專利名稱:核磁共振頻譜分析的探測增強中的極化轉(zhuǎn)移的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及以用于評估人體內(nèi)的代謝化合物的體內(nèi)磁共振(MRS)頻譜分析(spectroscopy)的名義應(yīng)用在放射診斷學(xué)中的核磁共振(NMR)頻譜分析。更具體地,本發(fā)明涉及對磁共振實驗的改進以及還涉及用于執(zhí)行這些實驗的裝置,以便在核之間轉(zhuǎn)移極化,目標是增強磁共振對化合物的檢測靈敏度、或使得能夠基于分子碎片與特定同位素(isotope)的耦合來實現(xiàn)對分子碎片的頻譜編輯。
背景技術(shù):
諸如磁共振成像(MRI)的磁共振頻譜分析(MRS)是基于核磁共振效應(yīng)的,核磁共振效應(yīng)于1946被發(fā)現(xiàn)并在最開始被用于核的磁特性檢驗。后來發(fā)現(xiàn)核的共振信號也受其化學(xué)環(huán)境的影響,而且這種所謂的化學(xué)移動(shift)可以用于辨別化學(xué)物質(zhì)。這種檢驗被建立為所謂的體外的“高分辨率NMR”。這種高分辨率NMR在用于分析復(fù)雜大分子的結(jié)構(gòu)的物理、化學(xué)、生物化學(xué)、以及制藥研究和開發(fā)中得到應(yīng)用。
在上世紀七十年代末新發(fā)現(xiàn)核共振信號可以用于活生物體的非侵入成像,其代表了迄今為止醫(yī)學(xué)中最重要的放射檢驗方法之一。
然而,并沒有忽視磁共振成像還包含可以分別用于分析生物化學(xué)反應(yīng)、體內(nèi)的新陳代謝的化學(xué)信息。這種具有關(guān)于活生物體或關(guān)于活器官的空間分辯率的NMR頻譜分析稱為“體內(nèi)頻譜分析”或者也稱為“臨床核磁共振頻譜分析(MRS)”,分別與試管中的“高分辨率NMR”(通常在實驗室中完成)、純粹的磁共振成像(MRI)形成對比。
下面,將解釋核磁共振的物理基礎(chǔ)在MRS以及MRI中,要檢驗的對象(患者或器官)被暴露在恒定強磁場下。從而,所述對象中的原子在之前隨機取向的核自旋自己排列對齊,構(gòu)成離散的能級。高射頻波可以引起在這些能級之間的躍遷。如果例如高頻脈沖賦能于所述能級的穩(wěn)定的態(tài)粒子數(shù)(state population),則在所述高頻場切斷后可以獲得感應(yīng)信號。由于施加由所謂梯度線圈啟動的非均勻磁場,可以選擇性地激發(fā)要研究的所述對象,并可以將所述信號進行空間編碼。
在MRS中數(shù)據(jù)采樣通常在所謂時間域中實現(xiàn),在所謂k空間(同義詞頻率空間)中進行MRI數(shù)據(jù)的采樣。頻率域中的MR頻譜、所謂成像空間中的MRI圖像分別通過傅立葉變換與所述采樣數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。對象中的體積激發(fā)(volume excitation)在該對象中通過片(slice)選擇性的高頻脈沖(即,同時施加梯度脈沖)來實現(xiàn)。例如對于長方體的激發(fā),在MRS中施加三個正交方向上的三個片選擇高頻脈沖。通常,這些是三個正弦形、高斯形、或雙曲線形的RF脈沖,其與矩形或梯形梯度脈沖同時照射到要檢驗的對象中。所述RF脈沖的照射必須由RF天線實現(xiàn)。
通過所述脈沖的組合,將特定核共振頻率范圍內(nèi)的頻率波譜照射到要檢驗的物體的明確定義的長方體形區(qū)域中。該選擇范圍(所關(guān)心的體積,VOI)內(nèi)的核分別各自以電磁響應(yīng)信號(電動勢EMF)在它們的部分上做出反應(yīng),所述信號由所述RF天線的特定接收條件分別以總和信號(自由感應(yīng)衰減信號FID信號)、(半)自旋回波信號的形式被檢測。此模擬信號(FID或回波)由ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)的開關(guān)采樣,分別數(shù)字化、傅立葉變換并保存在計算裝置上,從而可將所謂的“頻譜”顯示在可視化裝置(監(jiān)視器)上。測得的信號(FID或回波信號)的兩個分量刻畫所述核磁化矢量 的所述振動行為在固定參考框架的x-y平面(實驗室坐標系)內(nèi)的投影。
所述信號的時間衰減由T2-加權(quán)橫向弛豫確定。所述橫向弛豫導(dǎo)致與時間有關(guān)的橫向磁化(time-dependent transversal magnetisation) 的消失,然而T2-時間,更具體地,T2*-時間確定所述FID或回波信號的衰減,其中T2*-時間根據(jù)公式1T2*=1T2+γΔB0---(1)]]>將局域B0-場非均勻性ΔB0考慮為特征時間常數(shù)。上面公式中,γ代表回磁比,其描述各個核與外部磁場的能量耦合常數(shù),并且為各個核素(nucleicspecies)的固定常數(shù)。
合成且與時間有關(guān)的(因而三維的)FID或回波信號自身可以被看作是一個或更多對循環(huán)高頻激發(fā)脈沖的電磁應(yīng)答,其在之前已經(jīng)被照射到要檢驗的各個物質(zhì)或組織中。
在所述物質(zhì)或組織僅由一種特定核素(例如純水中的質(zhì)子)組成、而且以精確地與質(zhì)子的拉漠爾頻率(在1.5特斯拉下為63.8MHz)對應(yīng)的頻率照射所述RF激發(fā)脈沖的情況下,測得的所述水質(zhì)子的FID、回波信號分別將不包含任何諧波/周期部分(正弦或余弦形分量),因為在所述(在63.8MHz)旋轉(zhuǎn)參考系統(tǒng)中不發(fā)生所述橫向磁化的進動/旋轉(zhuǎn)。(在所述旋轉(zhuǎn)方向上的相對運動等于零)。僅有所述橫向磁化矢量的弛豫依賴指數(shù)衰減是可測量的,其組成未調(diào)制的(non-modulated)指數(shù)函數(shù)(圖2A中的虛線)。
如果照射的RF激發(fā)脈沖顯示的頻率不是精確地與水質(zhì)子對應(yīng)(例如63.8MHz+400Hz),而是由于其脈沖幅度引起所述質(zhì)子的激發(fā),則在與所述RF脈沖的頻率相等的數(shù)據(jù)采集參考頻率下測得的FID、回波信號分別包含400Hz的諧波部分,其根據(jù)圖2A被調(diào)制到所述指數(shù)弛豫衰減 通常,要檢驗的所述物質(zhì)、所述對象(體內(nèi)頻譜分析體檢中的)首先不是僅包含一種要分析的核素(1H、31P、13C),而是包含多種要分析的核素(1H、31P、13C)。其次,相同核素的核因為被結(jié)合到不同的分子(不同的化學(xué)環(huán)境)中而表現(xiàn)出彼此相對不同的共振(拉漠爾頻率),并可以被區(qū)分為所謂的代謝物。
在所述(體內(nèi))質(zhì)子頻譜分析中,多數(shù)代謝物信號的頻率范圍是大約10ppm,所述(體內(nèi))磷頻譜分析中的頻譜寬度是大約30ppm,而在(體內(nèi))13C頻譜分析中頻譜中的共振展開到大約200ppm的區(qū)域。根據(jù)公式δ=vsubstance-v0v0·106---(4)]]>以ppm(部分每百萬,parts per million)計,也即,以所述共振頻率的百萬分之一計,所述共振頻率相對于系統(tǒng)頻率(RF中心頻率v0)的變化的指標δ有利地不依賴于磁場的強度。
通常,所述FID、回波信號分別借此形成與時間有關(guān)的響應(yīng)信號——所謂的“時間域中的信號成像/表示”,在其指數(shù)過程中各個代謝物中的激發(fā)的核的全部共振(ωx,x∈N)被調(diào)制重疊地頻率編碼。
根據(jù)圖2A的僅包含一種代謝物的頻率響應(yīng)的FID根據(jù)圖2B僅產(chǎn)生一條共振線。
圖3A中示出例如包含三種不同的代謝物的頻率響應(yīng)的FID??梢钥闯觯瑘D3A中的所述FID、回波信號分別比圖2A的所述FID、回波信號編碼得更加復(fù)雜,圖2A僅顯示出一個頻率。這種編碼可以通過傅立葉變換來解開并按照各個共振頻率排序,從而根據(jù)圖3B得到具有在ω0、ω1以及ω2的所謂共振線的三分量頻譜。
所述FID、回波信號的傅立葉變換(圖2B、3B)通常分別被稱為頻譜。它也被稱為“頻率域中的信號成像/表示”。
盡管,如已經(jīng)提到的,回磁比γ(公式(1))為各個核素的固定常數(shù)(例如對質(zhì)子是γ/2π=42.577MHz/T),在相同的(恒定)外層磁場下NMR實驗中可以看到稍微不同的共振頻率,其中所檢驗的核被結(jié)合到不同的分子中。因此所述分子中的導(dǎo)致化學(xué)鍵聯(lián)的電子起作用。它們屏蔽外層(外部)磁場,使得所述核依賴于鍵聯(lián)的狀態(tài)而“看到”不同的磁場(BK),這導(dǎo)致已經(jīng)提到的各個共振頻率的微小的位移,這被稱為“化學(xué)移動δK”BK=B0-δKB0(5)在分子化合物中常常存在多條共振線,其可以被歸于單個分子組團。定量地,根據(jù)公式(4)所述化學(xué)移動通常相對于參考線(v0)以ppm給出。
除所述化學(xué)移動之外,常常可以看到所述核共振線以多重態(tài)線(二重態(tài)、三重態(tài)、四重態(tài)、等等)形式的精細分裂。因此所述核之間的磁相互作用(自旋-自旋-耦合)起作用,其不是在空間上,而是間接地在所述化學(xué)鍵聯(lián)的電子上排列。為了分析具有精細結(jié)構(gòu)的頻譜,通常,具有在不同的自旋態(tài) 與 之間的相互作用能量Jkl(標量能量耦合常數(shù))的能量函數(shù)(哈密頓算符 ) 其本征值和本征函數(shù)描述與假定的分子模型對應(yīng)的測得的頻譜。這樣,在化學(xué)和生物化學(xué)中有利地實現(xiàn)了(大)分子的結(jié)構(gòu)澄清(structural clarification)。在體檢中可以不采用侵入方式基于其頻譜而檢測到在體內(nèi)的典型的代謝物。
在成像中,使用水的質(zhì)子信號的磁共振的低靈敏度不是主要問題,因為1H核具有很大的磁矩而且身體內(nèi)存在充足的水。但是,在MR頻譜分析中,通常組織濃度低得多的化合物被觀測到,而且常常很多具有感興趣的生理信息的MR核(例如31P、13C、15N)不如1H核敏感。已知的一類用于NMR頻譜分析中的探測改進的方法是極化轉(zhuǎn)移,其中通過自旋-自旋-耦合將特定核自旋系統(tǒng)的兩個或更多能級的高粒子數(shù)差轉(zhuǎn)移到粒子數(shù)較小的另外的核自旋系統(tǒng)的能級。
下面對基于極化轉(zhuǎn)移的檢測改進的原理進行詳細說明簡化地,所述示例包含由一個敏感的核與一個不敏感(輕微敏感)的核(例如1H和13C)組成的雙自旋系統(tǒng)。
在磁場B0中,這樣的核(自旋量子數(shù)1/2)能夠使其每一個采用兩個離散的能量態(tài)。能級之間的躍遷伴隨電子量子的吸收或發(fā)射 在外部磁場B0中能級的分配/粒子數(shù)根據(jù)波爾茲曼統(tǒng)計 而發(fā)生。由此導(dǎo)致過量的與磁場B0平行地排列的核-磁矩。
各個核的回磁比γ對兩個態(tài)Eq與Ep之間的粒子數(shù)差是決定性的,其在從Ep到Eq的轉(zhuǎn)移期間改變其自旋-調(diào)整/取向。對于屬于敏感的核素A(高γ)的轉(zhuǎn)移的態(tài),與屬于不敏感的核素X(低γ)的轉(zhuǎn)移的態(tài)相比,結(jié)果得到更大的粒子數(shù)差。
圖4A、4B以及4C中示意性地示出了這樣的由強敏感核(A)和輕微敏感核(X)組成的AX-系統(tǒng)的方案中的粒子數(shù)。
圖4A示出平衡態(tài),其中兩個最低能級(1)和(2)的粒子數(shù)最大(用粗體杠表示)。
如果用NMR頻譜分析中的A線(A1或A2)的(選擇性)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)實現(xiàn)各個自旋粒子數(shù)的交換,則顯示X-轉(zhuǎn)移的加強吸收(X1)和加強發(fā)射(X2)的圖4B的能級圖、通過其X1顯示加強發(fā)射而X2顯示加強吸收的圖4C的能級圖分別變得有效。在全部兩種情況下(圖4B、4C),分別在態(tài)(1)與(3)之間、態(tài)(2)與(4)之間的選擇性粒子數(shù)反轉(zhuǎn)擾動了粒子數(shù)平衡。
對所述敏感核為預(yù)先決定性的、與信號強度對應(yīng)的粒子數(shù)差,現(xiàn)在對所述不敏感核是有效的。這一現(xiàn)象被稱為極化轉(zhuǎn)移,其用于增強NMR不敏感核素(X)的信號。
一般的興趣是借此實現(xiàn)不敏感核的1H-耦合頻譜的靈敏度改進,例如13C(還有15N或31P),也即,具有A=1H和X=13C的XAn-自旋系統(tǒng)的強度的增強。
圖5A、5B以及5C中示出具有不同的耦合的CH-自旋系統(tǒng)(n=1)的能級的視圖。
圖5A示出未耦合到外部磁場B0的四個能級1、2、3以及4,這可能由于不同的C-H自旋調(diào)制引起,即,對于標量能量耦合常數(shù)J=0。在該情況下1H-轉(zhuǎn)移3→1和4→2、13C-轉(zhuǎn)移2→1和4→3分別能量相等,導(dǎo)致在頻譜中只有一條1H-線和一條13C-線(分別沒有分裂、沒有超精細結(jié)構(gòu))。
圖5B和5C中示出一不同的示例,其中發(fā)生C-H-自旋態(tài)的能量耦合,從而在圖5B的情況下平行自旋態(tài)(↑↑,↓↓)的能級增加J/4而反平行自旋態(tài)(↑↓,↓↑)的能級減少J/4。圖5C中示出完全相反的示例。在每種情況下耦合γ1H≈4γ13C導(dǎo)致各個原子核素的每兩個能量不同的轉(zhuǎn)移,這導(dǎo)致所述頻譜中的雙超精細結(jié)構(gòu)分裂,即,導(dǎo)致以二重態(tài)形式的兩條直接相鄰的譜線。從而每個核素獨自經(jīng)歷J的總能量變化。
為了計算所述極化轉(zhuǎn)移的粒子數(shù)關(guān)系(分別地,相對粒子數(shù)、轉(zhuǎn)移概率),以便實現(xiàn)信號增強,更緊密地,即更定量地(見圖6A、6B、6C)與圖4A和4C的能級圖相關(guān)是有利的。
圖6A中最低能級表示能量 (與粒子數(shù)概率成比例),而其它能級以升序分別表示分別與耦合自旋態(tài)(αα=↑↑=與B0平行)、(αβ=↑↓)、(βα=↓↑)、(ββ=↓↓=與B0反平行)對應(yīng)的粒子數(shù)概率的能量 以及 在通過在規(guī)定的脈沖序列的背景下照射適當(dāng)?shù)碾姶鸥哳l脈沖而做好系統(tǒng)的適當(dāng)?shù)?自旋)準備之后,可以以將αβ-耦合改變?yōu)槟芰扛叩摩娄?耦合的方式向系統(tǒng)選擇性地添加能量。因此系統(tǒng)有利地在所述準備之后包括與磁場B0平行(αα=↑↑)以及反平行(ββ=↓↓)的自旋-自旋對。
如果,為簡潔起見,向所述能級添加能量常數(shù)量 則得到能量態(tài)γH+γC、γH、γC以及0。如果進一步考慮1H和13C的核靈敏度(γH=4以及γC=1)的相對關(guān)系,則對根據(jù)圖6B的所述能級得到相對值5、4、1以及0。如已經(jīng)提到的,這些值同樣分別與相對粒子數(shù)概率、相對粒子數(shù)對應(yīng),因為刻畫靈敏度的磁矩 定義粒子數(shù)概率的同時也定義能級差(根據(jù)波爾茲曼)。
圖6B中可以清楚地看到,未激發(fā)系統(tǒng)中的13C-轉(zhuǎn)移的粒子數(shù)差相對較低(Δ=1-0=+1;Δ=5-4=+1)。因而13C-二重態(tài)與1H-二重態(tài)相比表現(xiàn)出較低的NMR-信號強度。但是,如果所述系統(tǒng)被能量轉(zhuǎn)移(與B0反平行的自旋對的排列)強制推動到更高的能量態(tài),則13C-轉(zhuǎn)移的粒子數(shù)差導(dǎo)致在頻譜中引起Δ=5-0=+5的吸收增強的同時也引起Δ=1-4=-3的發(fā)射增強(圖6C)。
圖7A中示出NMR-頻譜中的X-二重態(tài)(例如X=13C)的該信號增強。坐標的單位是隨機選取的。重要的是所述兩條X-二重態(tài)線的顯著增強。
對3原子AX-自旋系統(tǒng)(例如CH2-組團)的增強導(dǎo)致所述能級的更復(fù)雜得多的能級圖,并且如可以示出的,導(dǎo)致頻譜中具有相關(guān)的強度(1)-(2)-(1)的X-三重態(tài)(圖7B)。信號增強導(dǎo)致該系統(tǒng)中的值(-7)-(2)-(9)。
通過與根據(jù)圖8A和8B的帕斯卡三角形進行比較,可以計算在對AnX-自旋系統(tǒng)(A=1H,X=13C)的一般增強中得到的強度增強。
示出了AnX-組團(A=1H)的X-多重態(tài)處于波爾茲曼分布時(圖8A)以及在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)之后(圖8B)的線數(shù)以及相對強度。各個三角形是通過合并基本能級圖的(整體)能級轉(zhuǎn)移而得到的。
可以通過使用不同的RF脈沖序列來實現(xiàn)所述自旋系統(tǒng)的準備,從而實現(xiàn)所述極化轉(zhuǎn)移。最普遍的是INEPT-方法(借助極化轉(zhuǎn)移增強的不敏感核,InsensitiveNucleiEnhanced byPolarizationTransfer,Morris,F(xiàn)reeman,J.Am.Chem.Soc.101,760-762(1979))。
更多的方法例如有再聚焦-INEPT、DEPT(借助極化轉(zhuǎn)移的無失真增強)、SINEPT等等。
一般地,這些方法全部基于將RF脈沖并發(fā)地施加(照射)到參與的核素(也即,例如1H、13C)的不同的頻率上,稍后將對此進行更詳細的解釋。這導(dǎo)致這樣的缺點,即,不能并發(fā)地在參與的核素的不同的頻率中發(fā)送的NMR裝置也不能執(zhí)行包括極化轉(zhuǎn)移的NMR實驗。
發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是提供一種方法以及能夠執(zhí)行所述方法的裝置,其使得能夠進行具有極化轉(zhuǎn)移的NMR實驗而無需并發(fā)地施加不同頻率的RF脈沖。
如獨立權(quán)利要求中所要求的本發(fā)明解決了所述目的。從屬權(quán)利要求中要求了更多的有利的特征。
根據(jù)本發(fā)明,提出了一種用于通過極化轉(zhuǎn)移來改進NMR頻譜分析中的檢測或?qū)Ψ肿铀槠M行頻譜編輯的方法,其中將特定核自旋系統(tǒng)(A)的兩個或更多能級的高粒子數(shù)差轉(zhuǎn)移到具有較低自旋粒子數(shù)差的另一個核自旋系統(tǒng)(X)的能級,其中,順序地照射全部要照射的HF脈沖,也即,彼此相隔規(guī)定的時間間隔,使得在該序列的時間中不會以重疊的方式分別并發(fā)地照射所述(頻率-)不同的相位相干HF脈沖,從而所述HF脈沖的順序接續(xù)在包括(A)、(X)的所述兩個原子核自旋系統(tǒng)之間實現(xiàn)極化轉(zhuǎn)移,其中各個核的每個域中的所述HF脈沖的序列是完全對稱的。
所述方法更改DEPT序列的HF-脈沖次序。
特別地,所述HF脈沖序列包括步驟-照射第一A-選擇90x°(A)-HF-脈沖,以激發(fā)具有高自旋粒子數(shù)差的核(A),-在從第一HF脈沖中央開始的時間τ1+τ2之后,照射第二A-選擇180y°(A)-HF-脈沖,-在從第一HF脈沖中央開始的時間τ1+2τ2之后,照射第三X-選擇90x°(X)-HF-脈沖,-在從第三HF脈沖中央開始的時間τ1之后,照射第四A-選擇αy(A)-HF-脈沖,-在從第四HF脈沖中央開始的時間τ3之后,照射第五X-選擇180x°(X)-HF-脈沖,-在從第五HF脈沖中央開始的時間τ3+τ1之后,通過檢測所述FID信號來取得所述X-核共振信號。
對時間間隔τ1適用τ1=1/2J,而J代表XA耦合常數(shù),其中,根據(jù)本發(fā)明的特定的實施例,使用長程耦合用于極化轉(zhuǎn)移。
對RF脈沖的順序接續(xù)有利的是,時間間隔τ2至少包括第二A-選擇180y°(A)-HF-脈沖的一半和第三X-選擇90x°(X)-HF-脈沖的一半之和。
進一步有利地,時間間隔τ3至少包括第四A-選擇θy(A)-HF-脈沖的一半和第五X-選擇180x°(X)-HF-脈沖的一半之和。
進一步有利地,將τ2和τ3選為獨立變量以影響自旋系統(tǒng)的頻譜形狀,其具有強同核耦合(也即,像ABX系統(tǒng))。
進一步有利地,考慮AnX組團的X-多重態(tài)的耦合,其中n=1,2,3。
進一步有利地,具有高自旋粒子數(shù)差的原子核素(A)代表1H、13C、15N或19F-核和/或具有低自旋粒子數(shù)差的原子核素(X)代表13C、31P、15N、19F或1H-核。
進一步要求一種適合于執(zhí)行根據(jù)前面的權(quán)利要求1至11的方法的裝置。
另外要求一種僅具有相位相干的單一寬帶發(fā)送信道、以使得能夠進行極化轉(zhuǎn)移和/或一種僅具有相位-連續(xù)的單一寬帶發(fā)送信道、其中可以選擇τ2和τ3而得到全部rf脈沖的正確相位、以使得能夠進行極化轉(zhuǎn)移的、根據(jù)權(quán)利要求12的裝置。
最后,要求一種根據(jù)權(quán)利要求12至14的裝置,其適合于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至11的方法,所述方法可以與使用磁場梯度和/或射頻線圈的空間局域化方法相結(jié)合。
為了RF脈沖的順序接續(xù),時間間隔τ2包括第二A-選擇180y°(A)-HF-脈沖的一半和第三X-選擇90x°(X)-HF-脈沖的一半之和,而且時間間隔τ3包括第四A-選擇αy(A)-HF-脈沖的一半和第五X-選擇180x°(X)-HF-脈沖的一半之和。
在特別情況下,考慮AnX組團的X-多重態(tài)的耦合,其中n=1,2,3。
更具體地,本發(fā)明有利地關(guān)注于一種方法,其中,高敏感原子核素(A)代表1H-核和/或低敏感原子核素(X)代表13C-核。
還要求和描述一種適合于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至22的方法的磁共振成像裝置。
現(xiàn)在參照附圖通過所述實施例對本發(fā)明的更多的有利特征進行解釋。
圖1示出用于磁共振成像的裝置的示意圖;圖2A示出由單一共振以FID-信號的形式刻畫的交叉-/橫向-磁化的時間進程;圖2B示出利用傅立葉變換生成的根據(jù)圖2A的頻率譜;圖3A示出包含三個共振的FID-信號;圖3B示出根據(jù)圖3A的頻率譜以及其三條共振線;圖4A示出由敏感核(A)和不敏感核(X)組成的AX-系統(tǒng)在平衡態(tài)下的簡化能級圖;圖4B示出在態(tài)(1)與(3)之間的選擇性粒子數(shù)反轉(zhuǎn)之后處于擾動平衡下的所述AX-能級圖;
圖4C示出在態(tài)(2)與(4)之間的選擇性粒子數(shù)反轉(zhuǎn)之后處于擾動平衡下的所述AX-能級圖;圖5A示出無耦合的CH-自旋系統(tǒng)的能級視圖;圖5B示出具有正耦合(J>0)的CH-自旋系統(tǒng)的能級視圖;圖5C示出具有負耦合(J<0)的CH-自旋系統(tǒng)的能級視圖;圖6A示出根據(jù)圖4A的能級圖的定量視圖;圖6B示出簡明地考慮相對粒子數(shù)概率的分別根據(jù)圖4A、圖6A的能級圖;圖6C定量地示出極化轉(zhuǎn)移對圖4C的能級圖中的信號增強的影響;圖7A示出NMR-頻譜中的X-二重態(tài)的信號增強;圖7B示出NMR-頻譜中的X-三重態(tài)的信號增強;圖8A示出根據(jù)波爾茲曼分布的多重態(tài)的相對強度的帕斯卡三角形;圖8B示出在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)之后多重態(tài)的相對強度的帕斯卡三角形;圖9A示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)狀況的AX-系統(tǒng)(1H,13C)的DEPT-方法的RF-脈沖序列;圖9B以矢量圖(質(zhì)子和碳的矢量圖)示出根據(jù)圖9A的RF-脈沖序列對A-以及X-磁化的影響;圖10A示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)狀況的AX-系統(tǒng)的DEPT-方法的RF-脈沖序列;圖10B示出根據(jù)本發(fā)明的AX-系統(tǒng)的DEPT-方法中的RF-脈沖序列的改進;圖11示出作為DEPT-脈沖-翻轉(zhuǎn)-角度θ的函數(shù)的13C二重態(tài)、三重態(tài)、四重態(tài)的信號增強;圖12示出局域化DEPTUPS(借助使用序列脈沖進行極化轉(zhuǎn)移的無失真增強)對頻譜中13C共振的信號增強;以及圖13示出在13C-1葡萄糖浸液時顯現(xiàn)的在3T下的局域化DEPTUPS頻譜,其具有人腦中不同的代謝物的13C信號。使用頻率選擇的1H rf脈沖與用于局域化的B0梯度相結(jié)合。
具體實施例方式
臨床MR-頻譜分析的方法與傳統(tǒng)MR-成像的方法主要的不同僅僅在于,除了空間分辯率之外,還要分別解決化學(xué)移動、超精細結(jié)構(gòu)。這可以利用傳統(tǒng)磁共振成像裝置來實現(xiàn),這就是為什么這些優(yōu)選地被用于臨床MR-頻譜分析中,而根據(jù)本發(fā)明的方法(NMR-實驗的改進,其中使用極化轉(zhuǎn)移用于不敏感核的探測增強)將主要在這樣的裝置上實現(xiàn)。
然而,應(yīng)當(dāng)注意到,根據(jù)本發(fā)明的方法既可以應(yīng)用于高分辯率NMR-頻譜儀,也可以應(yīng)用于單獨開發(fā)和使用的強場-體內(nèi)-MR-系統(tǒng)(瞬時可高達到對人體應(yīng)用7特斯拉,對其它應(yīng)用17特斯拉)。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的用于生成對象的磁共振頻譜的磁共振成像(磁共振斷層造影)裝置的示意性圖解。所述核磁共振成像裝置的基本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)成像裝置的基本結(jié)構(gòu)相符(其差異在下面描述)?;緢龃盆F1產(chǎn)生用于對象的檢驗區(qū)域(例如,要檢驗的人體的部分)中的核自旋的極化或排列的時間恒定的強磁場。在容納要檢驗的人體部分的球形測量體積M中規(guī)定了磁共振測量所需的基本磁場的高度均勻性。為了支持均勻性要求以及,特別地,消除時間不變的影響,在適當(dāng)?shù)奈恢酶郊佑设F磁材料制成的墊板。利用由襯墊電源15驅(qū)動的襯墊線圈2來消除時間變化的影響。
將由三個子線圈(sub-winding)組成的圓柱形梯度線圈系統(tǒng)3加到基本場磁鐵1中。每個子線圈由放大器14提供電源,以分別生成在笛卡兒坐標系的各個方向上的線性梯度場。梯度場系統(tǒng)3的第一子線圈生成x-方向上的梯度Gx,第二子線圈生成y-方向上的梯度Gy,而第三子線圈生成z-方向上的梯度Gz。每個放大器14具有由用于在恰當(dāng)?shù)臅r間產(chǎn)生梯度脈沖的序列控制器18驅(qū)動的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
位于梯度場系統(tǒng)3內(nèi)的射頻天線4將由射頻功率放大器10輸出的射頻脈沖轉(zhuǎn)換為磁交變場,其用于激發(fā)檢驗對象的核、或?qū)ο笾兴鶛z驗的區(qū)域的核。射頻天線4由一個或更多RF發(fā)送線圈以及一個或更多RF接收線圈優(yōu)選地以組成線圈的線性排列的形式組成。射頻天線4的RF接收線圈還將從進動的核自旋發(fā)出的交變場,也即核磁共振回波信號(通常利用由一個或更多射頻脈沖以及一個或更多梯度脈沖組成的脈沖序列生成),轉(zhuǎn)換為通過放大器7提供給射頻系統(tǒng)22的射頻接收信道8的電壓。射頻系統(tǒng)22還具有在其中生成用于激發(fā)核磁共振的射頻脈沖的發(fā)送信道9。各個射頻脈沖根據(jù)系統(tǒng)計算機20規(guī)定的序列控制器18中的脈沖序列被數(shù)字化地定義為復(fù)數(shù)序列。將該數(shù)字序列的實部和虛部分別通過輸入端12提供給射頻系統(tǒng)22中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器,并從那里提供到發(fā)送信道9。在發(fā)送信道9中,將所述脈沖序列調(diào)制到具有與所述測量體積中的核自旋的共振頻率對應(yīng)的基本頻率的相位相干(coherent)射頻載波信號上。
通過發(fā)送-接收雙工器6實現(xiàn)從發(fā)送到接收模式的切換。射頻天線4的RF發(fā)送線圈將用于激發(fā)核自旋的射頻脈沖發(fā)射到測量體積M中,并通過RF接收線圈對結(jié)果回波信號進行采樣。對應(yīng)地取得的磁共振信號在射頻系統(tǒng)22的接收信道8中被相位-敏感地解調(diào),并通過各個模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為測得信號的實部和虛部,其分別通過輸出端11提供到圖像計算機17。圖像計算機17利用這樣取得的測量的數(shù)據(jù)來重建圖像。通過系統(tǒng)計算機20實現(xiàn)對測得數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、以及控制程序的管理?;诳刂瞥绦虻囊?guī)定,序列控制器18控制各個期望的脈沖序列的生成以及相應(yīng)的k-空間的采樣。特別地,序列控制器18既控制核磁共振信號的接收,也控制所述梯度的時間恰當(dāng)?shù)那袚Q、射頻序列以規(guī)定的相位和幅度的發(fā)射。由合成器19提供射頻系統(tǒng)22和序列控制器18的時間基準。通過既包括一個或更多圖像屏幕又包括鍵盤的終端(控制臺)21實現(xiàn)對用于生成磁共振圖像的相應(yīng)控制程序的選擇。
利用所描述的MRI-裝置,可用生成大多數(shù)不同的MR-頻譜分析序列,并可以實現(xiàn)用于臨床應(yīng)用的MR-頻譜分析局域化方法。根據(jù)本發(fā)明所描述的MRI-裝置將可以生成脈沖序列,其中不同頻率的RF脈沖彼此在時間上不重疊。
這特別涉及使用極化轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)信號增強的NMR-實驗。
這樣的方法傾向于積極地準備由不同靈敏度的核素(例如CH、CH2、NH、NH2、...)構(gòu)成的耦合自旋系統(tǒng),使得核素自旋的能級粒子數(shù)差增大,從而增加發(fā)射和/或吸收,這導(dǎo)致NMR-頻譜中的核素的顯著的信號增強。
NMR-頻譜分析中分別依賴于交叉-極化現(xiàn)象、極化-轉(zhuǎn)移以實現(xiàn)靈敏度增強的一種重要的脈沖序列已知為“借助極化轉(zhuǎn)移的無失真增強”(DEPT)。下面考慮DEPT脈沖序列分別對AX-系統(tǒng)和CH-系統(tǒng)的影響。圖9A、9B、以及10A中示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)狀況的1H和13C核上采用的脈沖序列以及對相應(yīng)的磁化矢量的影響。稍后借助圖10B解釋根據(jù)本發(fā)明的A(1H)和X(13C)核上采用的改進的脈沖序列以及對相應(yīng)的磁化矢量的影響。
注意到,在矢量圖中以旋轉(zhuǎn)框架(frame)說明了各個磁化。在平衡延遲T1(未示出)之后(這允許達到質(zhì)子的波爾茲曼平衡),向A(例如1H)核施加90x°脈沖(注意,圖9A的脈沖序列中的a)至h)與圖9B的矢量圖中的a)至h)相關(guān),圖9B給出對1H和13C核的磁化矢量造成相對應(yīng)的影響),這使得質(zhì)子的磁化沿y-軸取向(圖9B中的a))。與其它序列(例如INEPT、SINEPT)形成對比,現(xiàn)在將時間延遲τ=1/2J插入,在時間延遲期間1H核的橫向磁化通過與13C核耦合而被調(diào)制。在τ=1/2J時間段的結(jié)尾,發(fā)現(xiàn)1H核的兩個二重態(tài)矢量具有180°的相位差,而且它們沿x’-軸取向(圖9B中的b))?,F(xiàn)在向質(zhì)子施加180y°脈沖以對任何非均勻性進行再聚焦。同時向13C核施加90x°脈沖,從而創(chuàng)建這些核沿y-軸的橫向磁化(圖9B中的c))。
由于1H或13C核沿z-軸沒有磁化,它們兩個被去耦合,而且在接下來的延遲時間段τ=1/2J期間,兩個核的矢量均在旋轉(zhuǎn)框架中保持靜止(見圖9B中的d)和e))。接著施加質(zhì)子脈沖θ(其長度根據(jù)附加的質(zhì)子的數(shù)量以及要記錄的頻譜來調(diào)整)以用來對1H磁化進行極化。這時出現(xiàn)粒子數(shù)轉(zhuǎn)移,因為由質(zhì)子脈沖θ導(dǎo)致的質(zhì)子的極化由于13C-1H耦合還影響到13C核。因此發(fā)生13C磁化矢量的增強。圖9A、9B中,該脈沖的長度被保持在90°,這導(dǎo)致1H磁化變成沿z-軸(圖9B中的f))。同時,該質(zhì)子脈沖還導(dǎo)致13C核的極化(圖9B中的g))。由于現(xiàn)在1H核中存在z-磁化,通過13C核可以發(fā)生自旋-自旋-耦合,導(dǎo)致在最后1/(2J)時間段期間13C磁化矢量的再聚焦。于是可以在t=3τ將13C磁化檢測為二重態(tài)、或者單態(tài)(如果同時施加1H去耦合)。
圖11中示出在CH3、CH2和CH碳的可變θ脈沖的作用下的信號增強。θ=90°的實驗導(dǎo)致頻譜中僅包含CH碳原子的峰。另一方面,135°的θ脈沖提供的頻譜中CH3和CH碳原子具有正幅度而CH2碳原子具有負幅度。如果將θ脈沖的值保持在45°,則CH3、CH2和CH碳均以正幅度出現(xiàn)。這樣θ的值的變化可以用于頻譜編輯。
與其它方法(INEPT、SINEPT)形成對比,DEPT頻譜提供具有與普通頻譜中一樣的外觀的多重態(tài)。另外,利用其它方法(INEPT、SINEPT)獲取頻譜需要J值的知識,以設(shè)置脈沖之間的延遲,而所述設(shè)置的變化將導(dǎo)致例如去耦合的INEPT頻譜中的不同的增強。另一方面,DEPT頻譜依賴于θ脈沖的長度的變化而不依賴于脈沖之間的精確的延遲時間1/(2J),使得J值中的±20%的誤差仍將提供良好的DEPT頻譜。
臨床MR掃描儀一般不裝備第二發(fā)送RF信道,使得如無失真增強極化轉(zhuǎn)移(DEPT)的傳統(tǒng)極化轉(zhuǎn)移技術(shù)變得不可能。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)狀況,通過向MR系統(tǒng)添加使得能夠在兩個不同的核(如1H和13C)的自旋上同時發(fā)送的單獨的RF信道來解決該問題。由于這樣的附加RF信道很昂貴而且需要大量的努力以集成到臨床MR系統(tǒng),因而需要替代的方案。
根據(jù)本發(fā)明,建議以這樣的方式改進傳統(tǒng)DEPT序列使得照射的HF-脈沖在時間上不重疊,同時在A-域以及X-域中維持最大可能的對稱性。這意味著,與特征為只有一個τ1=1/2J的時間延遲τ1的傳統(tǒng)DEPT序列形成對比,考慮到首先各個核素的特定磁化的進動行為、以及其次全部兩個核素的域中的總對稱性的維持,必須引入新的時間延遲。特征為在單一發(fā)送信道上使用RF脈沖、因而被稱為DEPTUPS(順序使用脈沖的DEPT)的該新的改進的DEPT-序列使得能夠使用極化轉(zhuǎn)移(PT)而無需昂貴的附加RF發(fā)送信道。圖12中示出直接-13C-NMR-頻譜分析與DEPTUPS的比較。
從而DEPT與其它基于PT的技術(shù)(INEPT、SINEPT等等)相比的巨大優(yōu)勢在于,可以同時檢測具有不同化學(xué)移動和J-耦合的不同核素,其為臨床感興趣的代謝物的情況。
圖10B示出根據(jù)本發(fā)明的用于1H和13C核系統(tǒng)的這樣的改進的DEPT序列90x°(A)-τ1+τ2-180y°(A)-τ2-90x°(X)-τ1-θy(A)-τ3-180x°(X)-τ3+τ1-取得MNR信號,而第一個且最重要的時間間隔分別由AX-、1H-13C-耦合確定τ1=1/2J但是,在時間延遲τ2之前不開始A-自旋-系統(tǒng)的180y°-反轉(zhuǎn)-脈沖,該時間延遲τ2由第二A-選擇180y°(A)-HF-脈沖的一半和第三X-選擇90x°(X)-HF-脈沖的一半之和來確定,而且(與τ1一起)確定最初兩個脈沖90x°(A)與180y°(A)之間的時間間隔。為了在A-域中實現(xiàn)總的對稱性而沒有重疊,必須在X-域中的第一個脈沖90x°(X)之后τ1時間照射θy(A)-脈沖。該序列方案中的第五個也是最后一個脈沖是X-選擇180x°(X)-HF-脈沖,在從第四個HF脈沖θy(A)的中央開始τ3時間之后被照射。由于第四脈沖θy(A)通常具有與第三脈沖90x°(X)不同的脈沖寬度,而且同樣第五脈沖180x°(X)通常具有與第二脈沖180y°(A)不同的脈沖寬度,時間延遲τ3通常與時間延遲τ2不同。為了在X-域中實現(xiàn)總的對稱性而不與將在X-域中在第三脈沖90x°(X)之后τ1+τ3時間照射的180x°(X)-脈沖重疊,必須在從第五HF脈沖180x°(X)的中央開始τ3+τ1時間之后執(zhí)行X-核共振信號的獲取(以FID或回波的形式)。
歸功于根據(jù)本發(fā)明的所述序列的這一高度對稱性,由于如圖13中通過在50%13C-1標記的葡萄糖浸液時得到的在3T下的人腦的13C-MR-頻譜可以看出的化學(xué)移動的寬廣范圍,不但對一種類型的分子中的一個核、而且對結(jié)合在不同種類的分子中的許多核都實現(xiàn)了極化轉(zhuǎn)移效應(yīng)。
在所述DEPT/DEPTUPS頻譜的寬廣范圍上出現(xiàn)共振的原因是第一90°脈沖激發(fā)相應(yīng)核素的全部核。依賴于化學(xué)移動,不同種類的分子中的核的自旋以不同的速度相移(dephase)。當(dāng)給出180°-脈沖,發(fā)生總體再定相(rephasing),使得在相移和再定相時間之后,具有不同化學(xué)移動的全部自旋在從相移開始的相同時間段精確地同相。如果接著將用另一個RF-脈沖激發(fā)所述核,則可以確定全部分子的核的自旋具有相同的相位并經(jīng)歷完全的極化轉(zhuǎn)移效應(yīng)。
加上新的DEPTUPS-序列顯示出多種優(yōu)點。在(N)MR-頻譜分析中的不同的潛在應(yīng)用有-監(jiān)視化合物的13C信號,其否則由于強信號重疊而很難用傳統(tǒng)1H-NMR-頻譜分析解決;-監(jiān)視用13C標記的碳的信號,以揭示(反常的)代謝轉(zhuǎn)變。例如這在腦疾病中很有意義?,F(xiàn)在正在探索新的策略以使其能夠在臨床中應(yīng)用。最近有建議關(guān)于用于人腦的改進的13C MRS的新的頭線圈。有了所提出的單一RF信道的創(chuàng)意,DEPT序列在臨床應(yīng)用中變得更現(xiàn)實和節(jié)約成本;-一個新興的領(lǐng)域是具有化合物中的13C(或其它(N)MR敏感核)的超極化以增強靈敏度的MRI。目前這主要用碳執(zhí)行,其不被附加到質(zhì)子以利用這些自旋的長T1值。但是,分子轉(zhuǎn)變可以使這些碳變得附加到質(zhì)子,而接著極化轉(zhuǎn)移可以進一步增強它們的信號。另外,由于從質(zhì)子到(羥基)碳(根據(jù)2-15Hz產(chǎn)生的J-耦合)的長程耦合的存在,也可以實現(xiàn)這些碳的極化轉(zhuǎn)移;本發(fā)明可以普遍地應(yīng)用于任何核到另一核的極化轉(zhuǎn)移。這樣,可以有利地利用由任何方法創(chuàng)建的任何核的高粒子數(shù)自旋差來增強任何其它核的靈敏度。唯一的限制是,靈敏度的增加不被T2損失抵消,例如1/J<(5xT2)。例如,最近利用所謂INEPT途徑在體內(nèi)演示了1H到31P核的極化轉(zhuǎn)移[Mancini等人,MRM 541065-1071;2005]。該論文中提到的幾個關(guān)于INEPT途徑的缺點(SAR、帶寬)可以由所提出的使用DEPT序列的創(chuàng)意來回避。這很有意義,因為極化轉(zhuǎn)移使得能夠改善對在瘤和細胞生長(cellgrowth)的中央的磷酸化膜化合物(例如膽堿磷酸)的顯影(與只能對大塊膽堿化合物進行顯影的1H-NMR-頻譜分析形成對比)。
權(quán)利要求
1.一種用于通過極化轉(zhuǎn)移來改進NMR頻譜分析中的檢測或?qū)Ψ肿铀槠M行頻譜編輯的方法,其中,將特定核自旋系統(tǒng)(A)的兩個或更多能級的高粒子數(shù)差轉(zhuǎn)移到具有較低自旋粒子數(shù)差的另一個核自旋系統(tǒng)(X)的能級,其中,順序地照射全部要照射的HF脈沖,也即,彼此相隔規(guī)定的時間間隔,使得在該序列的時間中不會以重疊的方式分別并發(fā)地照射所述(頻率-)不同的相位相干的HF脈沖,從而所述HF脈沖的順序接續(xù)在包括(A)、(X)的所述兩個原子核自旋系統(tǒng)之間實現(xiàn)極化轉(zhuǎn)移,其中各個核的每個域中的所述HF脈沖的序列是完全對稱的。
2.如權(quán)利要求1中所要求的方法,其中,所述方法更改DEPT序列的HF-脈沖次序。
3.如權(quán)利要求2所述的方法,其中,所述HF脈沖序列包括步驟-照射第一A-選擇90x°(A)-HF-永沖,以激發(fā)具有高自旋粒子數(shù)差的核(A),-在從第一HF脈沖中央開始的時間τ1+τ2之后,照射第二A-選擇180y°(A)-HF-脈沖,-在從第一HF脈沖中央開始的時間τ1+2τ2之后,照射第三X-選擇90x°(X)-HF-脈沖,-在從第三HF脈沖中央開始的時間τ1之后,照射第四A-選擇θy(A)-HF-脈沖,-在從第四HF脈沖中央開始的時間τ3之后,照射第五X-選擇180x°(X)-HF-脈沖,-在從第五HF脈沖中央開始的時間τ3+τ1之后,通過檢測所述FID信號來取得所述X-核共振信號。
4.如權(quán)利要求3所述的方法,其中,τ1=1/2J,其中,J代表XA耦合常數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4其中之一所述的方法,其中,使用長程耦合用于極化轉(zhuǎn)移。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5其中之一所述的方法,其中,τ2至少包括第二A-選擇180y°(A)-HF-脈沖的一半和第三X-選擇90x°(X)-HF-脈沖的一半之和。
7.根據(jù)權(quán)利要求3至6其中之一所述的方法,其中,τ3至少包括第四A-選擇θy(A)-HF-脈沖的一半和第五X-選擇180x°(X)-HF-脈沖的一半之和。
8.根據(jù)權(quán)利要求3至7其中之一所述的方法,其中,將τ2和τ3選為獨立變量,以便影響具有強同核耦合,也即,像ABX系統(tǒng)一樣的自旋系統(tǒng)的頻譜形狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8其中之一所述的方法,其中,考慮AnX組團的X-多重態(tài)的耦合,其中,n=1,2,3。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9其中之一所述的方法,其中,具有高自旋粒子數(shù)差的原子核素(A)代表1H,13C,15N或19F-核。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10其中之一所述的方法,其中,具有低自旋粒子數(shù)差的原子核素(X)代表13C,31P,15N,19F或1H-核。
12.一種適合于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至11所述的方法的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置,僅具有相位相干的單一寬帶發(fā)送信道,以使得能夠進行極化轉(zhuǎn)移。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置,僅具有相位-連續(xù)的單一寬帶發(fā)送信道,其中,可以選擇τ2和τ3而得到全部rf脈沖的正確相位,以使得能夠進行極化轉(zhuǎn)移。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14所述的裝置,其適合于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至11所述的方法,所述方法可以與使用磁場梯度和/或射頻線圈的空間局域化方法相結(jié)合。
全文摘要
通過極化轉(zhuǎn)移在核磁共振頻譜分析中進行檢測改進和頻譜編輯的方法和裝置,其中將特定核自旋系統(tǒng)(A)的兩個或更多能級的高自旋粒子數(shù)差轉(zhuǎn)移到具有較低自旋粒子數(shù)差的另一個核自旋系統(tǒng)(X)的能級,其中順序地照射全部要照射的HF脈沖,也即,彼此相隔規(guī)定的時間間隔,使得在該序列的時間中不會以重疊的方式分別并發(fā)地照射所述(頻率-)不同的HF脈沖,從而所述HF脈沖的順序接續(xù)在包括(A)、(X)的所述兩個原子核自旋系統(tǒng)之間實現(xiàn)極化轉(zhuǎn)移,其中各個核的每個域中的所述HF脈沖的序列是完全對稱的。
文檔編號A61B5/055GK101093249SQ200710089898
公開日2007年12月26日 申請日期2007年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月10日
發(fā)明者丹尼斯·克洛普, 阿倫·希爾謝普, 阿諾·肯特根斯 申請人:拉德伯德大學(xué)奈梅亨醫(yī)學(xué)中心