專利名稱：核磁共振頻譜分析的探測(cè)增強(qiáng)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(píng)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(duì)磁共振實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)以及還涉及用于執(zhí)行這些實(shí)驗(yàn)的裝置，以便在核之間轉(zhuǎn)移極化，目標(biāo)是增強(qiáng)磁共振對(duì)化合物的檢測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(kāi)始被用于核的磁特性檢驗(yàn)。后來(lái)發(fā)現(xiàn)核的共振信號(hào)也受其化學(xué)環(huán)境的影響，而且這種所謂的化學(xué)移動(dòng)(shift)可以用于辨別化學(xué)物質(zhì)。這種檢驗(yàn)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(kāi)發(fā)中得到應(yīng)用。
在上世紀(jì)七十年代末新發(fā)現(xiàn)核共振信號(hào)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(yàn)方法之一。
然而，并沒(méi)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(shí)驗(yàn)室中完成)、純粹的磁共振成像(MRI)形成對(duì)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(yàn)的對(duì)象(患者或器官)被暴露在恒定強(qiáng)磁場(chǎng)下。從而，所述對(duì)象中的原子在之前隨機(jī)取向的核自旋自己排列對(duì)齊，構(gòu)成離散的能級(jí)。高射頻波可以引起在這些能級(jí)之間的躍遷。如果例如高頻脈沖賦能于所述能級(jí)的穩(wěn)定的態(tài)粒子數(shù)(state population)，則在所述高頻場(chǎng)切斷后可以獲得感應(yīng)信號(hào)。由于施加由所謂梯度線圈啟動(dòng)的非均勻磁場(chǎng)，可以選擇性地激發(fā)要研究的所述對(duì)象，并可以將所述信號(hào)進(jìn)行空間編碼。
在MRS中數(shù)據(jù)采樣通常在所謂時(shí)間域中實(shí)現(xiàn)，在所謂k空間(同義詞頻率空間)中進(jìn)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(guò)傅立葉變換與所述采樣數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。對(duì)象中的體積激發(fā)(volume excitation)在該對(duì)象中通過(guò)片(slice)選擇性的高頻脈沖(即，同時(shí)施加梯度脈沖)來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如對(duì)于長(zhǎng)方體的激發(fā)，在MRS中施加三個(gè)正交方向上的三個(gè)片選擇高頻脈沖。通常，這些是三個(gè)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(shí)照射到要檢驗(yàn)的對(duì)象中。所述RF脈沖的照射必須由RF天線實(shí)現(xiàn)。
通過(guò)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(yàn)的物體的明確定義的長(zhǎng)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(hào)(電動(dòng)勢(shì)EMF)在它們的部分上做出反應(yīng)，所述信號(hào)由所述RF天線的特定接收條件分別以總和信號(hào)(自由感應(yīng)衰減信號(hào)FID信號(hào))、(半)自旋回波信號(hào)的形式被檢測(cè)。此模擬信號(hào)(FID或回波)由ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)的開(kāi)關(guān)采樣，分別數(shù)字化、傅立葉變換并保存在計(jì)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(cè)得的信號(hào)(FID或回波信號(hào))的兩個(gè)分量刻畫所述核磁化矢量 的所述振動(dòng)行為在固定參考框架的x-y平面(實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系)內(nèi)的投影。
所述信號(hào)的時(shí)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(shí)間有關(guān)的橫向磁化(time-dependent transversal magnetisation) 的消失，然而T2-時(shí)間，更具體地，T2*-時(shí)間確定所述FID或回波信號(hào)的衰減，其中T2*-時(shí)間根據(jù)公式1T2*=1T2+γΔB0---(1)]]>將局域B0-場(chǎng)非均勻性ΔB0考慮為特征時(shí)間常數(shù)。上面公式中，γ代表回磁比，其描述各個(gè)核與外部磁場(chǎng)的能量耦合常數(shù)，并且為各個(gè)核素(nucleicspecies)的固定常數(shù)。
合成且與時(shí)間有關(guān)的(因而三維的)FID或回波信號(hào)自身可以被看作是一個(gè)或更多對(duì)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(yàn)的各個(gè)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(duì)應(yīng)的頻率照射所述RF激發(fā)脈沖的情況下，測(cè)得的所述水質(zhì)子的FID、回波信號(hào)分別將不包含任何諧波/周期部分(正弦或余弦形分量)，因?yàn)樵谒?在63.8MHz)旋轉(zhuǎn)參考系統(tǒng)中不發(fā)生所述橫向磁化的進(jìn)動(dòng)/旋轉(zhuǎn)。(在所述旋轉(zhuǎn)方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(cè)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(duì)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(cè)得的FID、回波信號(hào)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(yàn)的所述物質(zhì)、所述對(duì)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?yàn)楸唤Y(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(duì)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(hào)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(kāi)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(wàn)，parts per million)計(jì)，也即，以所述共振頻率的百萬(wàn)分之一計(jì)，所述共振頻率相對(duì)于系統(tǒng)頻率(RF中心頻率v0)的變化的指標(biāo)δ有利地不依賴于磁場(chǎng)的強(qiáng)度。
通常，所述FID、回波信號(hào)分別借此形成與時(shí)間有關(guān)的響應(yīng)信號(hào)——所謂的“時(shí)間域中的信號(hào)成像/表示”，在其指數(shù)過(guò)程中各個(gè)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?，圖3A中的所述FID、回波信號(hào)分別比圖2A的所述FID、回波信號(hào)編碼得更加復(fù)雜，圖2A僅顯示出一個(gè)頻率。這種編碼可以通過(guò)傅立葉變換來(lái)解開(kāi)并按照各個(gè)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(hào)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(hào)成像/表示”。
盡管，如已經(jīng)提到的，回磁比γ(公式(1))為各個(gè)核素的固定常數(shù)(例如對(duì)質(zhì)子是γ/2π＝42.577MHz/T)，在相同的(恒定)外層磁場(chǎng)下NMR實(shí)驗(yàn)中可以看到稍微不同的共振頻率，其中所檢驗(yàn)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(chǎng)，使得所述核依賴于鍵聯(lián)的狀態(tài)而“看到”不同的磁場(chǎng)(BK)，這導(dǎo)致已經(jīng)提到的各個(gè)共振頻率的微小的位移，這被稱為“化學(xué)移動(dòng)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(gè)分子組團(tuán)。定量地，根據(jù)公式(4)所述化學(xué)移動(dòng)通常相對(duì)于參考線(v0)以ppm給出。
除所述化學(xué)移動(dòng)之外，常?？梢钥吹剿龊斯舱窬€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(xì)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(xì)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(biāo)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(duì)應(yīng)的測(cè)得的頻譜。這樣，在化學(xué)和生物化學(xué)中有利地實(shí)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(cè)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(hào)的磁共振的低靈敏度不是主要問(wèn)題，因?yàn)?H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(cè)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(cè)改進(jìn)的方法是極化轉(zhuǎn)移，其中通過(guò)自旋-自旋-耦合將特定核自旋系統(tǒng)的兩個(gè)或更多能級(jí)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(jí)。
下面對(duì)基于極化轉(zhuǎn)移的檢測(cè)改進(jìn)的原理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明簡(jiǎn)化地，所述示例包含由一個(gè)敏感的核與一個(gè)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(chǎng)B0中，這樣的核(自旋量子數(shù)1/2)能夠使其每一個(gè)采用兩個(gè)離散的能量態(tài)。能級(jí)之間的躍遷伴隨電子量子的吸收或發(fā)射 在外部磁場(chǎng)B0中能級(jí)的分配/粒子數(shù)根據(jù)波爾茲曼統(tǒng)計(jì) 而發(fā)生。由此導(dǎo)致過(guò)量的與磁場(chǎng)B0平行地排列的核-磁矩。
各個(gè)核的回磁比γ對(duì)兩個(gè)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(duì)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(qiáng)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(gè)最低能級(jí)(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(shí)現(xiàn)各個(gè)自旋粒子數(shù)的交換，則顯示X-轉(zhuǎn)移的加強(qiáng)吸收(X1)和加強(qiáng)發(fā)射(X2)的圖4B的能級(jí)圖、通過(guò)其X1顯示加強(qiáng)發(fā)射而X2顯示加強(qiáng)吸收的圖4C的能級(jí)圖分別變得有效。在全部?jī)煞N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(dòng)了粒子數(shù)平衡。
對(duì)所述敏感核為預(yù)先決定性的、與信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的粒子數(shù)差，現(xiàn)在對(duì)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(qiáng)NMR不敏感核素(X)的信號(hào)。
一般的興趣是借此實(shí)現(xiàn)不敏感核的1H-耦合頻譜的靈敏度改進(jìn)，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(qiáng)度的增強(qiáng)。
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(jí)的視圖。
圖5A示出未耦合到外部磁場(chǎng)B0的四個(gè)能級(jí)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(duì)于標(biāo)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(méi)有分裂、沒(méi)有超精細(xì)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(jí)增加J/4而反平行自旋態(tài)(↑↓，↓↑)的能級(jí)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(gè)原子核素的每?jī)蓚€(gè)能量不同的轉(zhuǎn)移，這導(dǎo)致所述頻譜中的雙超精細(xì)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(gè)核素獨(dú)自經(jīng)歷J的總能量變化。
為了計(jì)算所述極化轉(zhuǎn)移的粒子數(shù)關(guān)系(分別地，相對(duì)粒子數(shù)、轉(zhuǎn)移概率)，以便實(shí)現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)，更緊密地，即更定量地(見(jiàn)圖6A、6B、6C)與圖4A和4C的能級(jí)圖相關(guān)是有利的。
圖6A中最低能級(jí)表示能量 (與粒子數(shù)概率成比例)，而其它能級(jí)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(duì)應(yīng)的粒子數(shù)概率的能量 以及 在通過(guò)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(zhǔn)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(zhǔn)備之后包括與磁場(chǎng)B0平行(αα＝↑↑)以及反平行(ββ＝↓↓)的自旋-自旋對(duì)。
如果，為簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，向所述能級(jí)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(jìn)一步考慮1H和13C的核靈敏度(γH＝4以及γC＝1)的相對(duì)關(guān)系，則對(duì)根據(jù)圖6B的所述能級(jí)得到相對(duì)值5、4、1以及0。如已經(jīng)提到的，這些值同樣分別與相對(duì)粒子數(shù)概率、相對(duì)粒子數(shù)對(duì)應(yīng)，因?yàn)榭坍嬱`敏度的磁矩 定義粒子數(shù)概率的同時(shí)也定義能級(jí)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(duì)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(hào)強(qiáng)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(duì)的排列)強(qiáng)制推動(dòng)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(qiáng)的同時(shí)也引起Δ＝1-4＝-3的發(fā)射增強(qiáng)(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(hào)增強(qiáng)。坐標(biāo)的單位是隨機(jī)選取的。重要的是所述兩條X-二重態(tài)線的顯著增強(qiáng)。
對(duì)3原子AX-自旋系統(tǒng)(例如CH2-組團(tuán))的增強(qiáng)導(dǎo)致所述能級(jí)的更復(fù)雜得多的能級(jí)圖，并且如可以示出的，導(dǎo)致頻譜中具有相關(guān)的強(qiáng)度(1)-(2)-(1)的X-三重態(tài)(圖7B)。信號(hào)增強(qiáng)導(dǎo)致該系統(tǒng)中的值(-7)-(2)-(9)。
通過(guò)與根據(jù)圖8A和8B的帕斯卡三角形進(jìn)行比較，可以計(jì)算在對(duì)AnX-自旋系統(tǒng)(A＝1H，X＝13C)的一般增強(qiáng)中得到的強(qiáng)度增強(qiáng)。
示出了AnX-組團(tuán)(A＝1H)的X-多重態(tài)處于波爾茲曼分布時(shí)(圖8A)以及在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)之后(圖8B)的線數(shù)以及相對(duì)強(qiáng)度。各個(gè)三角形是通過(guò)合并基本能級(jí)圖的(整體)能級(jí)轉(zhuǎn)移而得到的。
可以通過(guò)使用不同的RF脈沖序列來(lái)實(shí)現(xiàn)所述自旋系統(tǒng)的準(zhǔn)備，從而實(shí)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(qiáng)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(wú)失真增強(qiáng))、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(duì)此進(jìn)行更詳細(xì)的解釋。這導(dǎo)致這樣的缺點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)。

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(jìn)行具有極化轉(zhuǎn)移的NMR實(shí)驗(yàn)而無(wú)需并發(fā)地施加不同頻率的RF脈沖。
如獨(dú)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(guò)極化轉(zhuǎn)移來(lái)改進(jìn)NMR頻譜分析中的檢測(cè)或?qū)Ψ肿铀槠M(jìn)行頻譜編輯的方法，其中將特定核自旋系統(tǒng)(A)的兩個(gè)或更多能級(jí)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(gè)核自旋系統(tǒng)(X)的能級(jí)，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(shí)間間隔，使得在該序列的時(shí)間中不會(huì)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(gè)原子核自旋系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)移，其中各個(gè)核的每個(gè)域中的所述HF脈沖的序列是完全對(duì)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(kāi)始的時(shí)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(kāi)始的時(shí)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(kāi)始的時(shí)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(kāi)始的時(shí)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(kāi)始的時(shí)間τ3+τ1之后，通過(guò)檢測(cè)所述FID信號(hào)來(lái)取得所述X-核共振信號(hào)。
對(duì)時(shí)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(shí)施例，使用長(zhǎng)程耦合用于極化轉(zhuǎn)移。
對(duì)RF脈沖的順序接續(xù)有利的是，時(shí)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(jìn)一步有利地，時(shí)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(jìn)一步有利地，將τ2和τ3選為獨(dú)立變量以影響自旋系統(tǒng)的頻譜形狀，其具有強(qiáng)同核耦合(也即，像ABX系統(tǒng))。
進(jìn)一步有利地，考慮AnX組團(tuán)的X-多重態(tài)的耦合，其中n＝1，2，3。
進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(chǎng)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(shí)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(shí)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(tuán)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(guò)所述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的更多的有利特征進(jìn)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(hào)的形式刻畫的交叉-/橫向-磁化的時(shí)間進(jìn)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(gè)共振的FID-信號(hào)；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(jiǎn)化能級(jí)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(dòng)平衡下的所述AX-能級(jí)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(dòng)平衡下的所述AX-能級(jí)圖；圖5A示出無(wú)耦合的CH-自旋系統(tǒng)的能級(jí)視圖；圖5B示出具有正耦合(J＞0)的CH-自旋系統(tǒng)的能級(jí)視圖；圖5C示出具有負(fù)耦合(J＜0)的CH-自旋系統(tǒng)的能級(jí)視圖；圖6A示出根據(jù)圖4A的能級(jí)圖的定量視圖；圖6B示出簡(jiǎn)明地考慮相對(duì)粒子數(shù)概率的分別根據(jù)圖4A、圖6A的能級(jí)圖；圖6C定量地示出極化轉(zhuǎn)移對(duì)圖4C的能級(jí)圖中的信號(hào)增強(qiáng)的影響；圖7A示出NMR-頻譜中的X-二重態(tài)的信號(hào)增強(qiáng)；圖7B示出NMR-頻譜中的X-三重態(tài)的信號(hào)增強(qiáng)；圖8A示出根據(jù)波爾茲曼分布的多重態(tài)的相對(duì)強(qiáng)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(duì)強(qiáng)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(duì)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(jìn)；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(hào)增強(qiáng)；圖12示出局域化DEPTUPS(借助使用序列脈沖進(jìn)行極化轉(zhuǎn)移的無(wú)失真增強(qiáng))對(duì)頻譜中13C共振的信號(hào)增強(qiáng)；以及圖13示出在13C-1葡萄糖浸液時(shí)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(hào)。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(shí)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(dòng)、超精細(xì)結(jié)構(gòu)。這可以利用傳統(tǒng)磁共振成像裝置來(lái)實(shí)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(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，其中使用極化轉(zhuǎn)移用于不敏感核的探測(cè)增強(qiáng))將主要在這樣的裝置上實(shí)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(dú)開(kāi)發(fā)和使用的強(qiáng)場(chǎng)-體內(nèi)-MR-系統(tǒng)(瞬時(shí)可高達(dá)到對(duì)人體應(yīng)用7特斯拉，對(duì)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(duì)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?chǎng)磁鐵1產(chǎn)生用于對(duì)象的檢驗(yàn)區(qū)域(例如，要檢驗(yàn)的人體的部分)中的核自旋的極化或排列的時(shí)間恒定的強(qiáng)磁場(chǎng)。在容納要檢驗(yàn)的人體部分的球形測(cè)量體積M中規(guī)定了磁共振測(cè)量所需的基本磁場(chǎng)的高度均勻性。為了支持均勻性要求以及，特別地，消除時(shí)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(dòng)的襯墊線圈2來(lái)消除時(shí)間變化的影響。
將由三個(gè)子線圈(sub-winding)組成的圓柱形梯度線圈系統(tǒng)3加到基本場(chǎng)磁鐵1中。每個(gè)子線圈由放大器14提供電源，以分別生成在笛卡兒坐標(biāo)系的各個(gè)方向上的線性梯度場(chǎng)。梯度場(chǎng)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(gè)放大器14具有由用于在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間產(chǎn)生梯度脈沖的序列控制器18驅(qū)動(dòng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
位于梯度場(chǎng)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(chǎng)，其用于激發(fā)檢驗(yàn)對(duì)象的核、或?qū)ο笾兴鶛z驗(yàn)的區(qū)域的核。射頻天線4由一個(gè)或更多RF發(fā)送線圈以及一個(gè)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(jìn)動(dòng)的核自旋發(fā)出的交變場(chǎng)，也即核磁共振回波信號(hào)(通常利用由一個(gè)或更多射頻脈沖以及一個(gè)或更多梯度脈沖組成的脈沖序列生成)，轉(zhuǎn)換為通過(guò)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(gè)射頻脈沖根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(shí)部和虛部分別通過(guò)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(cè)量體積中的核自旋的共振頻率對(duì)應(yīng)的基本頻率的相位相干(coherent)射頻載波信號(hào)上。
通過(guò)發(fā)送-接收雙工器6實(shí)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(cè)量體積M中，并通過(guò)RF接收線圈對(duì)結(jié)果回波信號(hào)進(jìn)行采樣。對(duì)應(yīng)地取得的磁共振信號(hào)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(guò)各個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為測(cè)得信號(hào)的實(shí)部和虛部，其分別通過(guò)輸出端11提供到圖像計(jì)算機(jī)17。圖像計(jì)算機(jī)17利用這樣取得的測(cè)量的數(shù)據(jù)來(lái)重建圖像。通過(guò)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)20實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)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(gè)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(hào)的接收，也控制所述梯度的時(shí)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(shí)間基準(zhǔn)。通過(guò)既包括一個(gè)或更多圖像屏幕又包括鍵盤的終端(控制臺(tái))21實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)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(shí)間上不重疊。
這特別涉及使用極化轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)的NMR-實(shí)驗(yàn)。
這樣的方法傾向于積極地準(zhǔn)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(jí)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(hào)增強(qiáng)。
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(shí)現(xiàn)靈敏度增強(qiáng)的一種重要的脈沖序列已知為“借助極化轉(zhuǎn)移的無(wú)失真增強(qiáng)”(DEPT)。下面考慮DEPT脈沖序列分別對(duì)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(duì)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(jìn)的脈沖序列以及對(duì)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(shuō)明了各個(gè)磁化。在平衡延遲T1(未示出)之后(這允許達(dá)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(duì)1H和13C核的磁化矢量造成相對(duì)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(duì)比，現(xiàn)在將時(shí)間延遲τ＝1/2J插入，在時(shí)間延遲期間1H核的橫向磁化通過(guò)與13C核耦合而被調(diào)制。在τ＝1/2J時(shí)間段的結(jié)尾，發(fā)現(xiàn)1H核的兩個(gè)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(duì)任何非均勻性進(jìn)行再聚焦。同時(shí)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(méi)有磁化，它們兩個(gè)被去耦合，而且在接下來(lái)的延遲時(shí)間段τ＝1/2J期間，兩個(gè)核的矢量均在旋轉(zhuǎn)框架中保持靜止(見(jiàn)圖9B中的d)和e))。接著施加質(zhì)子脈沖θ(其長(zhǎng)度根據(jù)附加的質(zhì)子的數(shù)量以及要記錄的頻譜來(lái)調(diào)整)以用來(lái)對(duì)1H磁化進(jìn)行極化。這時(shí)出現(xiàn)粒子數(shù)轉(zhuǎn)移，因?yàn)橛少|(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(qiáng)。圖9A、9B中，該脈沖的長(zhǎng)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(shí)，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(guò)13C核可以發(fā)生自旋-自旋-耦合，導(dǎo)致在最后1/(2J)時(shí)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(cè)為二重態(tài)、或者單態(tài)(如果同時(shí)施加1H去耦合)。
圖11中示出在CH3、CH2和CH碳的可變?chǔ)让}沖的作用下的信號(hào)增強(qiáng)。θ＝90°的實(shí)驗(yàn)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(fù)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(duì)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(shí)，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(qiáng)。另一方面，DEPT頻譜依賴于θ脈沖的長(zhǎng)度的變化而不依賴于脈沖之間的精確的延遲時(shí)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(wú)失真增強(qiáng)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(guò)向MR系統(tǒng)添加使得能夠在兩個(gè)不同的核(如1H和13C)的自旋上同時(shí)發(fā)送的單獨(dú)的RF信道來(lái)解決該問(wèn)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(jìn)傳統(tǒng)DEPT序列使得照射的HF-脈沖在時(shí)間上不重疊，同時(shí)在A-域以及X-域中維持最大可能的對(duì)稱性。這意味著，與特征為只有一個(gè)τ1＝1/2J的時(shí)間延遲τ1的傳統(tǒng)DEPT序列形成對(duì)比，考慮到首先各個(gè)核素的特定磁化的進(jìn)動(dòng)行為、以及其次全部?jī)蓚€(gè)核素的域中的總對(duì)稱性的維持，必須引入新的時(shí)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(jìn)的DEPT-序列使得能夠使用極化轉(zhuǎn)移(PT)而無(wú)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(shì)在于，可以同時(shí)檢測(cè)具有不同化學(xué)移動(dòng)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(jìn)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(hào)，而第一個(gè)且最重要的時(shí)間間隔分別由AX-、1H-13C-耦合確定τ1＝1/2J但是，在時(shí)間延遲τ2之前不開(kāi)始A-自旋-系統(tǒng)的180y°-反轉(zhuǎn)-脈沖，該時(shí)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(lái)確定，而且(與τ1一起)確定最初兩個(gè)脈沖90x°(A)與180y°(A)之間的時(shí)間間隔。為了在A-域中實(shí)現(xiàn)總的對(duì)稱性而沒(méi)有重疊，必須在X-域中的第一個(gè)脈沖90x°(X)之后τ1時(shí)間照射θy(A)-脈沖。該序列方案中的第五個(gè)也是最后一個(gè)脈沖是X-選擇180x°(X)-HF-脈沖，在從第四個(gè)HF脈沖θy(A)的中央開(kāi)始τ3時(shí)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(shí)間延遲τ3通常與時(shí)間延遲τ2不同。為了在X-域中實(shí)現(xiàn)總的對(duì)稱性而不與將在X-域中在第三脈沖90x°(X)之后τ1+τ3時(shí)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(kāi)始τ3+τ1時(shí)間之后執(zhí)行X-核共振信號(hào)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(duì)稱性，由于如圖13中通過(guò)在50％13C-1標(biāo)記的葡萄糖浸液時(shí)得到的在3T下的人腦的13C-MR-頻譜可以看出的化學(xué)移動(dòng)的寬廣范圍，不但對(duì)一種類型的分子中的一個(gè)核、而且對(duì)結(jié)合在不同種類的分子中的許多核都實(shí)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(dòng)，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(shí)間之后，具有不同化學(xué)移動(dòng)的全部自旋在從相移開(kāi)始的相同時(shí)間段精確地同相。如果接著將用另一個(gè)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(diǎn)。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(hào)，其否則由于強(qiáng)信號(hào)重疊而很難用傳統(tǒng)1H-NMR-頻譜分析解決；-監(jiān)視用13C標(biāo)記的碳的信號(hào)，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(jìn)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(shí)和節(jié)約成本；-一個(gè)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(qiáng)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(zhǎng)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(jìn)一步增強(qiáng)它們的信號(hào)。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(zhǎng)程耦合的存在，也可以實(shí)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(lái)增強(qiáng)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(gè)關(guān)于INEPT途徑的缺點(diǎn)(SAR、帶寬)可以由所提出的使用DEPT序列的創(chuàng)意來(lái)回避。這很有意義，因?yàn)闃O化轉(zhuǎn)移使得能夠改善對(duì)在瘤和細(xì)胞生長(zhǎng)(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(duì)大塊膽堿化合物進(jìn)行顯影的1H-NMR-頻譜分析形成對(duì)比)。
權(quán)利要求
1.一種用于通過(guò)極化轉(zhuǎn)移來(lái)改進(jìn)NMR頻譜分析中的檢測(cè)或?qū)Ψ肿铀槠M(jìn)行頻譜編輯的方法，其中，將特定核自旋系統(tǒng)(A)的兩個(gè)或更多能級(jí)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(gè)核自旋系統(tǒng)(X)的能級(jí)，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(shí)間間隔，使得在該序列的時(shí)間中不會(huì)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(gè)原子核自旋系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)移，其中各個(gè)核的每個(gè)域中的所述HF脈沖的序列是完全對(duì)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(kāi)始的時(shí)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(kāi)始的時(shí)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(kāi)始的時(shí)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(kāi)始的時(shí)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(kāi)始的時(shí)間τ3+τ1之后，通過(guò)檢測(cè)所述FID信號(hào)來(lái)取得所述X-核共振信號(hào)。
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(zhǎng)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(dú)立變量，以便影響具有強(qiáng)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(tuán)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(jìn)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(jìn)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(chǎng)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(guò)極化轉(zhuǎn)移在核磁共振頻譜分析中進(jìn)行檢測(cè)改進(jìn)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(gè)或更多能級(jí)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(gè)核自旋系統(tǒng)(X)的能級(jí)，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(shí)間間隔，使得在該序列的時(shí)間中不會(huì)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(gè)原子核自旋系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)移，其中各個(gè)核的每個(gè)域中的所述HF脈沖的序列是完全對(duì)稱的。
文檔編號(hào)A61B5/055GK101093249SQ200710089898
公開(kāi)日2007年12月26日 申請(qǐng)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(qǐng)人:拉德伯德大學(xué)奈梅亨醫(yī)學(xué)中心