DE2921253C2

DE2921253C2 -

Info

Publication number: DE2921253C2
Application number: DE2921253A
Authority: DE
Inventors: Colin George High Wycombe Buckinghamshire Gb Harrison; Ian Robert Sunbury On Thames Midd. Gb Young
Original assignee: Picker International Ltd
Current assignee: Philips Design Ltd
Priority date: 1978-05-25
Filing date: 1979-05-25
Publication date: 1992-07-09
Also published as: GB1584950A; JPS54156597A; JPH0146145B2; DE2921253A1; US4300096A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Bildern der Verteilung des Wassergehaltes oder der Spin-Spin- bzw. der Spin-Gitter-Relaxationszeitkonstanten in einem ausgewählten Bereich eines Körpers mittels gyromagnetischer Resonanz, insbesondere mittels kernmagnetischer Resonanz. Solche Methoden können zur Untersuchung von Körpern unterschiedlicher Art verwendet werden.

Es ist in letzter Zeit vorgeschlagen worden, diese Methoden für medizinische Untersuchungen vorzusehen, um die Verteilung des Wassergehaltes oder der obengenannten Relaxationszeitkonstanten in Querschnittsscheiben oder in Volumina von Patienten zu ermitteln. Trotz der unterschiedlichen Bedeutung sind die Bilder solcher Verteilungen ähnlich den Bildern der Verteilungen der Röntgenstrahlschwächung, die man bei der Computer-Tomographie erhält.

Kernmagnetische Resonanzsysteme (auch NMR-Systeme genannt) arbeiten derart, daß man den zu untersuchenden Körper unter Zuhilfenahme von Spulenanordnungen geeigneten Kombinationen magnetischer Felder unterwirft und die in einer oder mehreren Detektor-Spulenanordnungen induzierten Ströme feststellt. Es ist auch eine geeignete Aufeinanderfolge impulsförmiger Magnetfelder erdacht worden, um eine genaue und schnelle Untersuchung zu ermöglichen. Die befriedigende Arbeitsweise einer NMR-Apparatur hängt von der Bereitstellung von Feldern ab, welche exakt den gewünschten Bedingungen entsprechen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die ausreichende Präzision einer wichtigen Magnetfeldkomponente bei einer NMR-Apparatur zu gewährleisten.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend beispielhaft näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Form des G_R-Gradientenfeldes,

Fig. 2 die Beziehung des G_R-Gradientenfeldes zu anderen Feldern,

Fig. 3a eine bevorzugte Feldimpulsfolge,

Fig. 3b die Wirkungen der Impulse gemäß Fig. 3a auf die Kernspins,

Fig. 4 ein Blockschaltbild zur Steuerung der Impulsfolge,

Fig. 5 einen G_R-Impuls und das Wesen der erforderlichen Korrektur,

Fig. 6 die Korrektur in näheren Einzelheiten,

Fig. 7 einen anderen G_R-Impuls gemäß Fig. 4,

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer vollständigen NMR-Vorrichtung,

Fig. 9 die Anordnung der verwendeten Meßsonden,

Fig. 10 ein Blockschaltbild der Schaltung zum Ableiten der erforderlichen G_R-Impulskorrekturen und

Fig. 11 eine Schaltung zur Anwendung der Korrekturen auf die Impulsfolge.

Bei der Untersuchung einer Probe eines biologischen Gewebes durch kernmagnetische Resonanz werden in erster Linie Protonen (Wasserstoffkern) der Wassermoleküle in dem Gewebe erfaßt. Es können prinzipiell aber auch andere Kerne analysiert werden, z. B. die Kerne von Deuterium, Tritium, Fluor oder Phosphor.

Die Grundlagen der Analyse von Protonen durch kernmagnetische Resonanz in einer Scheibe eines Körpers sind allgemein bekannt. Diese Verfahren sind z. B. von P. Mansfield in "Contemp. Phys." 17 (6), 1976, 553-576, besprochen worden.

Der erste Schritt bei einer solchen Analyse besteht darin, soweit wie möglich sicherzustellen, daß Resonanz nur in der ausgewählten Scheibe des untersuchten Körpers auftritt. Da die Resonanzfrequenz (die Larmor-Frequenz) proportional zum Wert des gleichförmigen Magnetfeldes ist, wird die Scheibenauswahl durch Hinzufügen eine Gradientenfeldes erreicht, so daß das örtliche Feld in unterschiedlichen Scheiben des Patienten von unterschiedlicher Größe ist. Das homogene statische H_zo-Feld wird üblicherweise longitudinal zum Patienten angelegt. Das zusätzliche Gradientenfeld G_z wird ebenfalls angelegt.

Wenn dann das impulsförmige Hochfrequenzfeld H₁ mit der passenden Frequenz angelegt wird, tritt nur in derjenigen Scheibe des Körpers Resonanz auf, in welcher die durch H_zo und den örtlichen Wert von G_z festgelegte Resonanzfrequenz gleich der Frequenz des Hochfrequenzfeldes H₁ ist. Wenn der H₁-Impuls ein 90°-Impuls ist, klappt er die Spinvektoren der besagten Scheibe in die x,y-Ebene. Da der Wert des Feldes nur während des H₁-Impulses bedeutsam ist, ist es nur notwendig, daß G_z angelegt wird, wenn auch H₁ angelegt ist; in der Praxis ist deshalb auch G_z impulsförmig. Es ist nunmehr möglich, die Resonanzfrequenzen der Spinvektoren zu ändern, die jetzt in der x,y-Ebene präzidieren. Dies wird durch Anlegen eines weiteren Gradientenfeldes G_R

erreicht, welches parallel zu H_zo ist. Die Intensität von G_R jedoch variiert von einem Maximum an einer Außenseite der Scheibe über den Wert Null im Zentrum der Scheibe zu einem Maximum in umgekehrter Richtung auf der gegenüberliegenden Außenseite. Entsprechend werden die Resonanzfrequenzen von einer Seite zur anderen quer über die Scheibe gleichförmig variieren. Das G_R-Feld ist in Fig. 1 veranschaulicht. Die Felder sind in Fig. 2 schematisch in seitlichem Aufriß relativ zu einem Patienten 2 dargestellt.

Die von der Scheibe ausgesandten Signale weisen Frequenzen auf, die in der gleichen Weise wie G_R quer über die Scheibe variieren. Die Amplitude bei jeder Frequenz ist dann unter anderem ein Maß für die Protonendichte innerhalb eines Streifens parallel zur Null-Ebene von G_R. Vorzugsweise wird das gesamte Signal der Scheibe bei allen Frequenzen gemessen. Dieses wird dann in bekannter Weise einer Fourier-Analyse unterzogen, um ein Frequenzspektrum zu erhalten. Die zu jedem Streifen gehörende Frequenz ist durch die jeweils benutzte Feldstärke bekannt; die Amplitude für jede Frequenz ist durch das Spektrum gegeben.

Es ist augenscheinlich, daß durch Veränderung der Orientierung der Null-Ebene von G_R relativ zur x,y-Ebene weitere Gruppen von Signalen erhalten werden können, die Protonendichten längs Linien in weiteren Richtungen in der untersuchten Scheibe darstellen. Das Verfahren wird wiederholt, bis ausreichend Gruppen von "Eckwerten" zur Verarbeitung durch solche Verfahren, wie sie beispielsweise in der Röntgentomographie gebräuchlich sind, gewonnen worden sind. In der Praxis wird das G_R-Feld durch die Kombination zweier Gradientenfelder G_x und G_y erzeugt, welche beide parallel zu H_zo verlaufen, aber Gradienten in orthogonalen Richtungen haben. Die Richtung des Gradienten des resultierenden G_R-Feldes ist deshalb durch die relativen Größen von G_x und G_y gegeben.

Die vollständige Untersuchung für eine Richtung des G_R-Gradienten wird dadurch erreicht, daß über geeignete Spulen die Folge der in Fig. 3a gezeigten Impulse angewendet wird. Fig. 3b zeigt die Wirkung, die jeder Impuls auf den einzelnen Spinvektor ausübt. Das Hochfrequenzfeld H₁ kann als Drehfeld um die z-Achse verstanden werden. Entsprechend präzidieren die Spinvektoren nach der Anregung durch H₁ um die z-Achse. Zur Veranschaulichung sind die Spinvektoren in Fig. 3b in einem Koordinatensystem gezeigt, welches mit H₁ rotiert.

Betrachtet man Fig. 3a und 3b zusammen, so umfaßt der Impulszyklus sechs Phasen AB bis FG und eine Regenerierungsperiode, die durch die unterbrochene Linie dargestellt ist. Das H_zo-Feld ist während des gesamten Zyklus unterbrochen vorhanden.

Vor dem ersten Impuls oder, wenn ein früherer Zyklus ausgeführt worden ist, nach der Regenerierungs-Periode, liegen die mittleren Spinmomente im wesentlichen parallel zur z-Achse (A).

Die gleichzeitig angelegten Gradientenfelder und die H₁-Impulse (AB) wählen eine Scheibe aus und klappen die Spinmomente in die x,y-Ebene. Obwohl die Resonanzfrequenz durch die ausgewählte Scheibe hindurch die gleiche ist, ist eine Phasenverteilung vorhanden. Die durch L angezeigten Grenzen veranschaulichen diese Verteilung. Es wurde gefunden, daß die Phasenverteilung umgekehrt werden kann durch Anwendung eines negativen Feldgradientenimpulses; das ist ein Impuls mit der gleichen Größe wie G_z, aber um 180° versetzt. Dieser Impuls BC wird deshalb angewandt, um die Spinmomente in der x,y-Ebene in Phase wie bei C zu bringen. Das H₁-Feld braucht während des negativen Gradientenimpulses (G′_z) nicht vorhanden zu sein, aber es kann sich, wenn erforderlich, während jenes Impulses fortsetzen um sicherzustellen, daß die Spinmomente in der x,y-Ebene präzidieren.

Zu dieser Zeit könnte ein Signal abgefragt werden, welches aber nur ein Maß für die Protonendichte der ganzen Scheibe wäre. Jedoch wird das Signal in Gegenwart eines G_R-Impulses CD abgefragt, welcher - wie vorher beschrieben - eine Frequenzverteilung in einer gewählten Richtung in der Scheibe ergibt. Der Wechsel zu den neuen Frequenzen erfolgt fast augenblicklich mit dem Anlegen des G_R-Impulses und wird während des Impulses beibehalten. Wie angegeben, wird das Signal abgefragt und die Frequenz analysiert, um Protonendichten einer Mehrzahl benachbarter paralleler Streifen der Scheibe zu erhalten. Nach dem G_R-Impuls haben die Spinmomente, welche trotz gewisser Relaxation zum großen Teil noch in der x,y-Ebene präzidieren eine beträchtliche Phasenverteilung, wie bei D gezeigt ist. Wenn in diesem Stadium ein weiterer Zyklus - wie beschrieben - erforderlich ist, wäre es notwendig, die Spingitter-Relaxationszeit zum Wiederausrichten der Spinmomente in Richtung der z-Achse abzuwarten. Dies kann etwa 5 Sekunden in Anspruch nehmen, was zu lange dauert, wenn mehrere hundert oder vielleicht mehrere tausend Zyklen erforderlich sind.

Es wird vorgeschlagen, die Spinmomente durch Wiederholen der Impulsfolge bis zu D in umgekehrter Reihenfolge und umgekehrtem Richtungssinn in ihre Ausgangslage (A) zurückzubringen. Da der negative G_R-Impuls mit Ausnahme seiner Richtung im wesentlichen dem G_R-Impuls entspricht, können während des Impulses weitere Signale empfangen werden. Dies kann für die gleiche Richtung geschehen wie für den vorherigen Impuls und trägt somit dazu bei, das Signalrauschverhältnis zu verbessern.

Nach der umgekehrten Impulsfolge zeigen die Spinmomente als Folge der durch die Spin-Spin-Kopplung verursachten Phasenverteilung noch eine geringe Abweichung von der z-Achse. Dies kann nicht durch diese Impulsfolge und auch nicht durch irgendeine andere umgekehrt werden. Die Periode GA erlaubt deshalb eine gewisse Relaxation zum Wärmegleichgewicht (Zeitkonstante T₁) hin, welches die Wirkung der Phasenverteilung eliminiert und auch die Wirkungen jeglicher Fehlanpassung zwischen den einzelnen Impulsen reduziert. Obwohl die Regenerierungs-Periode GA noch erforderlich ist, hat die Anwendung der umgekehrten Impulsfolge D bis G diese Periode stark reduziert und erlaubt eine schnellere Wiederholung der gesamten Folge für andere Richtungen. Die Länge der Signalmeßperiode CE wird durch die Phasenverteilung, die durch die H_zo-Feldhomogenität verursacht wird, und auch durch die Verteilung bestimmt, welche durch die Spin-Spin-Kopplung verursacht wird. Wenn die Wirkung der H_zo-Feldinhomogenität als Hauptursache für die übermäßige Verkürzung der Periode CE angesehen wird, sollte der Impuls FG eher ein 180°-HF-Impuls als ein 90°-HF-Impuls sein. Die Drehung des Spinmoments um 180° erzeugt ein sogenanntes "Spin-Echo", und der G_R-Impuls kann wiederholt werden, um eine weitere Signalmeßperiode zu erhalten Das Spin-Echo-Verfahren wird angewandt, um die von der Feldinhomogenität herrührende Dephasierung der Spins umzukehren; es kann einige Male wiederholt werden, bis man ausreichend Signale erhalten hat oder bis die Dephasierung der Spins, welche nicht rückgängig gemacht werden kann, übermäßig wird. Wie in der Folge gemäß Fig. 3a sollte eine Spin-Echofolge mit den Impulsen EF, FG und der Regenerierungsperiode GA enden.

Das Verhältnis der Periode GA zur Periode AG sollte für maximale Empfindlichkeit vorzugsweise ungefähr gleich dem Verhältnis von T₁ zu T₂ sein. Typischerweise dauert die genannte Periode AGA 40 ms, AG ist angenähert 5,5 ms, AB ist 300 µsec und CD ist 2 ms. Der H₁-Impuls hat typischerweise eine Amplitude von 0,6 Oe (Oerstedt) und eine Frequenz von 4,26 MHz für ein statisches Magnetfeld H_zo der Stärke 1000 Oe. Alle anderen Impulse besitzen vergleichbare Frequenzen; für G_z sind +30 Oe bis -30 Oe typisch; G_R beträgt +15 Oe bis -15 Oe.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist G′z kleiner als G_z; typischerweise wird gefordert, daß gilt:

∫G′_zdt = 0,55 ∫G_zdt bis 0,6 ∫G_zdt

In Fig. 4 ist das Blockschaltbild eines Systems dargestellt, welches geeignet ist, die Impulsfolge in der zuvor erörterten Weise zu steuern. Ein Taktgeber 8 erzeugt Taktimpulse zur Steuerung des Systems und führt - wie gezeigt - anderen Einheiten Impulse zu. Vier Profilspeicher 9 _x, 9 _y, 9 _z und 9 _H speisen jeweils die Impulsformen der G_x-, G_y-, G_z- und H₁-Impulse. Diese Impulse sind als eine Folge von Stromamplituden in digitaler Form gespeichert und jeder Amplitude zugeordnet, und ebenfalls in digitaler Form ist die durch eine Anzahl von Taktimpulsen ausgedrückte Dauer gespeichert, während der jede Amplitude vorhanden sein soll.

Der Betrieb der vier Profilspeicher 9 wird durch einen Impulsfolgespeicher 10 gesteuert ,welcher in gleicher Weise eine Befehlsfolge für den Betrieb der Profilspeicher 9 und die Dauer (Anzahl von Taktimpulsen) der Arbeit jeder Stufe der Folge speichert, einschließlich der Pausen in der Folge. Als Speicher 9 und 10 werden herkömmliche ROM-Speicher verwendet.

Auf Befehl von einer zentralen Steuerung (in Fig. 7 nicht dargestellt) aktiviert der Impulsfolgespeicher 10 den ersten Profilspeicher, der - wie der Beschreibung der Impulsfolge zu entnehmen ist - für die H₁- und G_z-Impulse vorgesehen ist. Die geeigneten Speicher 9 liefern die Amplituden- und Dauer-Signale, die mittels Digital/Analog-Wandlern 11 in eine analoge Form gebracht und den jeweiligen Spulentreiberschaltungen 12 (x), 13 (y), 14 (H₁) und 15 (z) zugeführt werden. Die jeweiligen Treiberschaltungen, die von an sich bekannter Art, wie bei Treiberfeldspulen üblich, sein können, erzeugen den vorgeschriebenen Strom in der jeweiligen Spule für die vorgeschriebene Zeitdauer.

Die soweit beschriebene NMR-Vorrichtung läßt sich ohne Schwierigkeit realisieren, um die geforderten Daten einer Scheibe eines menschlichen Körpers zu erhalten. Um für diagnostische Informationen ausreichend genaue Ergebnisse zu erzielen, ist es jedoch erwünscht und in bestimmten Fällen wichtig, daß gewisse Faktoren, insbesondere das Magnetfeld, präzise gesteuert sind. Beispielsweise ist es erwünscht, daß das H_zo-Feld über der untersuchten Scheibe auf etw 0,0002% genau gleichförmig sein sollte. Diese Gleichförmigkeit kann durch die Qualität der verwendeten Spule und durch benachbarte ferromagnetische Materialien beeinträchtigt werden.

Auch die Gradientenfelder, die in der zuvor erläuterten Weise durch

G_x-(=G_R sin R-)
und G_y-(=G_R cos R-) Impulse gebildet sind,

erfordern eine große Präzision. Der G_R-Gradientenvektor soll mit dem geringstmöglichen Fehler in der gewünschten Richtung liegen. Weiterhin soll der negative G_R-Impuls den vorangehenden G_R-Impuls in umgekehrter Richtung wiedergeben. Die Erfindung befaßt sich nun mit der geforderten Genauigkeit von G_R. Zu diesem Zweck ist ein fortlaufend arbeitendes Steuersystem vorgesehen, welches auf die feldempfindlichen, innerhalb des Spulensystems angeordneten Sonden anspricht, um auf Änderungen des gemessenen Feldes relativ zu dem vorausberechneten Feld zu reagieren und geeignete Korrekturen vorzunehmen.

Das System kann auf zwei Arten betrieben werden. Einer der G_x- oder G_y-Impulse kann an den anderen angepaßt werden, um den G_R-Vektor wie gewünscht beizubehalten. Vorzugsweise ist derjenige Impuls, für den das zeitliche Integral über die Feldstärke größer ist, an denjenigen angepaßt, für den das Integral kleiner ist. Alternativ können beide einer Standard-Kurvenform angepaßt werden.

Wenn man ein Modell eines passenden Impulses benutzt, können die Feldmessungen, die durch Abtasten zu gewählten Zeiten erhalten werden sollen, berücksichtigt werden. In der Praxis ist es ausreichend, Abtastzeiten so auszulegen, daß die Feldabtastungen durch gleiche Zunahmen des Feldintegrals voneinander getrennt sind. Die Zeiten, zu denen diese Abtastungen erwartet werden, sind deshalb in der Steuerschaltung gespeichert.

Wenn zu diesen vorbestimmten Zeiten Abtastungen vorgenommen werden, ergibt die Differenz zwischen dem geeigneten Wert des Feldintegrals und dem tatsächlich abgetasteten Wert des Feldintegrals ein Fehlersignal E. Alternativ kann es angebracht sein, dann abzutasten, wenn die vorbestimmten Feldintegrale erreicht sind um die Abtastzeit zu registrieren. In diesem Fall wird das Fehlersignal durch die Diffenzen zwischen der Zeit, zu der eine einzelne Abtastung zu erwarten war, und derjenigen Zeit, zu der die Abtastung durch das Feldsondensystem bemessen wurde, bestimmt.

Es ist daran zu erinnern, daß der Strom, der die Felder erzeugt, den produzierten Feldern vorangeht. Es ist deshalb nur möglich, Korrekturen erst später in jedem Zyklus für die Fehler vorzunehmen, die schon aufgetreten sind. Die Fehler können allerdings gespeichert und für die Vor-Korrektur eines späteren Zyklus verwendet werden.

G_R-Impulse selbst können auch verschiedene andere Formen annehmen als die, die hier bevorzugt zur Anwendung kommen. In einer vorteilhaften Form könnten sie als Rechteckgradientenimpulse ausgebildet sein, obwohl dies in der Praxis aus technischen Gründen nicht möglich ist. Jedoch kann die Erfindung mit irgendeiner Impulsform verwirklicht werden, die in der Praxis realisierbar ist, indem Feldintegrale zu gewählten Zeiten berechnet werden.

Ein geeigneter Impuls ist eine Halbsinuswelle, I= I_o sin ωt, so wie er in Fig. 5 durch die ausgezogene Linie dargestellt ist.

Die realen Gradientenimpulse haben in der Praxis jedoch eine verzerrte Halbsinuswellenform, wie dies in Fig. 5 durch die unterbrochene Linie dargestellt ist. Die verzerrte Form kann zufriedenstellend verwendet werden, vorausgesetzt, daß jeder Impuls an den anderen angepaßt ist oder beide an eine gewählte Form angepaßt sind. Für die nachfolgende Beschreibung wird jedoch angenommen, daß die Anpassung an eine ideale Halbsinuswelle vorliegt.

Es ist erwünscht, die Feldfehler zu korrigieren, so wie sie auftreten und somit ihre Ansammlung zu verhindern. Daher wird der gemessene Wert des Feldintegrals während des Intervalls Δt zwischen dem Zeitpunkt t_n, an dem die Abtastung erfolgte, und t_n+1, d. h. der nächsten Abtastzeit, auf den geeichten Wert des Feldintegrals zurückgebracht. Der Fehler E hat die Dimension Ampère · Sekunden, und die Korrektur erfolgt durch einen Strom I_c in den Feldspulen während der Zeit Δt=t_n+1-t_n. Die gewünschte Wirkung ist in Fig. 6 in einer Kurve dargestellt, wobei das Feldintegral über t aufgetragen ist. Der Effekt dieser laufenden Korrektur über den Feldimpuls ist in Fig. 5 durch die gepunktete Linie verdeutlicht. Es wurde erwähnt, daß auch andere Feldimpulse benutzt werden können, und in Fig. 7, in welcher die ausgezogenen, die gestrichelten und die gepunkteten Linien die gleiche Bedeutung wie in Fig. 5 haben, ist eine andere Impulsform dargestellt.

Es ist festzustellen, daß der zur Durchführung der Korrekturen dienende Strom in der Induktivität nicht augenblicklich geändert werden kann. Es ist daher notwendig, eine Spannung anzulegen, derart, daß das Zeitintegral der Stromänderung den Fehler korrigiert.

Für Δt«2 ms ist in der Praxis

und somit fast linear.

Der lineare Gradient, der erforderlich ist, um das reale Φ auf das in Δt geeichte Φ zurückzubringen, ist

Der erforderliche Korrektorstrom während des Intervalls Δt ist demnach gleich

Es gibt viele mögliche Fehler, die von dem Verfahren der Impulserzeugung abhängen. Wenn bei dem Verfahren eine Hochleistungssinusquelle verwendet wird, sind Fehler der Impulsdauer und ein Ladespannungsfehler zwei der am häufigsten auftretenden Fehlerquellen; der erste Fehler kann etwa 1% betragen; der Ladespannungsfehler sollte nicht größer als 0,1% sein. Berechnungen zeigen, daß die Fehler in der Größen von 1-2×10^-6 Ampère · Sekunden liegen, wobei Δt≃50 µsec ist.

Eine typische Spule zur Erzeugung der Gradientenfehler hat eine Induktivität von etwa 6 mH; V_c liegt dann in der Größenordnung von 10 Volt.

Die Korrektur umfaßt drei Gesichtspunkte:

1. Korrektur der Wellenform auf ihre geeichte (nicht die ideale) Gestalt,
2. zumindest teilweise Korrektur der Fehler, sobald sie erscheinen, um eine Ansammlung zu vermeiden,
3. Anwendung einer festen Korrektur zwischen den Abtastzeiten.

Der akzeptable Fehler ist durch das Erfordernis gegeben, die Spinphase um ±0,1 Radiant zu steuern. Die gesamte Phasenänderung beträgt 128×2π Radianten oder 800 Radianten, so daß der maximal akzeptable Fehler ist:

Fig. 8 zeigt in vereinfachter Form eine NMR-Vorrichtung, die für medizinische Untersuchungen geeignet ist und die Impulsfolge verwendet, welche unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert worden ist und welche die Feldsteuerung der Erfindung zur Bestimmung der G_R-Impulse umfaßt.

Die Spulen 3, 4, 5, 6 und 7, welche schematisch dargestellt sind, werden jeweils durch die G_x-, G_y-, HF- (H₁-) und G_z-Treiberschaltungen 12, 13, 14 und 15 gemäß Fig. 4 und die H_zo-Treiberschaltung 16 gespeist und jeweils durch die G_xy- (G_R), H₁- G_z- und H_zo-Steuerschaltungen 17, 18, 19 und 20 gesteuert. Diese Schaltungen können in geeigneter Form aufgebaut sein, wie es bei NMR-Geräten und anderen Vorrichtungen mit durch Spulen induzierten Magnetfeldern bekannt ist. Die Schaltung, welche die Speicher 9 aus Fig. 4 umfaßt, wird durch die Schaltung 21 angesteuert, welche den Speicher 10 aus Fig. 4 umfaßt, um die beschriebene Impulsfolge oder irgendeine andere Impulsfolge zu erzeugen.

Das während des G_R-Impulses abgefragte Signal wird in den H₁-Spulen 6 empfangen und durch einen HF-Verstärker 22 verstärkt, bevor es einer Signalbearbeitungsschaltung 23 zugeführt wird. Die Schaltung 23 ist so aufgebaut, daß sie irgendwelche geeignete Eichungen und Korrekturen durchführt. Vor allem aber gibt die Schaltung 23 die Signale ab, welche nutzbaren Protonendichtewerte für die Linien in dem Körper entsprechen, um in Schaltungen verarbeitet zu werden und um die geforderte Darstellung zu erzeugen. Diese Schaltungen können speziell aufgebaut sein, um das Computer-Tomographie-Verfahren durchzuführen, wie in der deutschen Patentanmeldung P 24 20 500 beschrieben. Es ist jedoch vorteilhaft, das Verfahren mit einem geeignet programmierten Computer durchzuführen. Dieser Computer kann dann auch bequem die Impulsfolge steuern und somit auch die mit 21 bezeichnete Verarbeitungs- und Steuerschaltung bilden. Das erhaltene Bild ist auf einer Anzeigevorrichtung 24, die als Fernseh-Monitor ausgebildet sein kann, sichtbar, welcher Eingänge und andere Peripherien 25 zur Bereitstellung von Befehlen und Instruktionen für das Gerät oder andere Formen von Ausgängen umfaßt.

Soweit beschrieben, stellt das Gerät im wesentlichen eine Abwandlung bekannter Typen von NMR-Vorrichtungen dar, und das Gerät ist so aufgebaut, daß es mit der neuen, weiter oben beschriebenen Impulsfolge arbeitet.

Darüber hinaus enthält das Gerät jedoch zur Durchführung der Erfindung noch eine Feldmessung- und Fehlersignalschaltung 26, die über Verstärker 27 Signale von den gezeigten Feldsonden X₁, X₂, Y₁, Y₂, N und M empfängt. Die Position der Sonden in Relation zu der untersuchten Scheibe des Körpers 2 ist weiterhin in Fig. 9 dargestellt. X₁, X₂ stellen die YIG-Sonden dar; es sind dies Standard-Magnetfeldsonden, wie sie von R. M. Easson (The Microwave Journal, Feb. 1971, pp. 53-58 und 68) oder von Zublin et al. (The Microwave Journal, Sept. 1975, pp. 33-35 und 50) beschrieben worden sind. Diese Sonden ermöglichen lokale Messungen der Fehler, und zwar in Form von Schwingungen mit feld-proportionaler Frequenz (2,8 MHz/Oe). Daher werden die gemessenen Werte durch Zählen der Schwingungen in einer vorgegebenen Zeit erhalten. In der Praxis können die YIG-Sonden in unterschiedlichen Betriebsarten schwingen, und es ist erforderlich, die Betriebsart während des Betriebes zu bestimmen. Zu diesem Zweck sind NMR-Sonden M und N vorgesehen.

Diese Sonden sind einfache Miniaturzellen aus reinem Wasser (z. B. in Form einer geschlossenen Proberöhre), die von kleinen Spulen umgeben sind. Sie liefern eine zuverlässige Resonanz von 4,26 kHz/Oe und können verwendet werden, um die Betriebsarten der YIG-Sonden zu überprüfen. Sie besitzen jedoch eine unzureichende räumliche und zeitliche Auflösung, um als Ersatz für die YIG-Sonden für die Feldmessung verwendet zu werden. Die im Raum ortsfest fixierte Sonde N dient als Bezugsnormal. Eine bewegbare NMR-Sonde M kann benachbart zu den YIG-Sonden in Drehungen bewegt werden.

In Fig. 10 ist ein Blockschaltbild der Schaltung zur G_R-Feldkorrektur dargestellt.

Das Sondensystem ist bei Bezugszeichensystem 28 so wie in den Fig. 8 und 9 dargestellt. Jede Sonde liefert ein Ausgangssignal an einen Sondenverstärker 27. Die YIG-Sondensignale der Frequenz f (2,8 GHz für 1 kOe-Feld) werden in Mischern 29 gemischt, um sie auf Frequenzen zu bringen, die zum Zählen geeignet sind. Gewöhnlich wird f_o so gewählt, daß die Differenzfrequenz Δf=f-f_o in dem Bereich von 150-200 MHz liegt. Das Signal der Frequenz f_o wird von einem Taktgeber 30 (ein Kristall-Referenz-Taktgeber, der auch den Taktgeber 8 bilden kann) über einen Multiplizierer 31 erzeugt.

Die Signale der Frequenz Δf in jedem Kanal werden mit einem Faktor k in Multiplizierern 32 multipliziert. Der Faktor k kann viele verschiedene gewünschte Korrekturen beinhalten. Für den Augenblick besteht jedoch der bedeutendste Fehler darin, daß die YIG-Sonden in unterschiedlichen Betriebsarten schwingen können. Der Faktor k wird festgelegt, um die jeweilige Schwingungs- Betriebsart zu korrigieren und ein Signal einer Frequenz zu erzeugen, welche das gemessene Feld passend darstellt.

Die Frequenz kΔf wird in Zählern 33 über eine geeignete Periode gezählt, um das Feldintegral zu erhalten.

Wie zuvor erörtert, sind die Feldfehler für die G_x- und G_y-Impulse durch die Differenzen zwischen vorberechneten und gemessenen Feldwerten zu den Abtastzeiten bestimmt. Die vorberechneten Werte werden in einem RAM-Speicher 34 gehalten. Dieser Speicher kann durch irgendwelche geeignete Mittel vorgeladen werden. In der Praxis wird jedoch der zentrale Rechner, der die Verarbeitungs- und Steuerschaltung 21 umfaßt, programmiert, um die erforderlichen Werte zu berechnen, mit denen der RAM-Speicher 34 von der Verarbeitungs- und Steuerschaltung 21 her geladen wird. Die Feldfehler werden dann durch Bildung der Differenzen in Differenzschaltungen 35 erzeugt. Diese Differenzen werden für jede Sonde berechnet und in Einheiten 36 gemittelt, um X- und Y-Fehlersignale abzugeben. Wie zuvor erwähnt, erfolgt die Feldkorrektur durch Injektion von zu X und Y proportionalen Strömen in die G_R-Feldspulen.

Die Zählung in den Zählern 33 erfolgt während Perioden, die durch eine Zeitsteuereinheit 37 bestimmt werden. Diese Einheit nimmt den Ausgang des System-Taktgebers 30 auf und bildet Steuerimpulse, wie sie durch die Verarbeitungs- und Steuerschaltung 21 vorgegeben sind. Eine erforderliche Zählperiode für die YIG-Sonden kann aus ihren gegebenen Charakteristiken bestimmt werden. In typischer Weise bestehen die Zählsignale aus zwei eng benachbart angeordneten Impulsen mit je einem Verhältnis 1 : 40.

Die Korrektur für die verschiedenen Betriebsarten der YIG-Sonden erfolgt durch Verwendung der NMR-Sonde N mit der bewegbaren Sonde M. In einem anfänglichen Verfahren, bevor die Untersuchung beginnt, zählt der Zähler 38 den Ausgang der NMR- Sonde N nur in Gegenwart des H_zo-Feldes.

Wie gezeigt, wird diese Periode durch die Verarbeitungs- und Steuerschaltung 21 bestimmt, aber sie kann auch durch die Zeitsteuereinheit 37 bestimmt werden. Eine YIG-Sonde wird zu einer Zeit durch Bewegung der benachbarten M-Sonde auf die YIG- Sonde zu geeicht, so daß sie dasselbe Feld so nahe wie möglich "empfindet".

In der gleichen Periode, in der die Zählung einer Sonde aufgenommen wird, werden auch die Zählungen der anderen Sonden aufgenommen und in Speicher-Schaltungen 39 gehalten, die wie der Zähler 38 über Tore 40 und 41 gesetzt werden. Die Zählungen von 29 und 38 werden einer Korrektureinheit zugeführt, wobei die Zählungen von 38 über die Verarbeitungs- und Steuerschaltung 21 zugeführt werden. Die Korrektureinheit 42 bestimmt die Korrekturen, die in den Addierern 43 zu den Zählungen der Zähleinheiten 39 addiert werden, um den Faktor k zu erhalten, welcher die YIG- Sondenzählung auf die NMR-Zählung korrigiert. Der Faktor k ergibt eine einfache Korrektur, so daß kΔf die Zählung ist, welche die NMR-Sonde für das gleiche Feld ergeben sollte.

Das soweit beschriebene System ist geeignet, den G_R- Vektor zu steuern.

Es ist bereits erwähnt worden, daß die G_x- und G_y-Impulse aneinander oder an ein Bezugssignal angepaßt werden können. Jedoch steuert die Anpassung jedes Impulses an den anderen bloß den R-Vektor für jeden G_R-Impuls. Zurückkommend auf Fig. 3a sei daran erinnert, daß der G_R-Impuls umgekehrt zu dem negativen G_R- Impuls passen sollte, um die schnellstmögliche Erholung des Systems in der Periode GA zu geben. Wenn diese Zeit kritisch ist, ist es erwünscht, daß die Impulse an ein Bezugssignal angepaßt sind, welches für G_R und -G_R gleich ist. So ist eine schnelle Regenerierung möglich.

Die Art der Benutzung der bei 36 erzeugten X- und Y-Fehlersignale zur Steuerung der Korrektur der Impulsfolge ist in Fig. 11 dargestellt. Diese Figur zeigt Schaltkreise zur Steuerung der Korrektur des G_x-Impulses. Die entsprechenden Schaltkreise für G_y sind identisch, und deshalb ist in der Fig. 11 das Y in Klammern gesetzt.

Das X- (oder Y-)Korrektursignal, welches von der Einheit 36 abgeleitet wird, ist während der zuvor erklärten Abtastdauer Δt einer Teilerschaltung 44 zugeführt, um den erforderlichen Korrekturstrom abzuleiten. Dieser wird in einem Summierer 45 zu dem erforderlichen, vom Profilspeicher 9 abgeleiteten Strom und dem wie zuvor benutzten korrigierten Stromwert addiert. Da die Korrektur und Δt herkömmlicherweise in digitaler Form vorliegen, erfolgt die Addition der Korrektur vor dem Digital/Analog-Wandler 11.

Wenn gewünscht, kann die Korrektur von 44 auch benutzt werden, die Form in dem Speicher 9 zu korrigieren, wenn die Art des Speichers dies zuläßt.

Der Wert von Δt ist in diesem Beispiel in einem Speicher 46 vorgespeichert. Wenn die benutzte Impulsgestalt unkompliziert ist, können die Abtastzeiten vorberechnet werden.

Wenn die Abtastung komplizierter ist, kann die Abtastzeit bestimmt werden. In jenem Fall kann Δt in den Speicher 46 während eines Impulszyklus als beste Schätzung für den nächsten eingegeben werden.

Claims

1. Verfahren zur Untersuchung mindestens einer Scheibe eines Körpers durch kernmagnetische Resonanz mit folgenden Verfahrensschritten:

- Anlegen eines gleichförmigen statischen Magnetfeldes längs einer Achse des Körpers,
- Anlegen eines Gradientenfeldes, welches in Verbindung mit dem gleichförmigen statischen Magnetfeld ein vorbestimmtes Feld in der zu untersuchenden Scheibe des Körpers ergibt,
- Anlegen eines Hochfrequenzfeldes, um eine kernmagnetische Resonanz in der Scheibe zu verursachen,
- Anlegen eines Gradientenfeldimpulses, der ein Gradientenfeld über die Scheibe hinweg in einer bestimmten Richtung erzeugt, um eine Phasenverteilung der Resonanz zu bewirken,
- wobei das gepulste Gradientenfeld so beeinflußt wird, daß es zu verschiedenen Zeiten Gradienten in verschiedenen gewünschten Richtungen in der Scheibe aufweist, indem zwei orthogonale Feldkomponenten variiert werden, die zusammen das gepulste Gradientenfeld formen, und
- Abfragen des von der Scheibe herrührenden Kernresonanzsignals, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:
- wiederholtes Messen des gepulsten Gradientenfeldes an einer Vielzahl von Positionen in der Ebene der Scheibe,
- Ableiten von Fehlersignalen für jede dieser Messungen, die ein Maß für die Differenz zwischen den orthogonalen Feldkomponenten und jenen Feldern sind, die erforderlich sind, um das gepulste Gradientenfeld mit einer gewünschten Größe in der gewünschten Richtung zu erzeugen, und
- Verwendung der Fehlersignale, um für jede Messung die orthogonalen Feldkomponenten ihren jeweils geforderten Werten anzunähern.

2. Kernmagnetisches Resonanzgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1

- mit Mitteln zum Anlegen eines gleichförmigen statischen Magnetfeldes längs einer Achse des Körpers,
- mit Mitteln zum Anlegen eines Gradientenfeldes, welches in Verbindung mit dem gleichförmigen statischen Magnetfeld ein vorbestimmtes Feld in der zu untersuchenden Scheibe des Körpers ergibt,
- mit Mitteln zum Anlegen eines Hochfrequenzfeldes, um eine kernmagnetische Resonanz in der Scheibe zu verursachen,
- mit Mitteln zum Anlegen eines Gradientenfeldimpulses, der ein Gradientenfeld über die Scheibe hinweg in einer bestimmten Richtung erzeugt, um eine Phasenverteilung der Resonanz zu bewirken,
- wobei das gepulste Gradientenfeld so beeinflußt wird, daß es zu verschiedenen Zeiten Gradienten in verschiedenen gewünschten Richtungen der Scheibe aufweist, indem zwei orthogonale Feldkomponenten variiert werden, die zusammen das gepulste Gradientenfeld formen, und
- mit Mitteln zum Abfragen des von der Scheibe herrührenden Kernresonanzsignals, dadurch gekennzeichnet,
- daß Mittel vorgesehen sind, um das gepulste Gradientenfeld an einer Vielzahl von Positionen in der Ebene der Scheibe wiederholt zu messen,
- daß ferner Mittel vorgesehen sind, um für jede dieser Messungen Fehlersignale abzuleiten, die ein Maß für die Differenz zwischen den orthogonalen Feldkomponenten und jenen Feldern sind, die erforderlich sind, um das gepulste Gradientenfeld mit einer gewünschten Größe in der gewünschten Richtung zu erzeugen, und
- daß Mittel vorgesehen sind, um anhand der Fehlersignale die orthogonalen Feldkomponenten in ihren jeweils geforderten Werten anzunähern.