Способ вычислительной томографии на основе ядерного магнитного резонанса Советский патент 1989 года по МПК G01N24/08 

Изобретение относится к радиоспектроскопии и вычислительной томогрд- фии на основе ядерного магнитного резонанса и может быть использовано для визуализации пространственной структуры исследуемых объектов. I

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 последователь- ности.

Способ осуществляется следукшщм образом.

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

радиочастотным импульсом при наличии Z-градиента магнитного поля в нем возбуждают только спины ядер, находящихся в плоскости, перпендикулярной оси Z. Ширина выделенного слоя зависит от спектра 90-градусного селективного радиочастотного импульса и величины Z-градиента магнитного поля. Направление выделения слоя выбрано условно, аналогичным образом можно

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

Таким образом, все дальнейпше рассуждения будут относиться к двухмерному слою, лежащему в плоскости XY. Для того, чтобы получить данные, необходимые для получения . ЯМР-томо- граммы, необходимо ввести кодировку резонансных условий по оси X с помощью Х-градиента магнитного поля G,((t) и по -оси Y с помощью Y-гради- ента магнитйого поля Gy(t),. Например , если исследуемый объект помещается в постоянное магнитное поле Н, то резонансные условия записываются следующим образом:

W уН„,

где Сл)д- резонансная частота сигнала

ЯМР; .

yi- гиромагнитное соотношение. Наложим на исследуемый объект дополнительно градиент магнитного поля, например, G y(t), тогда

Н Н„ +

G(t) X,

где X - координата точки исследуемо-

го объекта. Следовательно, резонансные условия

определяются так:

W Н„+ G/t).XJ Ы„ + + YG,(t)-X,

т.е. резонансная частота зависит от координаты X.

Следовательно, спектр сигнала ЯМР содержит информацию, которая .связана с координатой любой точки X исследуемого объекта. В реальных условиях постоянное магнитное пол И, не идеально и имеет неоднородность, обозначим ее ДН. Тогда, для того, чтобы разделить в спектре сигнал ЯМР N точек, необходимо, чтобы выполнялось условие

L-G,((t)7x dH-N,

где L - характе.рный размер исследуемого объекта.

Отсюда вытекает условие, опреде-- ляющее величину градиента

G,(t).-4pс точки зрения получения максимального соотношения сигнал/шум необходимо чтобы градиент магнитного поля G x(t), был как можно меньше, так как при

G,(t)

10

4606824

увеличении градиента увеличивается ширина спектра сигнала ЯМР и, следовательно, уменьшается соотношение сигнал/шум.

Таким образом, оптимальная величина градиента магнитного поля определяется из соотношения ЛН-N

L

Все предшествуюгдае рассуждения относящиеся к G/(t), справедливы и для Gy(t). Однако, описанный способ кодировки резонансных условий справедлив только дпя одномерного случая. Указанным способом не может осуществляться кодировка и по X, и по Y, так как nt- одновременном включении двух градиентов они суммируются и получается опять одномерная кодировка, но только по суммарной оси.

В данном способе кодировка сигнала ЯМР, необходимая дпя получения указанной матрицы, производится таким образом, чтобы переходные процессы, связанные с переключением гради- G

15

20

25

30

40 ое 45 оентов G;(t) и G,,(t), не влияли на сигнал ЯМР. Для этого кодирование по оси Y и по оси X разнесены по времени, причем так, что кодирование по Y производится во время сигнала свободной индукции, а по оси X - во время спинового эха.

Сразу после окончания 90-градус- ного селективного радиочастотного импульса возникает сигнал свободной индукции. Для кодировки этого сигнала по оси Y необходимо, чтобы -через интервал времени С сигнал ЯМР имел фазу, пропорцион альную величине градиента, умноженной на время И,чтобы разрешить N точек в объекте с характерным размером L в постоянном магнитном поле с неоднородностью Н, необходимо иметь градиент магнитного

„ 4HN поля, равный -Следовательно, во

время п-го цикла сканирования конечная фаза ((, сигнала ЯМР через время

,А H-N 1 „

-f должна быть равна другой стороны, i/f, аналогично можно

определить через образом:

л 1.

(t)(Jt

JG ,,(t) Jt таким

51

Кодирование по оси X производится во время спинового эха. Следовательно; необходимо, чтобы фаза сигнала ЯМР за время С перед 180-градусным ра- диочастотньш импульсом дополнительно бьша увеличена на величину, пропор- -N

ционапьную

t . Аналогично это

нитного ПОЛЯ при t -о должна быть равна его амплитуде после 180-градусного радиочастотного импульса. Как быпо показано выше, величина градиента магнитного поля во время регистрации сигнала ЯМР должна быть равна

-. Отклонение амплитуды )

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

увеличение фазы может быть определе- 10 но из jG(t), следовательно

- G(t).t , оь

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 градиентов магнитного поля необходимо определить граничные условия. В момент окончания 90-градучного селективного радиочастотного импульса амплитуды G)f(t) и G,,(t) должны быть равны 0. Отклонение их от нулевого значения вносит ошибку в выбор направления слоя, т.е. отклонение от оси Z. Как правило, величина Z-гради ента приблизительно равна максимальным значениям G )((t) и G y(t) , т.е.

G,(t) const

л H-N

const:.

Lt

Таким образом, можно задать отклонения G кСО) и Gy(0) от значения следующим образом: ,-э йН-N

G,.(0) + 10

L -3 d H-N

G.,(0) ±10

В конце временного интервал t ir D величина G (.t) должна же равна нулю, так как послдусного радиочастотного импличие G,,(t) ведет кошибке пне фазы сигнала ЯМР, т.е. к координате в ЯМР-томограмме

Чтобы минимизировать ошиординате в ЯМР-томограмме,

чтобы при t L

.,,-3 Л H-N

10 -----.

Такая точность находится в точности вычисления ЯМР-то Величина амплитуды Х-градие

G,(0

0

5

0

5

0

5

0

от зтого значения также вносит ошибку по координате в ЯМР-томограмме.

Так как точность установки амплитуды должна соответствовать точности вычисления ЯМР-томограммы 1%, то при t y

G,(t).-ip-.

Отсюда можно вывести граничные усло- GX() :

ВИЯ для т ч G,(f)

uMlN

L

Для увеличения соотношения сигнал/шум на исследуемый объект воздействуют последовательностью 180-градусных ра- диочастотньк импульсов ()m (где m - число накоплений) для формирования m спиновых эхо. Это позволит проводить регистрацию сигнала 5IMP m раз, т.е. в /п увеличить соотношение сигнал/шум.

Длительность временного интервала 2 выбирается из тех условий, чтобы амплитуда сигнала 5ШР уменьшилась не более чем в 1 раз за общее время регистрации. Следовательно, общее время регистрации 2tm должно быть , отсюда

Т.

равно Т

2fta Время Т

с, -r-i-- .

5

тельно,

Тг

--Jm

. определяется как среднее по исследуемому объекту. Точность определения г может лежать в пределах 10%, так как в пределах этого отклонения времени амплитуда сигнала 5IMP изменяется незначительно, следоваTj 2in

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

jG,(t)dt

в

. SG (t)dy

о

де п 1-128.

1,5 -10- 1,5-10

- 4.ILB.

м

Tjc м

714

Число накоплений m - 16, Время спин- спиновой релаксации исследуемого объекта T/i 300 мс. Характерный размер исследуемого объекта L « 25 см. Относительная неоднородность постоянного магнитного поля . Общее время сканирования 2 мин.

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

о р м у л а

изобретения

Способ вычислительной томографии на основе ядерного магнитного резо- , заключающийся в том, что исследуемый объект с характерным размером L и временем спин-спиновой ре- лаксации Т, помещают в постоянное магнитное поле с относительной неоднородностью /)Н, воздействуют на него 90 °-ным селективным радиочастотным импульсом при наличии Z-градиента магнитного поля, затем воздействуют магнитным полем с Y-градиентом, регистрируют сигнал ЯМР в присутствии Х-градиента магнитного поля и,повторяя циклы сканирования при разных значениях Y-градиента магнитного поля, по полученным данным вычисляют ЯМР-томограмму, отличающий с я тем, что, с целью повышения точности и чувствительности измерений путем уменьшения влияния переходных процессов при переключениях градиен

о

8

тов магнитного поля и увеличения соотношения сигнал - шум, в течение

Т интервала времени

15

25 ----, где m число накоплений, после окончания селективного радиочастотного импульса на исследуемый объект дополнительно воздействуют магнитным полем с Х-градиентом, величина G которого определяется .из соотношения

г / ч JG,(t)t - ,

где N - размер частицы ЯЬОР-томограммы, при следующих граничных условиях:

G,(0)

.,0-

GX()

ЛН-N ,

при зтом величину G,, Y-градиента магнитного поля выбирают согласно соот- ношен

5G(t)

dHNf

номер цикла сканирования , при следующих граничных условиях:

где

, о п

1-N G(0) tlO

-3 йН-N

,( 4--затем на исследуемый объект воздействуют последовательностью 180 -ных радиочастотных импульсов (180°-2 |). П1, в присутствии Х-градиента магнитного поля, величина G которого определя- , . dH-N

ется из соотношения Gx(t)