ensimmäisen virityspulssin aikana mahdollisesti syntynyt epävaiheistus esimerkiksi kääntä- 10 mällä mainitun ensimmäisen magneettikenttägradientin suunta tietyksi ajaksi tai kohdistamalla kohdealueeseen mieluummin nk. 180° pulssi ja kytkemällä mainittu ensimmäinen magneettikenttägradientti tietyksi ajaksi ja tiettyyn arvoon. 15 c. Kohdistetaan tutkimusalueeseen nk. toinen viritys-pulssi· jonka vaihe on valittu mieluummin siten, että se on sama tai vastakkainen tutkimusalueen prekessoivan ydinmagnetisaation vaiheeseen nähden. 20 d. Kytketään tutkimusalueen yli nk. kolmas magneettikenttägradientti, jolla on tietty voimakkuus ja suunta, synnytetään nk. spinkaiku joko kääntämällä mainitun kolmannen magneettikenttägradientin suunta tai kohdistamalla tutkimus- 25 alueeseen nk. refokusointi RF-pulssi, joka on mieluiten nk. 180°—pulssi, jonka aikana mainittu kolmas magneettikenttägradientti voi olla poiskytkettynä ja mainitun ensimmäisen magneettikenttägradientin suuntainen gradientti olla kytkettynä ja mainittu refokusointipulssi siten moduloitu, 30 että sen taajuuskaista on rajoitettu ja on näinollen nk. selektiivinen virityspulssi ja kytketään tutkimusalueen yli nk. kolmas magneettikenttägradientti, jonka aikaintegraali ennen ja jälkeen mainitun refokusointipulssin saa halutun arvon tai jonka aikaintegraali saa halutun arvon ennen 35 mainitun toisen magneettikenttägradientin suunnanvaihtoa. e. Kerätään syntyvä spinkaiku. f. Toistetaan edelläkuvattu toimenpidesekvenssi a...d 40 halutun monta kertaa muuttaen mainitun toisen viritys- pulssin amplitudia. 19 75428 g. Toistetaan edelläkuvattu toimenpidesekvenssi halutun monta kertaa muuttaen mainitun kolmannen magneettikenttä-gradientin suuntaa. 5 h. Muodostetaan talletetuista ydinmagneettisista signaa leista esimerkiksi nk. projektiorekonstruktiomenetelmää käyttäen kohteen ydintiheysjakautumakarttoja, jotka on painotettu relaksaatioprosessilla , joka on tapahtunut mainitun toisen virityspulssin eri amplitudien vaikutuksen 10 alaisuudessa. i. Muodostetaan haluttaessa mainittujen ydintiheyskart-tojen avulla relaksaatioprosessin :n B^-dispersiokartta, jota käytetään kohteen materiaalisten ominaisuuksien selvit-15 tämiseksi.
11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä tunnet-t u siitä, että ensin suoritetaan toimenpiteet a...e ja sitten g ja sitten f. 75428