Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Ermittlung von kernmagne­tischen Spektren aus räumlich selektierbaren Bereichen eines Untersuchungsobjektes mit Grundfeldspulen, die das Untersuchungs­objekt mit einem magnetischen Grundfeld beaufschlagen, Gradi­entenspulen, die das Untersuchungsobjekt mit Gradientenfeldern beaufschlagen, mit einem HF-Sender, der das Untersuchungsobjekt über eine Antenne mit einer Folge von HF-Impulsen beaufschlagt und mit einem HF-Empfänger, der das entstehende Kernresonanz­signal empfängt und einem Auswerterechner zuführt, wobei zur Untersuchung durch Aufschaltung eines Gradienten zusammen mit einem frequenzselektiven HF-Impuls selektiv eine Schicht des Untersuchungsobjektes zur kernmagnetischen Resonanz angeregt wird.

Bei der kernmagnetischen Spektroskopie wird im allgemeinen eine Abgrenzung auf einzelne Volumenbereiche, z.B. ein Organ, ange­strebt. Bei einem aus dem Artikel von P.A. Bottomley und anderen im "Journal of Magnetic Resonance", Band 59, 1984, Seiten 338 bis 342 bekannten Verfahren, wird hierzu eine Schicht des Untersuchungsobjektes durch Aufschaltung eines Gradienten zu­sammen mit einem frequenzselektiven Anregeimpuls angeregt. Damit ist nur eine eindimensionale Ortsauflösung möglich. Eine weitere Selektion kann durch Einsatz von Oberflächenspulen durchgeführt werden, die aus der selektierten Schicht wiederum einen ihrem Empfindlichkeitsbereich entsprechenden Anteil auswählen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gerät der eingangs genannten Art so auszuführen, daß eine exaktere Ortsauflösung möglich wird, wobei die Hochfrequenz-Belastung für das Untersuchungs­objekt gering bleiben soll. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch aufeinanderfolgende Einschaltung von HF-Sender und Gradientenspulen folgende Anregungs- bzw. Auslese­schritte durchgeführt werden:

• a) Durch einen ersten, nichtselektiven 90°-HF-Impuls wird die Magnetisierung des Untersuchungsobjektes aus der durch das Grundmagnetfeld vorgegebenen z-Richtung in eine dazu senk­recht liegende x-y-Ebene gedreht.
• b) Ein erster, selektiver 180°-HF-Impuls wird zusammen mit einem ersten magnetischen Gradienten eingestrahlt, wobei der erste magnetische Gradient eine Dephasierung der Spins außerhalb einer ersten selektierten Schicht bewirkt.
• c) Ein zweiter, selektiver 180°-HF-Impuls wird zusammen mit einem zweiten, auf dem ersten senkrecht stehenden magnetischen Gradienten eingestrahlt, wobei der zweite magnetische Gradi­ent eine Dephasierung der Spins außerhalb einer zweiten se­lektierten Schicht bewirkt.
• d) Ein zweiter, selektiver 90°-HF-Impuls wird zusammen mit einem dritten, auf dem ersten und zweiten senkrecht stehenden magnetischen Gradienten eingestrahlt, wobei der dritte magnetische Gradient die Spins in einem selektierten Voxel wieder parallel zur Anfangslage bringt.
• e) Ein dritter 90°-HF-Impuls wird eingestrahlt und das darauf vom Untersuchungsobjekt ausgesandte Signal ausgewertet.

Mit einem derartigen Gerät ist eine volle dreidimensionale Orts­auflösung möglich, wobei die HF-Belastung des Untersuchungsob­jektes gering bleibt, da nur zwei selektive 180°-HF-Impulse und drei 90°-HF-Impulse notwendig sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ansprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der FIG 1 bis 10 näher erläutert.

• FIG 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Kernspin-Resonanz­gerätes,
• FIG 2 zeigt die Sequenz der HF-Impulse, mit denen das Untersuchungsobjekt beaufschlagt wird,
• FIG 3 zeigt den Verlauf des Gradienten G_Z,
• FIG 4 zeigt den Verlauf des Gradienten G_y,
• FIG 5 zeigt den Verlauf des Gradienten G_X,
• FIG 6 zeigt den Verlauf des ausgelesenen Signals S,
• FIG 7 zeigt die Auswahl der einzelnen Schichten und die
• FIG 8 bis 10 zeigen das mit dem beschriebenen Gerät erzielte Spektrum eines Phantoms.

FIG 1 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau eines Kernspin-­Resonanzgerätes zur Ermittlung von Spektren eines Untersuchungs­gerätes. Mit 1 und 2 sowie 3 und 4 sind Spulen bezeichnet, die ein magnetisches Grundfeld B0 erzeugen, in welchem sich bei medizinischer Anwendung der zu untersuchende Körper 5 eines Patienten befindet. Diesem sind außerdem Gradientenspulen zuge­ordnet, die zur Erzeugung unabhängiger, zueinander senkrechter Magnetfeldgradienten der Richtungen x,y und z gemäß dem Koordi­natenkreuz 6 vorgesehen sind. In der FIG sind der Übersicht­lichkeit halber nur die Gradientenspulen 7 und 8 gezeichnet, die zusammen mit einem Paar gegenüberliegender, gleichartiger Gradientenspulen zur Erzeugung eines Gradienten in x-Richtung dienen. Die gleichartigen, nicht gezeichneten Gradientenspulen, zur Erzeugung eines Gradienten in y-Richtung liegen parallel zum Körper 5 und oberhalb sowie unterhalb von ihm, die für das Gradientenfeld in z-Richtung quer zu seiner Längsachse am Fuß- ­und am Kopfende. Die Anordnung enthält außerdem noch einen zur Erzeugung der Kernresonanzsignale dienenden Körper-Resonator 9 als Antenne. Zur Aufnahme der Kernresonanzsignale kann auch noch eine Oberflächenspule 19 vorgesehen sein.

Die von einer strichpunktierten Linie 10 umgrenzten Spulen 1, 2,3,4,7,8 und 9 stellen das eigentliche Untersuchungsinstrument dar. Es wird von einer elektrischen Anordnung aus betrieben, die ein Netzgerät 11 zum Betrieb der Spulen 1 bis 4 sowie eine Gradientenstromversorgung 12, an welcher die Gradientenspulen 7 und 8 sowie die weiteren Gradientenspulen anliegen, umfaßt. Ein von einem Prozeßrechner 17 gesteuerter Hochfrequenzsender 14 ist mit dem Körperresonator 9 verbunden. Die Oberflächenspule 19 ist über einen Signalverstärker 15 ebenfalls an den Prozeß­rechner 17 gekoppelt, an dem zur Ausgabe eines Spektrums ein Bildschirmgerät 18 angeschlossen ist. Die Komponenten 14 und 15 bilden eine Hochfrequenzeinrichtung 16 zur Signalerzeugung und -aufnahme.

Anhand der FIG 2 bis 6 wird im folgenden die Anregesequenz dar­gestellt. Die Magnetisierung im Untersuchungsbereich liegt auf­grund des Grundmagnetfeldes zunächst in z-Richtung. Durch einen nichtselektiven 90°-HF-Impuls, der in FIG 2 mit I₁ bezeichnet ist, wird die Magnetisierung im gesamten Untersuchungsraum zu­nächst in die x-y-Ebene gedreht. Anschließend wird ein selektiver 180°-HF-Impuls I₂ mit vorgegebener Frequenz gleichzeitig mit einem Gradienten G_Z eingestrahlt. Durch den Gradienten G_Z und die Frequenz des ersten, selektiven 180°-HF-Impulses I₂ wird eine in FIG 7 mit S₁ bezeichnete Schicht ausgewählt, in der der selektive 180°-HF-Impuls wirksam wird und dort alle Spins um 180° dreht. Außerhalb dieser Schicht S₁ dephasieren die Spins aufgrund des Gradienten G_Z, da sie eine unterschiedliche Prä­zisionsfrequenz aufweisen.

Anschließend wird ein zweiter, selektiver 180°-HF-Impuls I₃ zu­sammen mit einem Gradienten G_X eingestrahlt, der ebenfalls se­lektiv in einer Schicht S₂ wirkt, die senkrecht zur ersten Schicht S₁ steht. Dabei werden wiederum aufgrund des Gradien­ten G_X alle Spins außerhalb der Schicht S₂ dephasiert. Somit bleiben lediglich die Spins in einem Quader, der durch den Schnitt der beiden Schichten S₁ und S₂ gebildet wird, in Phase.

Schließlich wird ein zweiter, selektiver 90°-HF-Impuls I₄ zu­sammen mit einem Gradienten G_y eingestrahlt. Damit werden in einer in FIG 7 nicht dargestellten, zu den Schichten S₁ und S₂ senkrecht stehenden dritten Schicht die Spins um 90° gedreht. Dies bedeutet für die in einem Voxel, das durch den Schnitt der drei Schichten bestimmt ist, liegenden Spins, daß diese zur Z-Achse gedreht werden. Wenn der erste, nichtselektive 90°-HF-­Impuls I₁ und der selektive 90°-HF-Impuls I₄ dasselbe Vorzeichen aufweisen, so liegen die Spins in diesem Voxel nunmehr in Richtung -z, wenn die 90°-HF-Impulse entgegengesetztes Vor­zeichen aufweisen, so liegen sie in +z-Richtung.

Durch den während des selektiven 90°-HF-Impulses aufgeschalteten Gradienten G_y erfolgt ebenfalls eine unerwünschte Dephasierung der Spins. Diese Dephasierung kann durch einen vorher aufge­schalteten Gradientenimpuls G_yʹ kompensiert werden, der zum Gradientenimpuls G_y entgegengesetztes Vorzeichen aufweist. Die Kompensation kann auch vor den selektiven 180°-HF-Impulsen I₂ oder I₃ aufgeschaltet werden, wobei jedoch zu berücksichtigen ist, daß jeder 180°-HF-Impuls die Wirkung invertiert. Vor dem ersten 180°-HF-Impuls I₂ müßte daher ebenfalls ein negativer Gradientenimpuls G_yʹ, vor dem zweiten 180°-HF-Impuls I₃ ein positiver Gradientenimpuls G_yʹ aufgeschaltet werden.

Die Reihenfolge der dargestellten Gradienten ist hier nur beispielhaft und kann beliebig vertauscht werden.

Nach der dargestellten Anregung liegen nur die Spins des selek­tierten Voxels in z-Richtung. Wenn man nunmehr den Untersuchungs­raum mit einem nichtselektiven 90°-HF-Impuls I₅ beaufschlagt, er­hält man als Antwort ein in FIG 6 dargestelltes HF-Signal S, das nur von dem selektierten Voxel herrührt.

Durch eine geringfügige Verzögerung zwischen dem selektiven 90°-HF-Impuls I₄ und dem nichtselektiven 90°-HF-Impuls I₅ kann erreicht werden, daß Wirbelströme, die durch die Aufschaltung der Gradienten verursacht werden, vor der Signalauswertung abgefallen sind.

Wenn aufgrund von Inhomogenitäten die Magnetisierung außerhalb des Voxels durch den ersten, nichtselektiven 90°-HF-Impuls I₁ nicht vollständig in die x-y-Ebene gedreht worden ist oder aufgrund kurzer T₁-Relaxationszeiten nach der Volumenselektion bereits ein Teil der Magnetisierung wieder in die z-Richtung zurückgekehrt ist, so kann die dadurch entstehende Unschärfe der Ortsselektion durch Anwendung zweier aufeinanderfolgender Anregungssequenzen kompensiert werden. Dazu wird die darge­stellte Anregungssequenz zweimal durchgeführt, wobei der selektive 90°-HF-Impuls I₄ einmal in x-Richtung und einmal in -x-Richtung eingestrahlt wird. Dadurch hat die Magnetisierung des Voxels jeweils entgegengesetztes Vorzeichen, während die Restmagnetisierung außerhalb des Voxels jeweils das gleiche Vorzeichen hat. Werden nun die aufgrund der beiden Anregungs­sequenzen gefundenen Meßergebnisse subtrahiert, so bleibt aus­schließlich die Magnetisierung des Voxels erhalten.

Die FIG 8 bis 10 zeigen das Ergebnis einer Demonstration des Selektionsverfahrens an einem Phantom. Dabei wurde in einer Wasserflasche eine zweite Flasche mit Öl befestigt. Das Spektrum nach FIG 8 wurde erhalten, wenn das Voxel ausschließlich in der Wasserflasche lokalisiert ist. Das Spektrum nach FIG 9 wurde erhalten, wenn das Voxel im Grenzbereich der Öl- und Wasserflasche lokalisiert ist und das Spektrum nach FIG 10 wurde erhalten, wenn das Voxel innerhalb der Ölflasche lokali­siert ist. Die zweite Spitze im Spektrum stammt von dem Rest­wasser im Öl.