Способ вычислительной томографии на основе ядерного магнитного резонанса

 

Изобретение относится к радиоспектроскопии и вычислительной топографии на основе ЯМР и может быть использовано для визуализации пространственной структуры исследуемых объектов . Цель изобретения - повьшение точности и чувствительности измерений путем уменьшения влияния переходных процессов при переключениях градиентов магнитного поля и увеличения соотношения сигнал/шум. Цель достигается выбором величин градиентов по осям X и Y, исходя из характерных размеров исследуемых образцов и задаваемой точности, а также за счет воздействия дополнительной последовательности 180°-ных импульсов, выбираемых из соотношения (180 -2i )m,i где С - интервал между импульсами, равный m - число накоплений; 11 - время спин-спиновой релаксации исследуемого образца. 1 ип. (Л

СОЮЗ СОВИТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК,.Я0„„1460682 А1 сМ) 4 G 01 N 24/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРОНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ спектроскопии и вычислительной топографии на основе ЯМР и может быть использовано для визуализации пространственной структуры исследуемых объектов. Цель изобретения - повышение точности и чувствительности измерений путем уменьшения влияния переходных процессов при переключениях градиентов магнитного поля и увеличения соотношения сигнал/шум. Цель достигается выбором величин градиентов по осям Х и 7, исходя из характерных размеров исследуемых образцов и задаваемой точности, а также эа счет воздействия дополнительной последовательности 180 -ных импульсов, выбираемых из соотношения (180 -2Г)ш,1 где 2 — интервал между импульсами, равный Т2/2m; m — число накоплений;

- Т вЂ” время спин-спиновой релаксации исследуемого образца. 1 ил. радиочастотным импульсом при наличии

Z-градиента магнитного поля в нем возбуждают только спины ядер, находящихся в плоскости, перпендикулярной оси Z. 111ирина выделенного слоя зависит от спектра 90-градусного селективного радиочастотного импульса и величины Z-градиента магнитного поля.

Направление выделения слоя выбрано условно, аналогичным образом можно

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРН ЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4051835/24-25. (22) 25.02.86 (46) 23.02.89 . Бюл. У 7 (71) Всесоюзный научно-исследовательский .:проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промьппленности (72) В.И.Крутских, А.М.Смирнов и И.Б.Рубашов (53) 539.1.078 (088.8) (56) Патент США N- 3789832, кл. G 01 Н 27/78, 1974.

Хиншо У.С., Лент А.Х. Основы ЯМРвизуализации: от уравнения Блока к уравнению визуализации. — ТИИЭР, 1983, т. 71, У 3, с. 77-81. (54) СПОСОБ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТОМОГРАФИИ НА ОСНОВЕ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА (57) Изобретение относится к радиоИзобретение относится к радиоспектроскопии и вычислительной томогра- . фии на основе ядерного магнитного резонанса и может быть использовано для визуализации пространственной структуры исследуемых объектов.

Цель изобретения — повышение точности и чувствительности измерений путем уменьшения влияния переходных процессов при переключении градиентов магнитного поля и увеличение соотношения сигнал/шум.

На чертеже представлена временная диаграмма импульсной последовательно сти, Способ осуществляется следующим образом.

При воздействии на исследуемый объект, помещенный в постоянное магнитное поле, 90-градусным селективным

1460682 выделить слой в любом направлении, включая Х-градиенты магнитного поля или любую линейную комбинацию градиейтов магнитного поля.

Таким образом, все дальнейшие рассуждения будут относиться к двухмерному слою, лежащему в плоскости XY.

Для того, чтобы получить данные, необходимые для получения . ЯМР-томо- 1р граммы, необходимо ввести кодировку резонансных условий по оси Х с помощью Х-градиента магнитного полн

С (1) и по "оси Y с помощью Y-гради-. ента магнитного поля С (1). Напри- 15 мер, если исследуемый объект помещается в постоянное магнитное поле Hä, то резонансные условия записываются следующим образом:

2р о= 3 о где м), — резонансная частота сигнала

ЯМР; гиромагнитное соотношение.

Наложим на исследуеяый объект дополнительно градиент магнитного поля, например, С x(t) тогда

Н=Н,+G„(t) Х, где Х вЂ” координата точки исследуемо- 30

ro объекта.

Следовательно, резонансные условия определяются так:

=у(н + -„() х) = v,+

+ G„(t) -х, 35

L G (С) 7 4H-N где L — характерный размер исследуе- 50 мого объекта.

Отсюда вытекает условие, опреде- . ляющее величину градиента

ЛН-N

G (t) 7

C точки зрения получения максимального соотношения сигнал/шум необходимо, чтобы градиент магнитного поля G „(t) был как можно меньше, так как прн т.е. резонансная частота зависит от координаты Х.

Следовательно, спектр сигнала ЯМР содержит информацию, которая .связана 4р с координатой любой точки X исследуемого объекта. В реальных условиях постоянное магнитное пол Н, не идеально и имеет неоднородность, обозначим ее

ДН. Тогда, для того, чтобы разделить в спектре сигнал ЯМР N точек, необходимо, чтобы выполнялось условие и

1 С Ä(t)at =

DH.N° . г

L. h увеличении градиента увеличивается ширина спектра сигнала ЯИР и, следовательно, уменьшается соотношение сигнал/шум.

Таким образом, оптимальная величина градиента магнитного поля определяется иэ соотношения

4Н N

С() - — ——

Все предшествующие рассуждения относящиеся к С (й), справедливы и для С (), Однако, описанный способ кодировки резонансных условий справедлив только для одномерного случая.

Указанным способом не может осуществляться кодировка и по .Х, и по У, так как п1 дновременном включении двух градиентов они суммируются и получается опять одномерная кодировка, но только по суммарной оси.

В данном способе кодировка сигнала ЯМР, необходимая для получения указанной матрицы, производится таким образом, чтобы переходные процессы, связанные с переключением градиентов G„(t) и G„(t), не влияли на сигнал ЯМР. Для этого кодирование по оси Y и по оси Х разнесены по времени, причем так, что кодирование по Y производится во время сигнала свободной индукции, а по оси Х вЂ” во время спинового эха.

Сразу после окончания 90-градусного селективного радиочастотного импульса возникает сигнал свободной индукции. Для кодировки этого сигнала по оси Y необходимо, чтобы через интервал времени сигнал ЯМР имел фазу, пропорциональную величине градиента, умноженной на время fi,÷òoáû разрешить N точек в объекте с характерным размером 1 в постоянном магнитном поле с неоднородностью 4Н необходимо иметь градиент магнитного

4НМ поля равный — — —. Следовательно во

L

У время n-ro цикла сканирования конечная фаза Ц„ сигнала ЯМР через время

ZHNп 1

7 должна быть равна †---, С

L n другой стороны, ц„аналогично можно определить через С „(1) dt таким с образом

1460682

Кодирование по оси У производится во время спинового эха. Следовательно; необходимо, чтобы фаза сигнала ЯМР за время перед 180-градусным ра5 диочастотным импульсом дополнительно была увеличена на величину, пропорdH N циональную — "— — . Аналогично это

Г увеличение фазы может быть определе- 10 д но из $ С „(t)d t, следовательно о

n„„

dH N. С (t)at — — -- ——

L форму градиентов можно оптимизировать с точки зрения устранения переходных процессов, связанных с переключением градиентов магнитного поля.

Это можно сделать, например, устранив быстрые изменения амплитуды градиентов магнитного поля за короткие временные интервалы.

Для указанных фунций амплитуды

rpадиентов магнитного поля необходимо определить граничные условия. В момент окончания 90-градучного селективного радиочастотного импульса амплитуды С «() и G„(t) должны быть равны О. Отклонение их от нулевого значения вносит ошибку в выбор направления слоя, т. е. отклонение от оси Z. Как правило, величина Z-градиента приблизительно равна максимальным значениям G „(t) и С „(t), т.е. аН N 35

С (1) — const

Таким образом, можно задать пределы отклонения С «(О) и Су(0) от нулевого значения следующим образом:

-ь BH N

G (О) = +10

Х L

G (О) = +10

-з JHN . J

Ь

В конце временного интервала при 45 величина С „() должна быть также равна нулю, так как после 180-градусного радиочастотного импульса наличие G () ведет к ошибке по величине фазы сигнала SIMP. т,е. к ошибке rlo координате в ЯМР-томограмме.

Чтобы минимизировать ошибку по координате в ЯМР-томограмме, необходимо чтобы при

-3 йН N

С (7) = 10 55 у Ь и

Такая точность находится в пределах точности вычисления ЯМР-томограмьи.

Величина амплитуды Х-градиента магнитного поля при t должна быть равна его амплитуде после 180-градусного радиочастотного импульса. Как было показано вьппе, величина градиента магнитного поля во время регистрации сигнала ЯМР должна быть равна

dH-N

Отклонение амплитуды G„(t) от этого значения также вносит ошибку по координате в ЯМР-томограмме.

Так как точность установки амплитуды должна соответствовать точности вычисления ЯМР-томограммы, 17, то при t >

4H- N

G(t) "— —— х Ь

Отсюда можно вывести граничные условия для С„()

dH N („ч)

Для увеличения соотношения сигнал/шум на исследуемый объект воздействуют последовательностью 180-градусных радиочастотных импульсов (180 -2 с)тп: (где ш — число накоплений) для формирования m спиновых эхо. Это позволит проводить регистрацию сигнала ЯМР m раз, т.е. в ш увеличить соотношение сигнал/шум.

Длительность временного интервала " выбирается иэ тех условий, чтобы амплитуда сигнала ЯМР уменьшилась не более чем в 1 раз за общее время регистрации. Следовательно, общее время регистрации 2 я должно быть равно Т, отсюда и Т2 гЪ= Т,;

2m

Время Т определяется как среднее по исследуемому объекту. Точность определения может лежать в пределах

107, так как в пределах этого отклонения времени амплитуда сигнала ЯМР изменяется незначительно, следовап Т2 тельно, гш

Пример. Исследуемый объект помещают в постоянное магнитное поле (0, 14 Т) . Длительность 90-градусного селективного радиочастотного импуль" са 10 мс, длительность широкополосного импульса 60 мкс. Длительность интервала времени = 5 мкс. б

) G „(t)at - 1,5 10

Т с о

G (t)dy = 1 5 10

Т.с

М

Э Э

0 где n = 1-128.

1460682

Число накоплений m 16. Время спинспиновой релаксации исследуемого объекта Т» 300 мс. Характерный размер исследуемого объекта L 25 см.

Относительная неоднородность постоянного магнитного поля 2 «10 >. Общее время сканирования 2 мин.

Таким образом, получено увеличение сигнал/шум в 4 раза при отсутст- 10 вии искажений, вызванных процессом переключения Х- и Y-градиентов маг" нитного поля, по сравнению с известными способами.

Формула изобретения

Способ вычислительной томографии на основе ядерного магнитного резонанса, заключающийся в том, что ис- 20 следуемый объект с характерным размером Ь и временем спин-спиновой релаксации Т помещают в постоянное магнитное поле с относительной неоднородностью ДН, воздействуют на него 25

90 -ным селективным радиочастотным импульсом при наличии Z-градиента магнитного поля, затем воздействуют магнитным полем с Y-градиентом, регистрируют сигнал ЯИР в присутствии g0

Х-градиента магнитного поля и; повторяя циклы сканиронания при разных значениях Y-градиента магнитного поля, по полученным данным вычисляют

ЯМР-томограмму, о т л и ч а ю щ и йс я тем,. что, с целью повышения точ35 ности и чувствительности измерений путем уменьшения влияния переходных процессов при переключениях градиентов магнитного поля и увеличения соотношения сигнал — шум, в течение

Т интервала времени †вЂ, где m—

2m число накоплений, после окончания сео лективного 90 -ного радиочастотного импульса на исследуемый объект дополнительно воздействуют магнитным полем с Х-градиентом, величина G которого определяется иэ соотношения

KAHN

f с (t)st - — ——

К В

d где N — размер частицы ЯМГ-томограммыр при следующих граничных условиях:

G (О) +10

-9 »Н N х ? Э

8Н N (л) х Э при этом величину G> Y"ãðàäèåíòà магнитного поля выбирают согласно соотношению

ЛНН7 с (t)wt = — — -"L u где n = 1-К вЂ” номер цикла сканирования, при следующих граничных условиях:

-3

G (О) = + 10

J L y

С (С) = +10

dH ° М

L.n затем на исследуемый объект воздействуют последовательностью 180 -ных с радиочастотных импульсов (180 -2 ),ш, в присутствии Х-градиента магнитного поля, величина G„ которого определядН. N ется из соотношения G „(t) 1460682

Z гр

5 си

Составитель В.Майоршин

Редактор В.Петраш Техред М.Дидык Еорректор Э.Лончакова

Заказ 539/54 Тираж 788 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГЕНТ СССР

113035, Москва, Ж-35 ° Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r . ужгород, ул. Гагарина, 101 с