WO1990010878A1 - Verfahren zur magnetischen resonanzspektroskopie oder -tomographie in einem vorwählbaren bereich eines materials und verwendung davon - Google Patents
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Definitions
- a method according to claim 1 for magnetic resonance spectroscopy or tomography in a preselectable area of a material After a transverse magnetization in the material has been excited or already exists, the preselectable area of the material is irradiated with a high-frequency pulse (spin-ock pulse) which, in conjunction with a weak magnetic field gradient, is applied to spin - Ocking of the transverse magnetization is suitable in the area of interest, while in the other material areas the gradient mentioned destroys the coherences.
- spin-ock pulse high-frequency pulse
- the coherence in the area of interest which is ultimately measured as free induction decay, is protected against phase decay with the help of the spin-lock pulse, which is discussed in detail below. All other spins are dephased by the weak field gradient.
- the invention is well compatible with numerous methods for editing (eg suppression of unwanted signals) and for further processing the spin coherences.
- a focal point of the invention is in the field of resonance spectroscopy, in which, in contrast to tomography, the main interest is not in image generation, but in the acquisition of measured values.
- the transverse magnetization of the material is generated by irradiation of a hard (i.e. a broadband) high-frequency pulse or a composite pulse or by means of another excitation method, the angle between Magnetic field and magnetization vector is preferably 90 ° This angle (flip angle) can also deviate from 90 °.
- the spin coherences generated in a layered or rod-shaped region are transferred according to intervals or pulse sequences effective for spectral editing or polarization transfer by a high-frequency pulse in the direction of the magnetic field or in another direction and then transferred with the aid a further slice-selective operation in spin coherences of a rod-shaped or parallelepiped-shaped region is transferred. It is also possible to connect further homo- or heteronuclear echo pulse sequences after the area selection, for example for editing purposes or polarization transfer purposes.
- the shape of the spin-lock pulse does not have to be changed, and within certain limits the thickness of the disk is independent of the length of the spin-lock pulse, in contrast to the conventional narrowband pulse techniques. As will be explained, satisfactory results can be achieved with a pulse-lock pulse duration of 3 to 20 ms, while a range of 5 to 10 ms is preferred.
- the impulse for the slice selection can be expanded to three dimensions (see below).
- Ms 1 (x) Mo • cos 2 [arctan (x • G x / B_)]
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Abstract
Es wird ein Verfahren vorgestellt, das in der magnetischen Resonanz-Tomographie angewendet werden kann. Ein bestimmter vorwählbarer Bereich einer Probe, z.B. eine Scheibe oder ein Volumenelement, wird selektiv angeregt, indem die Quermagnetisierung des gewünschten Bereiches durch Spin-Locking phasenangekoppelt wird, während die Spinkohärenzen im übrigen Raumbereich durch Phasenrelaxation zerstört werden. Die Dicke der gewünschten Scheibe oder die Abmessungen des gewünschten Volumenelementes können variiert werden, indem die Amplitude des Spin-Lock-Impulses eingestellt wird, während die magnetischen Feldgradienten konstant gehalten werden. Es können vergleichsweise niedrige magnetische Feldgradienten verwendet werden. Selbst mit solchen niedrigen magnetischen Feldgradienten kann eine gute räumliche Auflösung unter Verringerung der Energie der Hochfrequenzanregung erreicht werden. Aufgrund der verhältnismäßig geringen Energieeinstrahlung im zu untersuchenden Material eignet sich das Verfahren insbesondere für in-vivo-Anwendungen.
Description
VERFHREN ZUR MAGNETISCHEN RESONANZSPEKTROSKOPIE ODER -TOMOGRAPHIE IN EINEM VORWÄHLBAREN BEREICH EINES MATERIALS
UND VERWENDUNG DAVON.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur magnetischen Resonanz- Spektroskopie oder -tomographie in einem vorwählbaren Bereich eines Materials. Das Verfahren ist besonders geeignet, um in der Kernspinresonanz-Tomographie biologisches Gewebe zu unter¬ suchen. Zur Erfindung werden auch aus dem genannten Verfahren abgeleiteten Meßverfahren (z.B. Relaxometrie, Diffusionsmessun- gen, Flußmessungen) gerechnet.
Durch das US-Patent 4 743 850 (Sepponen) ist ein Verfahren zur räumlichen Feststellung der Relaxationszeit TIP im rotierenden Bezugssystem bekannt. Bei diesem Verfahren wird zuerst zum Erzeugen einer Transversalmagnetisierung ein π/2 Impuls und dann unter einem Winkel von 90° dazu ein Spin-Lock-Impuls auf die Probe eingestrahlt, beides in Abwesenheit von Gradienten.
Dann erfolgt eine Volumenauswahl mittels angelegter Gradienten und schließlich die Signalauswertung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verfahren bereitzu¬ stellen, bei denen zur schicht- bzw. volumenselektiven Erregung einer Probe keine starken Hochfrequenz- und Gradienten-Felder zur in-vivo-Untersuchung benötigt werden und bei denen eine verläßliche und vielseitige Signalerfassung aus dem interes¬ sierenden Bereich möglich ist.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 zur magnetischen Re¬ sonanz-Spektroskopie oder -tomographie in einem vorwählbaren Bereich eines Materials. Nachdem eine transversale Magnetisie¬ rung im Material angeregt worden ist oder bereits besteht, wird der vorwählbare Bereich des Materials mit einem Hochfrequenz¬ impuls (Spin- ock-Impuls) bestrahlt, der sich im Zusammenwirken mit einem gleichzeitig anliegenden schwachen magnetischen Feld¬ gradienten zum Spin- ocking der Transversalmagnetisierung im interessierenden Bereich eignet, während in den übrigen Mate¬ rialbereichen der genannte Gradient die Kohärenzen zerstört. Die Kohärenz im interessierenden Bereich, die letztlich als freier Induktionszerfall gemessen wird, wird gegen Phasenzerfall geschützt mit Hilfe des Spin-Lock-Impulses, der weiter unten im einzelnen diskutiert wird. Alle anderen Spins werden durch den schwachen Feldgradienten dephasiert.
Die Erfindung ist mit zahlreichen Verfahren zur Editierung (z.B. Unterdrückung unerwünschter Signale) und zur Weiterver¬ arbeitung der Spinkohärenzen gut verträglich. Ein Schwerpunkt der Erfindung liegt auf dem Gebiet der Resonanzspektroskopie, bei der im Gegensatz zur Tomographie das Hauptinteresse nicht in der Bilderzeugung liegt, sondern in der Gewinnung von Meßwerten.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird vor dem Anlegen des Spin-Lock-Impulses (SD die transversale Magnetisierung des Materials durch Einstrahlung .eines harten (das heißt eines breitbandigen) Hochfrequenzimpulses oder eines Composite- Impulses oder mittels eines anderen Anregungsverfahrens erzeugt, wobei der Winkel zwischen Magnetfeld und Magnetisierungsvektor vorzugsweise 90° beträgt. Dieser Winkel (Flipwinkel) kann auch von 90° abweichen.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver¬ fahrens werden die zu spin-lockenden Spinkohärenzen in voran¬ gehenden Präparations- und Evolutionsintervallen zum Beispiel für homo-oder heteronukleare Editierungs- oder Linienunter¬ drückungszwecke vorbereitet. Auch können zwischen oder nach den Schichtselektionsmaßnahmen Linienunterdrückungsimpulse angewendet werden. Außerdem können nach der Bereichselektion noch weitere homo- oder heteronuklear Echoimpulsfolgen zum Beispiel für Editier- oder Polarisationstransferzwecke angeschlossen werden.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als interessierender Bereich der Materialprobe eine dünne Schei¬ be ausgewählt, deren Dicke durch Variation der Amplitude des Spin-Lock-Impulses und/oder der Stärke des Feldgradienten ein¬ gestellt werden kann. Vorteilhaft ist es insbesondere, den Feldgradienten vorzugeben und während des Verfahrens konstant zu halten, und die Dicke der Scheibe nur durch Einstellen der Amplitude des Spin-Lock-Impulses festzulegen.
Nach dem Spin-Lock-I puls kann ein harter Hochfrequenzimpuls oder ein Composite-Impuls oder ein anderes Spinanregungsver¬ fahren angewendet werden, so daß die selektierte Schichtmagneti sierung in Richtung des Magnetfeldes oder einer anderen Richtun transferiert wird.
In einer weiteren Ausführungsform werden sequentiell zwei Schichtselektionen mit Hilfe von Gradienten in zwei verschie¬ denen Raumrichtungen durchgeführt, so daß die Magnetisierung eines stabför igen Bereichs in Richtung des Magnetfeldes oder einer anderen Richtung transferiert wird. Ein wohldefiniertes Volumenelement kann dadurch ausgewählt werden, daß sequentiell drei Schichtselektionen mit Hilfe von Gradienten in drei ver¬ schiedenen Raumrichtungen durchgeführt werden, so daß die Magnetisierung eines parallelepipedfδr igen Volumenbereichs in Richtung des Magnetfeldes oder einer anderen Richtung trans¬ feriert wird. Dabei kann die Magnetisierung des selektierten Bereichs durch einen Hochfrequenzimpuls oder ein anderes Spin¬ anregungsverfahren in die Transversalrichtung übergeführt und über einen freien Induktionszerfall ausgelesen werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird nach dem Ende des Spin- Lock-Impulses der Feldgradient selbstrefokussierend ausgebildet, so daß direkt auslesbare oder weiter evolvierende Spinkohärenzen des selektierten Bereichs entstehen (SLISE) .
Bei einer weiteren Ausführungs orm des erfindungsgemäßen Ver¬ fahrens werden die in einem schicht- oder stabförmigen Bereich erzeugten Spinkohärenzen nach spektreneditier-wirksamen oder polarisationstransfer-wirksamen Intervallen bzw. Impulssequenzen durch einen Hochfrequenzimpuls in Richtung des Magnetfeldes oder in eine andere Richtung transferiert und anschließend mit Hilfe einer weiteren schichtselektiven Operation in Spinkohä¬ renzen eines stab- bzw. parallelepipedfδrmigen Bereichs über¬ geführt. Es können auch nach der Bereichsselektion weitere homo- oder heteronukleare Echoimpulsfolgen zum Beispiel für Editierzwecke oder Polarisationstransferzwecke angeschlossen werden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver¬ fahrens wird vor, zwischen oder nach den Schichtselektionsma߬ nahmen eine Spinentkoppelung durchgeführt. Es kann auch vor,
zwischen oder nach den Schichtselektionsmaßnahmen die sogenannt dynamische Polarisation angewendet werden.
Es kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren von Vorteil sein, die Spin-Gitter-Relaxationszeiten im rotierenden Bezugssystem bereichsselektiv durch Variation eines oder mehrerer Spin-Lock- Intervalle zu bestimmen. Bei einer Ausführungsform des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens wird die Bereichsselektion mit der Bestimmung der Spin-Gitter-Relaxationszeit oder der transver¬ salen Relaxationszeit oder der dipolaren Relaxationszeit oder quadrupolaren Relaxationszeit oder des Diffusionskoeffizienten oder einer anderen zur Materialcharakterisierung geeigneten Meßgröße verknüpft.
Das vorliegende Verfahren hat den besonderen Vorteil, daß für den Spin-Lock-Impuls keine komplizierten Impulsformen benötigt werden, und daß die Impulsamplitude insbesondere bei in-vivo- Anwendungen genügend klein ist, um einen gefährlichen Pegel der Hochfrequenzstrahlung sicher zu vermeiden. Obwohl das Verfahren zur Kernspinresonanz-Untersuchung und Abbildung von biologischem Gewebe gedacht ist, kann es auch in der herkömm¬ lichen magnetischen Resonanz-Spektroskopie, z.B. in Elektronen spinresonanz-Spektrometern oder -Tomographen, auf organische und anorganische Proben angewandt werden.
Der hier verwendete Ausdruck "Transversalmagnetisierung" ist definiert als Komponente rechtwinklig zur Richtung eines kon¬ stanten Magnetfeldes Bo . Die Transversalmagnetisierung wird erzeugt durch ein Hochfrequenzimpuls oder durch einen unvoll¬ ständigen schnellen adiabatischen Resonanzdurchgang, oder sie ist schon von einer vorangegangenen Sequenz, (z.B. Editierung, Relaxationszeitmessung, Messung des Diffussionskoeffizienten usw.) vorhanden.
Die Spinkohärenzen der übrigen Bereiche, die im Anspruch 1
erwähnt sind, resultieren von der vorangegangenen Anregung, die beispielsweise durch einen π/2 Impuls erfolgte.
Von den Verfahren, für die die Erfindung hauptsächlich anwendbar ist, führt die magnetische Resonanzspektroskopie auf ein Spek¬ trum, die Tomographie auf eine Bilderzeugung, die Relaxometrie auf Relaxationszeiten, die Diffusions- und Flußmeßtechniken auf Diffusions- und Flußkenngrößen, z.B. die Geschwindigkeit einer Flüssigkeitsströmung.
Zur Erzeugung der Transversalmagnetisierung sind im Prinzip alle Winkel {Flipwinkel) gegenüber der Richtung des Magnetfelds Bo außer 0° und 180° möglich.
Unter Composite-Impuls wird ein zusammengesetzter Hochfrequenz¬ impuls verstanden, der bestimmte Flipwinkel erzeugt und dabei nur schwach von Fehl ustierungen beeinflußt wird.
Unter dem Ausdruck "spektreneditierwirksames Intervall" wird z.B. ein Intervall verstanden, in dem Mehrquantenkohärenzen zur Mehrquantenfilterung erzeugt wurden. Der Ausdruck "polari- sationstranferwirksames Intervall" bedeutet z.B. ein Intervall, wie es bei den bekannten Polarisationstranferverfahren (INEPT, DEPT, CYCLPOT, usw.) vorkommt. Solche Intervalle sind Bestand¬ teil konkreter Impulssequenzen.
Die Merkmale des Anspruchs 3 beziehen sich auf vorangehende Impulssequenzen, die zur Unterdrückung oder Filterung ("Edi¬ tierung") bestimmter Linien dienen. Beispiel: Mehrquantenfil¬ terung, CYCLPOT, Sättigungsimpulse usw..
Zu den Merkmalen des Anspruchs 4 wird bemerkt, daß Linienun¬ terdrückungsimpulse selektiv die Frequenz der zu unterdrückenden Linie anregen. Es kann jede spektral aufgelöste Linie unter¬ drückt werden.
Zum Anspruch 5 wird bemerkt, daß der Ausdruck "Bereichsselek¬ tion" als Oberbegriff für eine Schicht-, Stab- oder Volumense¬ lektion (Parallelepipedselektion) verwendet wird. Es gibt viele Impulssequenzen für die Filterung ("Editierung") bestimmter Linien. Das gleiche gilt für den Polarisationstransfer, der zur Verstärkung oder aber ebenfalls zur Editierung bestimmter Signale eingesetzt wird.
Der Zweck der in den Patentansprüchen 8 bis 10 beschriebenen Maßnahmen liegt darin, eine Magnetisierung in einer vorgegebene Richtung selektiv aus einem stab- oder parallelepiped-fδrmigen Bereich zu erzeugen.
Zum Anspruch 14 wird bemerkt, daß die Spinentkopplung dann von Interesse ist, wenn eine MultiplettaufSpaltung bzw. die dazu führende Evolution der Kohärenzen vermieden werden soll. Die Spinentkopplung wird durchgeführt, indem selektiv auf die ge¬ koppelte Spingruppe eine intensive Hochfrequenz eingestrahlt wird. Der Zeitpunkt ist nicht beliebig, sondern bezieht sich entweder auf ein Evolutions- oder ein Detektionsintervall. Bei der dynamischen Polarisation liegt der Zeitpunkt der Anwendung vor dem Signalnachweis.
Die Merkmale des Anspruchs 17 können dadurch konkretisiert werden, daß an sich bekannte Meßverfahren durch Meßgrößen, die mit der magnetischen Resonanz verknüpft sind, mit dem erfin¬ dungsgemäßen Volumenselektionsverfahren verknüpft werden, so daß volumenselektiv gemessen wird. So kann beispielsweise das im Anspruch 1 charakterisierte Verfahren einem Anregungsimpuls (π/2-Impuls) oder einem Inversionsimpuls (ein π-Impuls) nach einem variablen Intervall folgen. Das nachgewiesene Signal ist dann abhängig von der Spin-Gitter-Relaxationszeit.
Zum Anspruch 26 wird bemerkt, daß z.B. zwei Schichtselektionen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer nachfolgenden
schichtselektiven Anregung durch einen SINC-Impuls in Anwesen¬ heit eines Feldgradienten kombiniert werden.
Weitere Vorteile, Eigenschaften und Anwendungsmδglichkeiten der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie in der nachfol¬ genden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung angegeben.
Fig. 1 zeigt das Impulsschema des Spin-Lock-Impulses gemäß der vorliegenden Erfindung zur schichtselektiven Erregung von Spin¬ kohärenzen.
Fig. 2 zeigt Profile, die gemäß einer Ausführungsform der Er¬ findung gemessen wurden (links) , im Vergleich zu berechneten Profilen (rechts) .
Fig. 3 zeigt die Variation der Spin-Lock-Amplitude unter Berück¬ sichtigung der Scheibendicke gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 4 gibt das Impulsschema für drei-dimensionales Spin-Locking gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung an.
Fig. 5 zeigt zwei Probenbeispiele, die in Versuchsreihen benutzt wurden, um das volumenselektive Verfahren gemäß einer Ausfüh¬ rungsform der Erfindung zu testen.
Fig. 6 gibt Spektralkurven an, die von den Proben nach Fig. 5 aufgezeichnet wurden.
Die Richtung des konstanten Magnetfelds Bo wird in üblicher Weise als z-Richtung bezeichnet.
Eine bevorzugte Form des Hochfrequenzteils des Impulsschemas ist in Fig. la dargestellt, das einen harten (das heißt einen breitbandige , also nicht selektiven) π/2 Hochfrequenz-Impuls mit der Richtung 0°, das ist im Beispiel die x-Richtung, umfaßt,
gefolgt von einem Spin-Lock-Impuls (SD mit einer Phasendrehung von 90°, also im Beispiel in y-Richtung. Als "hart" wird bekanntlich ein breitbandiger- Impuls bezeichnet. Der magnetische Feldσradient (G) (im Beispiel in x-Richtung) wird gleichzeitig mit dem π/2 Impuls und dem Spin-Lock-Impuls angelegt. Dieser Gradient bewirkt eine Änderung des konstanten Magnetfelds Bo in Richtung der X-Achse, die rechtwinklig zum Vektor des Magnet¬ felds Bo verläuft. Die Amplitude Bi des Spin-Lock-Impulses und der Absolutwert G des Feldgradienten bestimmen in diesem Ausführungsbeispiel die Dicke 4J x einer auszuwählenden Scheibe, während die Position und Orientierung der Scheibe durch die Trägerfrequenz des Spektrometers bzw. die Richtung des Feldgradienten festgelegt wird:
Die Amplitude Bi des (zeitlich relativ langen) Spin-Lock- Impulses ist wesentlich kleiner als die des (zeitlich relativ kurzen) π/2 Impulses, so daß hohe Dosierungen von Hochfrequenz¬ strahlung bei Personenuntersuchungen vermieden werden können.
Während des Spin-Lock-Impulses relaxieren die phasenangekoppel¬ ten Spins entsprechend ihrer longitudinalen Relaxationszeit TIP im rotierenden Bezugssystem. Alle anderen Spins verlieren den festen Phasenbezug nach einer Zeitkonstanten T2 *, die für die momentane Bo-Feldverteilung charakteristisch ist. In Anwesenheit eines hinreichend starken Bo-Gradienten (das heißt, eines in irgend einer Richtung orientierten magnetischen Gradienten, der in seiner Richtung die Stärke des Magnetfelds Bo verändert) ist diese Zeitkonstante kurz im Vergleich zu der longitudinalen Relaxationszeit im rotierenden Bezugssystem. Wenn die Dauer des Spin-Lock-Intervalls ts 1 der Bedingung
T2 * << ts 1 << Ti P
genügt, ist die einzige Kohärenz, die bestehen bleibt und als freier Induktionszerfall erscheint, diejenige der Spins aus dem gewünschten Bereich. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann der in Fig. la gezeigte Feldgradient G in einer speziellen Richtung angelegt werden, z.B. in x-Richtung. Im Ergebnis wird dann ein Scheibenprofil abgetastet. Die Scheibendicke ist der Amplitude des Spin-Lock-Impulses proportional und zum Feldgra¬ dienten umgekehrt proportional. Die Dicke der Scheibe kann daher eingestellt werden, indem entweder beide Parameter gleich¬ zeitig variiert werden, oder ein Parameter bei Variation des jeweils anderen konstant gehalten wird. Vorzugsweise wird der Gradient konstant gehalten und die Amplitude des Spin-Lock- Impulses variiert. Die Form des Spin-Lock-Impulses muß nicht verändert werden, und die Dicke der Scheibe ist innerhalb be¬ stimmter Grenzen unabhängig von der Länge des Spin-Lock-Impul¬ ses, im Gegensatz zu den üblichen Schmalbandimpulstechniken. Wie noch ausgeführt wird, sind mit einer Impulsdauer des Spin-Lock-Impulses von 3 bis 20 ms zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen, während ein Bereich von 5 bis 10 ms bevorzugt wird.
Die durch Spin-Locking phasenangekoppelte Quermagnetisierung hat eine Relaxationszeit TιP während des Spin-Lock-Intervalls ts i . Das Kohärenz- und Spinzustandsänderungsecho, das nach Anlegen der vollständigen Impulsfolge aufgezeichnet wird, wird deshalb mit dem Proportionalitätsfaktor
gewichtet. Auf diese Art ist es möglich, TiP zu bestimmen oder Spektren mit partieller Tip-Relaxation zu messen. In einer weiteren Ausführungsform kann der Impuls für die Scheibenauswahl auf drei Dimensionen ausgeweitet werden (siehe unten) .
Fig. lb zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, in welcher die Impulsfolge mit einem harten π/2 Impuls in Abwesen¬ heit eines Gradienten beginnt. Der nach Ende des π/2 Impulses
beginnende Gradient weist eine Richtungsumkehrung auf, so daß ein Gradientenecho entsteht, das sein Maximum genau dann er¬ reicht, wenn das Feldgradientenplateau beginnt. Zu diesem Zeit¬ punkt wird der Spin-Lock-Impuls gestartet. Die Position der zu untersuchenden Scheibe wird durch den Offset der Sendefrequenz festgelegt. Der optimale Frequenzumschaltpunkt liegt genau beim Maximum des Echos, da dann keine Probleme mit Phasenjustie¬ rungen auftreten. Andernfalls müßte der Phasenunterschied zwi¬ schen der Hochfrequenzanregung und der Spinpräzession in Rechnung gestellt werden. Nach dem Spin-Lock-Impuls wird der Gradient so abgeschaltet (abermalige Richtungsumkehr) , daß ein weiteres Gradientenecho erscheint. Der Vorteil dieser Aus¬ führungsform liegt darin, daß die Transversalmagnetisierung in Abwesenheit des Feldgradienten erzeugt wird. Dadurch kann die Bandbreite oder Anregungsbandbreite des π/2-Impulses kleiner gemacht werden als beim Ausführungsbeispiel nach Fig. la. Die Position und Breite des vorwählbaren oder selektierten Bereichs wird wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. la bestimmt.
Es wurden Experimente durchgeführt, um die Wirksamkeit und Verläßlichkeit der Ausführungsform zu demonstrieren, die sich auf den bevorzugten Impulszug nach Fig. la stützt. Hierzu wurde ein in-vivo-Kernspinresonanzspektrometer Bruker BMT 47/40 be¬ nutzt, das mit einer Protonenresonanzfrequenz von 200 MHz ar¬ beitet. Ein Gradientenrohr von 30 cm Durchmesser wurde bei Zimmertemparatur in die horizontale Raumtemperaturbohrung des Magneten von 40 cm Innendurchmesser montiert. Der Probenbehälter bestand aus einem herkömmlichen Bird-cage-Resonator. Als Versuchsobjekt für die Schichtanregung diente ein x 4 4 cm3 großer, mit Wasser gefüllter Würfel.
Die Amplituden (Bi ) des Spin-Lock-Impulses wurden mit Hilfe der Länge eines π/2 Testimpulses geeicht. Die Dauer des harten π/2 Impulses war 90 μs. Die Spin-Lock-Periode wurde variiert, wobei zufriedenstellende Ergebnisse für t8 I -Werte im Bereich von 3 bis 20 ms, mit einem bevorzugten Bereich von 5 bis 10 ms,
erzielt werden konnten. Für die Versuchsprobe mit einem Feldgra¬ dienten von 1,4 kHz/cm (entsprechend 0,33 Gauss/cm) war die Phasenrelaxationszeit T2 * wesentlich geringer als die Dauer ts 1 des Spin-Lock-Impulses. Der linke Teil von Fig. 2 zeigt die Profile, die durch Fourier-Transformation eines Hahn-Echos (Spin-Echo) des freien Induktionszerfalls gewonnen wurden. Die Profile wurden mit dem relativ schwachen Bo-Gradienten von 0,33 G/cm aufgezeichnet. Zum Vergleich wurden die Profile be¬ rechnet nach der Formel
Ms 1 (x) = Mo • cos2 [arctan ( x • Gx/B_ )]
worin Ms 1 die phasenangekoppelte Magnetisierung, Mo die Magne¬ tisierung zu Beginn des Spin-Lock-Impulses, und x die Koordinate mit dem durch die Resonanzbedingung gegebenen Ursprung dar¬ stellen. Die so berechneten Profile sind in Fig. 2 rechts dar¬ gestellt. Die Übereinstimmung zwischen Messung und Rechnung beweist die Nützlichkeit und Verläßlichkeit der auf den be¬ schriebenen Spin-Lock- und Phasenrelaxationseffekten aufgebauten Methode.
Fig. 3 zeigt die Ergebnisse von Versuchen, bei denen die Am¬ plitude Bi des Spin-Lock-Impulses gemäß Fig. la variiert wurde. Man erkennt, daß die Schichtdicke linear von der Amplitude abhängt. Diese lineare Beziehung hat den Vorteil einer leichten Justierung der gewünschten Dicke, ohne die Notwendigkeit starker Feldgradienten oder komplizierter Impulsformen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Ver¬ fahren auf drei Dimensionen erweitert werden, so daß der in¬ teressierende Materialbereich als Volumenelement ausgewählt werden kann. Der Spin-Lock-Impuls wird vorzugsweise in Zeit¬ räumen angelegt, in denen die magnetischen Feldgradienten konstant sind. Ein bevorzugtes Impulsschema ist in Fig. 4 dargestellt. Die drei getrennten Hochfrequenzimpulsgruppen (erste drei Zeilen der Fig. 4) werden aufeinanderfolgend
angelegt, wobei während jeder Hochfrequenzimpulsgruppe ein Feldgradient (G , GY , G_ ) in einer der drei speziellen Koordi¬ natenrichtungen x, y und z anliegt. Jede Impulsgruppe besteht aus einem harten π/2 Impuls, einem Spin-Lock-Impuls (SD und einem abschließenden gleich- oder gegenphasigen harten π/2 Impuls. Letzterer bringt die phasenangekoppelte Kohärenz in die z-Richtung zurück. Dies hat den Vorteil, daß die Phasen und Frequenzen der Präzession und Abstrahlung sich nur während der Zeitspannen treffen müssen, in denen die Larmor- und Sendefre¬ quenzen konstant gehalten werden. Die z-Magnetisierung, die nach dem Anlegen der drei selektiven Spin-Locking-Sequenzen verbleibt, wird schließlich (Zeile 4) durch einen π/2 Leseimpul in die Transversalebene gebracht. Die Signalerfassung (AQ) ge¬ schieht in Abwesenheit jeglicher Gradienten.
Es ist zu beachten, daß bei dieser Ausführungsform die Gradien¬ ten während der Spin-Locking-Impulse konstant gehalten werden. Ohne diese Maßnahmen würde die adiabatische Magnetisierungs¬ übertragung zu oder von Richtungen, die außerhalb der Resonanz des effektiven Feldes liegen, die volle Ausnutzung des Dephasie rungseffektes behindern. Wie in der vorhergehenden Ausführungs¬ form für Scheiben, kann das Volumenelement auf einfache Weise justiert werden, indem die Amplitude der drei Spin-Lock-Impulse entsprechend eingestellt wird. Die Impulsgruppe nach Fig. 4 wird zur Volumenauswahl bevorzugt. Eine Modifikation auf der Grundlage des Impulses nach Fig. lb kann ebenso benutzt werden.
Die Qualität der Messungen mit Volumenselektion wurde in Experi menten überprüft, bei denen die in Fig. 5 gezeigten Proben verwendet wurden. Verschiedene Kunststoffkugeln wurden mit verschiedenen Substanzen gefüllt, die nach ihren bekannten Einzellinienspektren ausgewählt waren. Die Messung dieser Re¬ sonanzlinien ist demnach auch ein Indikator für die Lokalisie¬ rung der Signalerfassung. Die Fig. 6a und 6b zeigen die Proto¬ nenspektren, die mit einem Bruker BMT 47/40 Tomographen unter Verwendung der bevorzugten Impulsfolge nach Fig. 4 erhalten
wurden. Die Kurven wurden in jedem Fall mit einer einzigen Abtastung aufgezeichnet. Die Kurven I, II, III und IV in Fig. 6a wurden in Volumenelementen aufgenommen, die in Probebereichen mit derselben Bezeichnung wie in Fig. 5a liegen. In ähnlicher Weise wurden die Kurven I und II in Fig. 6b in dem entsprechen¬ den Bereich in der Probe nach Fig. 5b aufgenommen. Für die angeregten Volumenelemente wurden Abmessungen von 7 x 7 7 mm3 gewählt. Die Abweichungen aufgrund der chemischen Linienver¬ schiebungen (chemical shifts) der Substanzen wurden in Rechnung gestellt. Ein Spin-Lock-Impuls von 10 ms Dauer genügte, um die Effekte von kohärenten Bewegungen nicht phasenangekoppelter Spins zu vermeiden. Auch mit 5 ms waren die Ergebnisse noch zufriedenstellend. Die Dephasierungszeitkonstante T∑ * war wesentlich geringer als die Impulsdauer. Das erhaltene Spektrum korrespondiert genau mit der Position, die das ausgewählte Volumenelement haben soll.
Aus der obigen Darstellung ergibt sich, daß die vorliegende Erfindung vergleichsweise einfach in die Praxis umgesetzt werden kann und insbesondere für die Kernspinresonanztomographie gut geeignet ist. Es müssen keine komplizierten Impulsformen hergestellt werden und das interessierende Gebiet im Untersu¬ chungsobjekt kann durch Steuerung der Hochfrequenzamplitude des Spin-Lock-Impulses leicht justiert werden. Die Auswahl sehr dünner Scheiben (weniger als 1 mm Dicke) ist möglich, ohne starke Feldgradienten anzulegen. In diesem Fall (Scheibe mit 1 mm Dicke) wäre bei einem Feldgradienten von 0,33 G/cm eine Amplitude des Spin-Lock-Impulses von etwa 0,015 G (unter Berücksichtigung der Halbwertsbreite) nötig. Für die Signal¬ erfassung aus dickeren Bereichen werden vorzugsweise die Feldgradienten verringert, anstatt die Amplituden der Spin- Lock-Impulse zu vergrößern.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der Möglichkeit, Informationen über die Spin-Gitter-Relaxationszeit im rotieren¬ den Bezugssystem zu erhalten. Durch direkte Bestimmung dieser
Größe erhält man einen weiteren Parameter, der das zu unter¬ suchende Gewebe oder z.B. bestimmte Organe oder Organteile charakterisiert. Außerdem kann die Aufnahme von Tip-gewichteten Bildern bei der Beurteilung von Materialzuständen, insbesondere bei biologischem Material, von Interesse sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in der magnetischen Resonanz-Tomographie angewendet werden. Ein bestimmter vorwählbarer Bereich einer Probe, z.B. eine Scheibe oder ein Volumenelement, wird selektiv angeregt, indem die Quermagneti¬ sierung des gewünschten Bereiches durch Spin-Locking phasenange koppelt wird, während die Spinkohärenzen im übrigen Raumbereich durch Phasenrelaxation zerstört werden. Die Dicke der gewünsch¬ ten Scheibe oder die Abmessungen des gewünschten Volumenelemen¬ tes können variiert werden, indem die Amplitude des Spin-Lock- Impulses eingestellt wird, während die magnetischen Feldgra¬ dienten konstant gehalten werden. Es können vergleichsweise niedrige magnetische Feldgradienten verwendet werden. Selbst mit solchen niedrigen magnetischen Feldgradienten kann eine gute räumliche Auflösung unter Verringerung der Energie der Hochfrequenzanregung erreicht werden. Aufgrund der verhältnis¬ mäßig geringen Energieeinstrahlung im zu untersuchenden Materi eignet sich das Verfahren insbesondere für in-vivo-Anwendungen.
Claims
1. Verfahren zur magnetischen Resonanzspektroskopie oder -tomographie in einem vorwählbaren Bereich eines Materials, dadurch gekennzeichnet, daß eine Transversalmagnetisierung in dem vorwählbaren Bereich spin-gelockt wird, während die Spinkohärenzen der übrigen Bereiche in einem gleichzeitig angelegten Feldgradienten dephasieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Anlegen eines Spin-Lock-Impulses (SD die Transver¬ salmagnetisierung des Materials durch Einstrahlung eines harten Hochfrequenzimpulses oder eines Composite-Impulses oder eines anderen Anregungsverfahrens erzeugt wird, wobei der Winkel zwischen Magnetfeldvektor und Magnetisierungs¬ vektor vorzugsweise 90° beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu spin-lockenden Spinkohärenzen in vorhergehenden Prä¬ parations- und Evolutionsintervallen zum Beispiel für homo- oder heteronukleare Editierungs- oder Linienunter¬ drückungszwecke vorbereitet werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen oder nach den Schichtselek¬ tionsmaßnahmen Linienunterdrückungsimpulse angewendet werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Bereichsselektion weitere homo- oder heteronukleare Echoimpulsfolgen zum Beispiel für Editierzwecke oder Polarisationstransferzwecke angeschlossen werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vorwählbare Bereich eine Scheibe des Materials ist, wobei die Dicke der Scheibe durch Ein¬ stellen der Amplitude des Spin-Lock-Impulses (SD und/oder durch Einstellen der Stärke des Feldgradienten ausgewählt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldgradient vorgegeben wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Spin-Lock-Impuls ein harter Hochfrequenzimpuls oder ein Composite-Impuls oder ein anderes Spinanregungsverfahren angewendet wird, so daß die selektierte Schichtmagnetisierung in Richtung des Magnetfeldes oder eine andere Richtung transferiert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sequentiell zwei Schichtselektionen mit Hilfe von Gra¬ dienten in zwei verschiedenen Raumrichtungen durchgeführt werden, so daß die Magnetisierung eines stabförmigen Be¬ reichs in Richtung des Magnetfeldes oder eine andere Rich¬ tung transferiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sequentiell drei Schichtselektionen mit Hilfe von Gra¬ dienten in drei verschiedenen Raumrichtungen durchgeführt werden, so daß die Magnetisierung eines parallelepiped- fδrmigen Volumenbereichs in Richtung des Magnetfeldes oder eine andere Richtung transferiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Magnetisierung des vorwählbaren Bereichs durch einen Hochfrequenzimpuls oder ein anderes Spinan¬ regungsverfahren in die Transversalrichtung übergeführt wird und über einen freien Induktionsabfall ausgelesen werden kann.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldgradient nach Ende des Spin- Lock-Impulses selbstrefokussierend ausgebildet wird, so daß direkt auslesbare oder weiter evolvierende Spinkohärenzen des selektierten Bereichs entstehen. (SLISE)
13. Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß Spinkohärenzen eines schicht- oder stabförmigen Bereichs nach einem der vorhergehenden Ansprüche erzeugt werden, daß sie nach spektreneditier-wirksamen oder polarisationstransfer-wirk¬ samen Intervallen bzw. Impulssequenzen durch einen Hochfrequenzimpuls in Richtung des Magnetfeldes oder in eine andere Richtung transferiert werden und anschließend mit Hilfe einer weiteren schichtselektiven Operation in Spinkohärenzen eines stab- bzw. parallelepipedförmigen Bereichs übergeführt werden.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daß vor, zwischen oder nach den Schichtselektionsmaßnahmen spinentkoppelt wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor, zwischen oder nach den Schicht¬ selektionsmaßnahmen die sogenannte dynamische Polarisation angewendet wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spin-Gitter-Relaxationszeiten im rotierenden Bezugssystem bereichsselektiv durch Variation eines oder mehrerer der Spin-Lock-Intervalle bestimmt wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereichsselektion mit der Bestim¬ mung der Spin-Gitter-Relaxationszeit oder der transversalen Relaxationszeit oder der dipolaren Relaxationszeit oder der quadrupolaren Relaxationszeit oder des Diffusionskoeffizienten oder einer anderen zur Material¬ charakterisierung geeigneten Meßgröße verknüpft wird.
18. Verfahren nach eirem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des selektierten Be¬ reichs festgelegt werden, indem die Amplitude der Spin- Lock-Impulse eingestellt wird, während die zugeordneten Feldgradienten konstant gehalten werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des selektierten Be¬ reichs festgelegt werden, indem die Amplitude der Spin- Lock-Impulse konstant gehalten wird, während die zugeord¬ neten Feldgradienten eingestellt werden.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des selektierten Bereichs über die Trägerfrequenz eingestellt wird.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des selektierten Bereichs über die Gradientenstärke eingestellt wird.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das untersuchte Material organische Substanz umfaßt.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das untersuchte Material anorganische Substanz umfaßt.
24. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieeinstrahlung so gering ist, daß das Verfahren in vivo auf biologisches Gewebe angewendet werden kann.
25. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Kernresonanz- oder Elektronenspinresonanz- Spektrometern oder- -Tomographen.
26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beschriebenen Schichtselektionsma߬ nahmen mit anderen Methoden, die dem gleichen Zweck dienen, kombiniert werden.
27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Spinkohärenzen eines stabförmigen Bereichs erzeugt werden, indem sequentiell nach dem ersten Spin-Lock-Impuls ein harter Hochfrequenzimpuls oder eine Impulsgruppe wie zum Beispiel ein Composite-Impuls oder ein anderes Spinanregungsverfahren angewendet wird und nach dem anderen Spin-Lock-Impuls der Feldgradient selbstrefokussierend ausgebildet wird, wobei bei den beiden Spin-Lock-Impulsen nacheinander zwei nach Richtung und eventuell Betrag verschiedene Gradienten angelegt werden.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß Spinkohärenzen eines parallelepiped- förmigen Bereichs erzeugt werden, indem sequentiell zweimal nach Spin-Lock-Impulsen harte Hochfrequenzimpulse oder Impulsgruppen wie zum Beispiel Composite-Impulse oder andere Spinanregungsverfahren angewendet werden und nach einem dritten Spin-Lock-Impuls der Feldgradient selbstre¬ fokussierend ausgebildet wird, wobei bei den drei Spin-Lock-Impulsen nacheinander drei nach Richtung und eventuell Betrag verschiedene Gradienten angelegt werden.
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