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Zweiquantenselektive magnetische Resonanzsequenz zum selektiven Bestimmen der
Kernmagnetisierung eines Metaboliten.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum selektiven Bestimmen einer
Kernmagnetisierung eines Metaboliten in einem Teil eines Objekts, das in einem
statischen homogenen Magnetfeld angeordnet ist, wobei Resonanzsignale mittels einer
zweiquantenselektiven Sequenz erzeugt werden, die wenigstens drei Hf-Impulse und in
einer einfachen Gradientenrichtung zwei dem statischen Magnetfeld überlagerte
Magnetfeld-Gradientenimpulse umfaßt, von denen einer in einem Entwicklungsintervall und
einer in einem Erfassungsintervall angelegt werden, um von den Hf-Impulsen erzeugte
Zweiquantenkohärenz zu wählen.
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Ein Verfahren dieser Art ist beschrieben in einem Artikel "Separation of
the different orders of NMR multiple-quantum transistions by the use of pulsed field
gradients", A. Bax et al., Chemical Physics Letters, Vol 69, Nr. 3, 1 Februar 1980, S.
567...570. In Fig. 2 d) ist auf Seite 569 des erwähnten Artikels eine Impuls- und
Gradientensequenz u.a. zum Sichtbarmachen nur von Zweiquantenkohärenz in einem
Mehrquantenversuch dargestellt. Die Sequenz umfaßt drei elektromagnetische Hf-90º-
Impulse, die zum Drehen eines Magnetisierungsvektors über 90º in einem
xyz-Koordinatensystem dienen. Zum lediglichen Sichtbarmachen der Zweiquantenkohärenz wird
an beiden Seiten des dritten 90º-Impulses einem statischen Magnetfeld ein
Gradientenmagnetfeld überlagert, so daß der Oberflächenbereich des Gradientenimpulses nach dem
dritten 90º-Impuls zweimal größer ist als der Oberflächenbereich des dem dritten 90º-
Impuls vorangehenden Gradientenimpulses. Für eine theoretische Auseinandersetzung
sei auf den Artikel verwiesen. Ein 2D-Spektrum wird aus Resonanzsignalen bestimmt,
die beim Ändern u.a. eines Mehrquanten-Entwicklungszeitraums erhalten werden, d.h.
dem Zeitintervall zwischen dem zweiten und dem dritten 90º-Impuls. U.a. für in vivo
MR-Messungen, bei denen es wünschenswert ist, Auskunft über einen vorgegebenen
Metaboliten zu erhalten, eignet sich ein Verfahren dieser Art nicht besonders, da die
Gesamt-Meßzeit oft zu lange ist. Es könnten 1D-Messungen durchgeführt werden, aber
in einem solchen Fall kann wichtige Auskunft verloren gehen, weil oft Überlappung von
in vivo bedeutsamen Metaboliten auftritt. Derartige Überlappungen erfolgen besonders
zum Beispiel im Falle gekoppelter Protonen, wie Alanin und Lactat in einem Objekt,
das nichtgekoppelte Wasserprotonen enthält. Beispielsweise kann ein Lactatspektrum,
möglicherweise auf eine ortsgebundene Weise gemessen, wichtige Auskunft über das
Objekt ergeben. Beispielsweise wird Lactat durch Muskelarbeit freigesetzt werden, und
ein Unterschied in der Lactatkonzentration kann zwischen gesundem und krankem
Gewebe bestehen. Karzinome können auch einen Unterschied in der Lactatkonzentration
nach Bestrahlung und/oder Chemotherapie aufweisen.
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Der Erfindung liegt u.a. die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum
selektiven Diskriminieren von Metaboliten in einem Objekt anzugeben, wobei
gleichzeitig die Gesamt-Meßzeit reduziert wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein erfindungsgemäßes Verfahren dadurch
gekennzeichnet, daß die zweiquantenselektive Sequenz wenigstens zweimal angelegt
wird, wobei dieselbe Dauer des Entwicklungsintervalls und ein anderes Vorzeichen
eines der zwei Gradientenimpulse benutzt wird, das Zeitintegral über den invertierten
Gradientenimpuls in einer Sequenz gleich dem Zeitintegral über den entsprechenden
nichtinvertierten Gradientenimpuls in der anderen Sequenz eines Sequenzenpaars ist, um
zwei verschiedene Resonanzsignale zu erhalten, die zum Erhalten eines ausgefilterten
Zweiquantensignals in Verknüpfung mit dem Metaboliten summiert werden, der durch
geeignete Wahl der Dauer des Entwicklungsintervalls ausgewählt wurde. Hierdurch
kann das Spektrum eines Metaboliten wie Lactat in einer verhältnismäßig kurzen
Zeitspanne gemessen werden. Der zeifliche Unterschied wird derart gewählt, daß ein
90º-Phasenunterschied beispielsweise zwischen Metaboliten wie Alanin und Lactat im
gefilterten Zweiquantenkohärenz-Resonanzsignal auftritt, so daß eine Diskriminierung
möglich ist.
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Es sei bemerkt, daß die Verwendung von Gradienten abweichender
Polarität zum Erhalten eines Echos und eines sog. Antiechos an sich aus dem Buch
"Two-Dimensional Nudear Magnetic Resonance in Liquids", von A. Bax, DUP, ISBN
90-277-1412-6, 1985, bekannt ist. Dieses Verfahren wird auf Seite 142 des Buchs
beschrieben. Jedoch gibt dieses Buch, das sich mit sog. Hochauflösungsspektroskopie
befaßt, keinerlei Hinweis auf die Kombination dieses Echos und Antiechos für
Metabolitendiskriminierung.
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Eine Abwandlung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch
gekennzeichnet, daß 180º-Nachfokussierungsimpulse nach dem ersten und dem dritten
Hf-Impuls erzeugt werden. Hierdurch wird Entphasierung durch chemische
Verschiebungen beseitigt und das Meßverfahren wird weniger anfällig für
Feldinhomogenitäten.
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Eine weitere Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Impulse für die Wahl eines
Untervolumens des Objekts schichtselektiv gemacht wird. Die Sequenz kann daher
volumenselektiv gemacht werden. Volumenwahl ist an sich bekannt und in vielen
Veröffentlichungen näher erläutert. Die schichtselektiven Impulse lassen sich mit einem oder
mehreren Gradienten zum ortsabhängigen Phasencodieren verknüpfen. Zum Vermeiden
ortsabhängiger Entphasierung unerwünschter Kohärenzen werden vorzugsweise die zur
Wahl der Zweiquantenhohärenz benutzten Gradienten nicht gleichzeitig zur Ortung
angewandt. Der zweiquantenselektiven Sequenz kann auch eine bekannte
volumenselektive Erregersequenz vorangehen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
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Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung, und
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Fig. 2 eine erfindungsgemäße zweiquantenselektive Sequenz.
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In Fig. 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße
Kernspinresonanzanordnung 1 mit einem Sender 2 und einem Empfänger 3 zum Übertragen
elektromagnetischer Hf-Impulse über eine Sender/Empfängerspule 4 auf ein Objekt 5 bzw. zum
Empfangen von Kernspinresonanzsignalen dargestellt, die von den elektromagnetischen
Hf-Impulsen im Objekt 5 erzeugt werden, wobei sich das Objekt 5 in einem statischen
homogenen Magnetfeld befindet. Die Anordnung 1 enthält das Mittel 6 zum Erzeugen
des statischen Feldes. Das Mittel 6 enthält Magnetspulen 7 und im Falle von
Widerstands- oder supraleitenden Magneten eine Gleichstromversorgungsquelle 8. Im Betrieb
der Anordnung 1, wobei das Objekt in den Magnetspulen 7 angeordnet ist, wird ein
geringer Überschuß an Kernspins (von Kernen mit einem Magnetmoment) in derselben
Richtung wie das statische Magnetfeld im Gleichgewichtszustand orientiert. Von einem
makroskopischen Gesichtspunkt aus gesehen, muß dies als eine Magnetisierung M
betrachtet werden, die eine Gleichgewichtsmagnetisierung ist. Die Anordnung 1 enthält
außerdem ein Aufbereitungsmittel, das mit dem Sender 2 und mit dem Empfänger 3
gekoppelt ist, einen Prozeßrechner 10, der mit dem Aufbereitungsmittel 9 und mit dem
Sender 2 verbunden ist, und ein Anzeigemittel 11 zum Anzeigen einer Kernspin-
Magnetisierungsverteilung, die unter Verwendung des programmierten Mittels 12 von
aus im Empfänger 3 empfangenen und demodulierten Resonanzsignalen nach der
Signalabtastung (Detektion von Resonanzsignalen). Insbsondere enthält der Sender 2
einen Hf-Oszillator 13 zum Erzeugen eines Trägersignals, einen Modulator 14 zue
Amplituden- und/oder Phasen- oder Frequenzmodulation des Trägersignals, einen
Leistungsverstärker 15 und einen Richtkoppler 16, der mit der Senderlempfängerspule
4 gekoppelt ist. Die Senderlempfängerspule 4 kann eine Spule sein, die das ganze
Objekt 5 einschließt, oder eine Spule, die einen Teil des Objekts 5 einschließt, oder eine
Oberflächenspule. Der Hf-Oszillator 13 ist mit dem Aufbereitungsmittel 9 und der
Modulator 14 mit dem Prozeßrechner 10 gekoppelt. Wenn Erregerimpulse mit einem
ungefähren Frequenzinhalt der Larmor-Frequenz bespielsweise von Protonen unter der
Steuerung des programmierten Mittels 12 und über den Sender 2 dem Objekt zugeführt
werden, werden Kernspinresonanzsignale erzeugt, aus denen mit Hilfe des
programmierten Mittels 12 unter Verwendung beispielsweise von Fourier-Transformation ein
Protonenspektrum bestimmbar ist. Der Empfanger 3 zum Empfangen der
Resonanzsignale enthält den Richtkoppler 16 und eine Empfangs- und Demodulationseinheit 17.
Die Einheit 17 ist beispielsweise ein doppelphasensensitiver Detektor, dessen
Ausgangssignale mit einem ersten und einem zweiten A/D-Wandler abgetastet werden. Der erste
und der Zweite A/D-Wandler 18 und 19 werden mit dem Aufbereitungsmittel 9
gekoppelt. Wenn eine getrennte Senderspule und Empfängerspule vorgesehen sind, fehlt
der Richtkoppler 16. Die Anordnung enthält außerdem das Mittel 20 zum Erzeugen von
Magnetfeldgradienten, die dem statischen homogenen Magnetfeld überlagert sind. Das
Mittel 20 enthält die Gradientenmagnetspulen 21, 22 und 23 zum Erzeugen eines
Magnetfeldgradienten Gx, Gy bzw. Gz sowie eine Stromversorgungsquelle 24, die der
Prozeßrechner zum Speisen der getrennt steuerbaren Gradientenmagnetspulen 21, 22
und 23 steuern kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sieht die Aufstellung im
Raum der Gradientenmagnetspulen derart aus, daß die Feldrichtung der
Magnetfeldgradienten mit der Richtung des statischen homogenen Magnetfelds zusammenfällt,
wobei die Gradientenrichtungen sich zueinander senkrecht erstrecken, wie in Fig. 1 mit
drei zueinander senkrecht verlaufenden Achsen x, y und
z angegeben ist. Wenn
Impulsund Gradientensequenzen dem Objekt 5 angelegt werden, können die Resonanzsignale
u.a. für Spektroskopie, ortsabhängigeSpektroskopie und für spektroskopische
Abbildsung verwendet werden. Für in vivo Kranialspektroskopie läßt sich eine sog.
Kopfspule und für andere Teile eine Oberflächenspule verwenden.
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In Fig. 2 ist eine zweiquantenselektive Sequenz nach der Erfindung in
Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt, wobei die Bezugszeichen t1 bis t7 eine Anzahl
von Zeitpunkten bezeichnen. Die erfindungsgemäße Sequenz ist zum Diskriminieren
zweiquantenselektierter Metaboliten ausgelegt, die eine schwache 3-Kopplung und
Überlappung im Frequenzspektrum aufweisen, beispielsweise die Diskriminierung
gekoppelter Protonen von Lactat und Alanin. In vivo sind diese Substanzen in einer
Umgebung nichtgekoppelter Protonen von Wasser und auch von vorgegebenen Fetten
vorhanden. Lactat enthält CH-Gruppen und CH&sub3;-Gruppen an verschiedenen Stellen im
Molekül. Infolge einer anderen chemischen Umgebung erfahren die CH-Gruppen ein
anderes Magnetfeld als das von den CH&sub3;-Gruppen erfahrene Feld, was sich als eine
andere chemische Verschiebung zeigt. Ein Proton in einer CH&sub3;-Gruppe ist mit einem
Proton in einer CH-Gruppe schwach gekoppelt und "sieht" einen Aufwärtsspin und
einen Abwärtsspin, so daß ein Proton in einer CH&sub3;-Gruppe jeweils Resonanzfrequenzen
ωo ±πJ, worin ωo die Larmor-Frequenz von Protonen in Wasser ist. Im Spektrum
zeigt die CH&sub3;-Gruppe von Lactat ein Dublet. Der Zustand ist hinsichtlich der CH-
Gruppe komplizierter, da die größere Anzahl von Kopplungen im Spektrum ein Quartett
gebildet wird. Alanin zeigt ebenfalls eine schwache 3-Kopplung. Die Koppelkonstante 3
ist im wesentlichen gleich für Lactat und Alanin. Erfindungsgemäß wird die 3-Kopplung
zum Diskriminieren von Molekülen als Lactat und Alanin benutzt. Für gekoppelte
Protonen können Mehrquantenkohärenzen erzeugt werden, wobei sich eine 1-Quantum-
Kohäherenz unterscheiden läßt, und 0-Quantum- oder Zweiquanten-Kohärenz nicht
unterscheiden werden können. 1-Kohärenz bleibt für nichtgekoppelte Spins übrig. Unter
der Steuerung des programmierten Mittels 12 wird zum Zeitpunkt t = t1 ein
elektromagnetischer 90º-Hf-Impuls p1 erzeugt, der eine Gleichgewichtsmagnetisierung im
Objekt 5 über 90º in einem Koordinatensystem x'y'z' dreht (sich in der Querrichtung
orientiert), das auf der Larmor-Frequenz von Wasser rotiert. Angenommen sei, daß die
z'-Achse mit der z-Achse des statischen xyz-Koordinatensystems zusammenfällt, so daß
die Gleichgewichtsmagnetisierung auf der z-Achse (in der Längsrichtung) orientiert ist.
Der Impuls p1 bewirkt 1-Quantum-Kohärenzen. Zum Zeitpunkt t = t2 wird ein
elektromagnetischer 90º-Hf-Impuls erzeugt. Bei schwach gekoppelten Spins können
dann 0-Quantum- oder Zweiquanten-Kohärenzen oder sogar höhere Quantenkohärenzen
erzeugt werden. Es kann nur die 1-Quantum-Kohärenz festgestellt werden. Im
Zeitintervall ta zwischen den Zeitpunkten t = t1 und t = t2 wird das Spinsystem bedingt. Nach
dem Zeitpunkt t = t2 geht das Spinsystem in das Zeitintervall tb über, bis der Zeitpunkt
t = t3 erreicht wird. Zum Zeitpunkt t = t3 wird ein dritter Hf-Impuls p3 erzeugt,
wobei 0-Quantum- und Zweiquanten-Kohärenzen in Form einer 1-Quantum-Kohärenz
feststellbar gemacht werden. Im Zeitntervall tc kommen Resonanzsignale im Empfänger
3 an. Nach dem Abtasten der Resonanzsignale bestimmt das Aufbereitungsmittel 9 ein
selektives Spektrum auf eine erfindungsgemäße Weise, die noch beschrieben wird,
möglicherweise geortet. Zum Ausfiltern nur der Zweiquantenkohärenz werden zu den
Zeitpunkten t = t4 und t = t5 jeweils Feldgradienten G1r und G2r (r = x, y oder Z)
zwischen den Impulsen p2 und p3 und nach dem Impuls p3 angelegt, wobei der
Gradientenimpuls G2r einen Oberflächenbereich hat, der doppelt so groß ist wie der des
Gradientenimpulses G1r. Zum Erhalten eines optimalen Signals werden über 180º-
Nachfokussierungsimpulse zwischen den Impulsen p1 und p2 und nach dem Impuls p3
erzeugt. Die bis jetzt beschriebene Sequenz ist bekannt. Für eine ausführlichere
Beschreibung sei auf den betreffenden Artikel von Bax sowie auf einen Artikel von
Sotak et al., JMR 78, S. 355...361(1988) verwiesen. Es sei ebenfalls bemerkt, daß
Moleküle wie Lactat und Alanin auf Basis des Unterschieds in Zweiquantenfrequenz
diskriminierbar sind. Zweiquantenkohärenz in einem gekoppelten Spinsystem entwickelt
sich mit der Summe der chemischen Verschiebungen im System. Erfindungsgemäß
werden jedesmal zwei von der Sequenz erzeugte Resonanzsignale erzeugt, wobei das
Vorzeichen des Gradientenimpulses G1r oder G2r jeweils in Sequenzen umgekehrt wird;
beispielsweise wird eine erste Sequenz mit den Gradientenimpulsen G1r und G2r und
eine zweite Sequenz mit den Gradientenimpulsen G1r' und G2r' erzeugt, wobei G1r'
eine Polarität hat, die von der von G1r abweicht. Im vorgegebenen Beispiel sind die
Zeifintegrale über die betreffenden Gradienten G1r und G1r' gleich. Die Gradienten G1r
und G1r' können gleiche Amplituden haben. Die ausgefilterten
Zweiquanten-Resonanzsignale werden summiert. Durch die Wahl einer geeigneten Dauer für das Zeitintervall
tb wird das aus Alanin abgeleitete ausgefilterte Zweiquantensignal oder das aus Lactat
abgeleitete ausgefilterte Zweiquantensignal unterdrückt. Auf der Basis einer sequenz
nach Fig. 2 einschließlich der Impulse p1 bis p5 und der Gradienten G1r (G1r') und
G2r läßt sich nachweisen, daß eine Sequenz Quermagnetisierungskomponenten Mx und
My erzeugt:
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Mx sin ω2q.tb und My cosin ω2q.tb,
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wobei die andere Sequenz die Quermagnetisierungskomponenten Mx und My erzeugt:
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Mx -sin ω2q.tb und My cosin ω2q.tb,
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worin ω2q eine Zweiquantenfrequenz ist.
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Erfindungsgemäß werden die betreffenden Signale summiert, so daß nur Cosinus-Terme
übrigbleiben, d.h.
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My cosin ω2q.tb.
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Wenn beispielsweise Lactat und Analin vorhanden sind, ist ein
amplitudenmoduliertes Signal von Cosinus-Termen, da ω2q von Lactat und Alanin abweicht. Lactat wird
durch die Wahl von tb selektiv gemessen, so daß
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cos ω2qA.tb = 0 und cos ω2qL.tb = 1,
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worin ω2qA die Zweiquantenfrequenz von Alanin und ω2qL die Zweiquantenfrequenz
von Lactat ist. Alanin wird durch die Wahl von tb selektiv gemessen, so daß
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cos ω2qA.tb = 1 und cos ω2qL.tb = 0.
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Das Entwicklungsintervall tb ist für die beiden Sequenzen gleich.
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Es sei bemerkt, daß das Verfahren auch für Impulswinkel unter 90º
verwendbar ist, und daß die 180º-Nachfokussierimpulse ausgelassen werden können. In
diesem Fall ist das erhaltene Signal nicht optimal. Das Zeitintervall ta kann gleich
1/(2J) gewählt werden. In der Praxis beläuft dies einige zehn ms, so daß
Signalreduktion durch Relaxation auftritt. Zum Erhalten eines optimalen Signals wird für ta in
der Praxis einen kleineren Wert als 1/(2J0 gewählt. Außerdem ist die Wahl von tb nicht
besonders kritisch. Zum Erhalten eines annehmbaren Signal-Rauschverhältnisses wird es
in der Praxis üblicherweise erforderlich sein, die Sequenz zu wiederholen und
Signalmittelung einzusetzen. Zum Ermöglichen georteter Verwendung der Sequenz können
beispielsweise die 90º-Impulse mit Hilfe der Gradienten Gz, Gy und Gx schichtselektiv
gemacht werden, wie in Fig. 2 dargestellt. Auf andere Weise kann der Sequenz eine
volumenselektive Erregersequenz beispielweise nach der Beschreibung in JMR 56, S.
350...354 (1984) in einem Artikel von Aue et al. vorangehen. Für spektroskopisches
Abbilden läßt sich die Sequenz erweitern, um auf bekannte Weise
Phasencodiergradienten einzuschließen.