專利名稱:確定人體內(nèi)某一部分核磁共振分布的方法及其設(shè)備的制作方法
本發(fā)明是關(guān)于確定人處在穩(wěn)定、均勻磁場內(nèi)核磁共振分布的一種方法，其步驟為
a)產(chǎn)生一個(gè)射頻電磁脈沖，以便得到核自旋響應(yīng)信號，
b)經(jīng)過一個(gè)準(zhǔn)確周期后，在測量周期采樣一組核自旋響應(yīng)信號，
c)每次等一個(gè)周期后，重復(fù)步驟a和b數(shù)次，以便每次得到(n′)組每組(n)個(gè)信號，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換后，就能確定所產(chǎn)生的核磁共振分布圖象。
本發(fā)明還涉及到確定人體核振共振分布所用的設(shè)備，由如下設(shè)備組成
a)產(chǎn)生穩(wěn)定、均勻磁場的裝置，
b)產(chǎn)生射頻電磁輻射的射頻振蕩器和線圈，
c)產(chǎn)生梯度磁場的裝置，
d)采樣裝置，用來采樣由a、b節(jié)持指的設(shè)備所產(chǎn)生的響應(yīng)信號，
e)處理裝置，用來處理采樣設(shè)備給出的各組信號，從而確定核磁共振分布圖象，
f)控制裝置，用來控制b到e節(jié)所述的各裝置，其目的是為了產(chǎn)生、調(diào)節(jié)、采樣和處理各組采樣信號。
此種方法(也叫核磁共振斷層X射線攝影方法)和設(shè)備來自荷蘭專利申請，藏錄號為NL-A-82-03519。按照這種方法，被檢測的人暴露在穩(wěn)定、均勻強(qiáng)磁場B0中，例如，B0的方向和笛卡幾坐標(biāo)系(X、y、Z)的Z軸方向一致。穩(wěn)定磁場B0引起人體內(nèi)梭自旋的微量偏振，同時(shí)能使梭自旋對B0磁場方向產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)動運(yùn)動。加入磁場B0后，最好產(chǎn)生一個(gè)90°射頻電磁輻射脈沖(角頻率ω＝γ·B0，γ是旋磁比，B0是磁場強(qiáng)度)，以便使體內(nèi)核磁方向以90°角旋轉(zhuǎn)。90°脈沖結(jié)束后，核自旋沿B0磁場方向進(jìn)行進(jìn)動運(yùn)動，這樣就產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)信號(FID信號)。采用的梯度磁場Gx、Gy、Gz的方向和B0磁場的方向一致，總的磁場BB＝B0+X·Gx+Y·Gy+Z·Gz。B的磁場強(qiáng)度放位置而定，因?yàn)樘荻却艌鯣x、Gy、Gz的強(qiáng)度在X、Y、Z方向有梯度。
加90°脈沖后，對Gx磁場加一個(gè)Zx周期，接著對Gy磁場加一個(gè)Zy周期，使在不同位置受激核自旋的進(jìn)動運(yùn)動受到影響。經(jīng)過準(zhǔn)準(zhǔn)備期(即tx+ty)后，對Gz磁場加Zz周期，在Nz測量時(shí)刻采樣FID信號(實(shí)際上全部原子核磁化總和)，接著這種測量過程重復(fù)1×m一次，每個(gè)位置使用不同tx、ty數(shù)值。這樣就能得到(NZ×m×1)次的采樣信號，該信號就是人體在X、Y、Z空間磁化分布的有關(guān)信息。把采樣信號Nz×m×1存在一個(gè)存貯器中(Nz×m×1)存貯單元)，然后，F(xiàn)ID采樣信號經(jīng)過三繼傅里葉轉(zhuǎn)換，就得到核磁共振分布圖象。
很明顯，另一種方法也是可能的，就是利用選擇激磁法，只是在二維空間層產(chǎn)生核旋FID信號(有一個(gè)方向任意選擇)，例如只需產(chǎn)生m次FID信號就能借助于二維傅里葉轉(zhuǎn)換，得到所選空間層中m×Nz的磁化分布圖。
以前各種設(shè)備及方法所采用的射頻脈沖用來激勵(lì)人體所需區(qū)域的核自旋。為達(dá)到激勵(lì)磁目的，在磁場作用下例如(1-2.5T)的情況下，需要較寬的頻帶脈沖。
因此，在以前的設(shè)備及方法中遇到許多問題。例如，頻帶增加二倍(三倍)時(shí)(在整個(gè)頻帶中，為使核自旋轉(zhuǎn)相同角度，各種信號頻率的強(qiáng)度保持相同)，則所需要能量增加二倍(三倍)。然而，所加射頻脈沖的時(shí)間間隔必須減少1/2或1/3，這樣射頻發(fā)生器要提供四倍(九倍)于峰值功率的能量，這是一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的目的是提供一種新的方法和設(shè)備，在這種方法中，射頻脈沖帶寬的增加和射頻脈沖的峰值只是比例增加，因此，可以使用一個(gè)性能好價(jià)格低的頻率發(fā)生器。
因此，本發(fā)明的方法的特點(diǎn)是射頻電磁脈沖是調(diào)頻脈沖，在本發(fā)明的方法中，瞬時(shí)射頻信號通過所需的頻帶，各種頻率一個(gè)接一個(gè)被搜索，好象使信號加到有關(guān)的對象上似的。
本發(fā)明最好的一種方法具有如下特點(diǎn)即調(diào)頻脈沖是時(shí)間的線性函數(shù)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是各種受頻率響應(yīng)的核自旋在同一周期全部受響應(yīng)，因此射頻脈沖對于連續(xù)的各種脈沖總有一個(gè)基本相同的幅值。
可以證明，在檢測區(qū)域受不同位置不同磁場影響的核自旋，在頻率調(diào)制射頻脈沖的影響下，有不同的相位漂移。在線性調(diào)頻射頻脈沖的情況下，這種相位漂移和頻率變化速率成反比，就是說和每時(shí)間單位的頻率變化成反比，這種特性可以用來補(bǔ)償相位漂移，相位漂移影響對反回信號的估算，在估算中，選定單位時(shí)間內(nèi)射頻脈沖頻率的變化量，這樣處在不同磁場中的核自旋由單一射頻脈沖引起的相位漂移可以相互補(bǔ)償。
前面已經(jīng)說過，這種相位漂移是由單一原子核在人體的不同部位受不同的磁場所引起的。這樣的差異不希望來自穩(wěn)定磁場的不均勻性，而是故意施加梯度磁場產(chǎn)生的。因?yàn)檫@種相位漂移也和人體在檢測區(qū)的不同位置、核自旋諧振頻率之差的平方成正比，同時(shí)也和有關(guān)位置磁場強(qiáng)度之差的平方成正比。在本發(fā)明的改進(jìn)方法中，采用梯度磁場，在射頻脈沖時(shí)，梯度磁場是存的，在射頻脈沖或射頻脈沖頻率相對所選的時(shí)間單位變化時(shí)，梯度磁場的強(qiáng)度也是存在的，所以由單一脈沖引起的核自旋相位漂移互相補(bǔ)償。
選擇梯度磁場的梯度或單位時(shí)間頻率的變化量，取決于有關(guān)的測量方法，在記錄自旋反回信號時(shí)，在90°脈沖期間梯度磁場有效，在180°脈沖期間梯度磁場有效且向同一方向延伸。
本發(fā)明中選定的梯度磁場或時(shí)間單位時(shí)間內(nèi)頻率變化率，使其滿足
g21/β1＝2g22/β2
g1，g2分別為兩次射頻脈沖期間梯度磁場的梯度，β1，β2分別為對應(yīng)期間單位時(shí)間頻率變化量，
然而，當(dāng)記錄一個(gè)所謂受磁反回信號時(shí)，情況就不同了，對于此種方法E·L·Hahn 1950.11.5的第80期“物理周報(bào)”有過文章。J·E·Tanner在1970.3.1第5期總期52期的“化學(xué)物理雜志”PP2523-2526有過論述。連續(xù)產(chǎn)生三個(gè)射頻脈沖，至少頭二個(gè)盡可能是90°脈沖。受激反回信號在第三丁射頻脈沖后某一時(shí)刻達(dá)到最大值，而第三個(gè)脈沖與前兩個(gè)脈沖的時(shí)間差相吻合，在這種方法中，通過選定梯度磁場和單位時(shí)間頻率變化率，使其滿足g21/β1＝g22/β2+g23/β3，就可以消除上述提到的我們所不希望有的相位漂移。g1，g2，g3分為三次射頻脈沖期間的梯度磁場的梯度，而β1，β2，β3分別為對應(yīng)脈沖期間單位時(shí)間內(nèi)頻率變化量。
本發(fā)明裝置的特點(diǎn)是，射頻振蕩器裝置同時(shí)包括一個(gè)頻率調(diào)制裝置，它用來產(chǎn)生一個(gè)頻率是時(shí)間函數(shù)的振蕩器頻率。
本發(fā)明改進(jìn)型的具體裝置的特點(diǎn)是射頻振蕩器包括一個(gè)定頻振蕩器和一個(gè)90°相位調(diào)制儀，定頻發(fā)生器的輸出通過90°相位調(diào)制儀接到射頻線圈上。
發(fā)明中某些具體裝置將參照草圖在下面作詳細(xì)描述，其中
圖1是一個(gè)線圈系統(tǒng)，它構(gòu)成本裝置的一部分;
圖2是實(shí)現(xiàn)本方法的裝置;
圖3是本設(shè)備頻振蕩器的具體實(shí)現(xiàn)方案;
圖4是本設(shè)備射頻振蕩器改進(jìn)型的具體實(shí)現(xiàn)方案;
圖5是本設(shè)備射頻振蕩器的最好的具體實(shí)現(xiàn)方案。
圖1是線圈系統(tǒng)10，它構(gòu)成確定人體20內(nèi)某些部位核磁共振分布裝置的一部分，此部分有一厚度，例如△Z，△Z位于直角坐標(biāo)系(X、Y、Z)的X-Y平面，坐標(biāo)系的Y軸垂直于圖面且向上延伸。線圈系統(tǒng)10產(chǎn)生一個(gè)平行于Z軸的均勻穩(wěn)定磁場。三個(gè)梯度磁場Gx，Gy，Gz產(chǎn)生一個(gè)平行Z軸的磁場和一個(gè)射頻磁場，它們的梯度方向分別平行X、Y、Z軸。為此，線圈系統(tǒng)10要包括一組主線圈1，用于生產(chǎn)穩(wěn)定均勻主磁場B0，其磁場強(qiáng)度為0.2-2泰斯拉(Tesla)。主線圈1可以裝在球心位于X、Y、Z坐標(biāo)原點(diǎn)O的球2的表面，垂線圈的軸和Z軸一致。
線圈10還包括四個(gè)線圈3a和3b，3a和3b裝在同一球的表面上，用于產(chǎn)生梯度磁場GZ，為此，第一組線圈3a的激磁與第二組線圈3b的激磁電流方向相反，圖中分別用⊙和
表示，⊙表示電流進(jìn)入線圈3的斷面，
表示離開。
線圈系統(tǒng)10還包括例如四個(gè)矩形線圈5(圖中只畫出二個(gè))或四個(gè)別的線圈比如“Golay線圈”用于產(chǎn)生梯度磁場Gy。為了產(chǎn)生梯度磁場Gx，利用四個(gè)線圈7，7的形狀和5一樣且相對于線圈5沿Z軸轉(zhuǎn)過90°角。圖1還標(biāo)出一個(gè)線圈11，用于產(chǎn)生和探測射頻電磁場。
圖2是實(shí)現(xiàn)本方法的操作裝置15，該裝置15包括上面已提到線圈1，3，5，7，11;電流發(fā)生器17，19，21和23分別激勵(lì)線圈1，3，5和7;一個(gè)激勵(lì)線圈11的射頻信號發(fā)生器。裝置15還包括射頻信號探測器27;解調(diào)器28;采樣電路29;處理器例如A/D轉(zhuǎn)換器31;存貯器33;用于信號轉(zhuǎn)換(例如傅里葉轉(zhuǎn)換)的運(yùn)標(biāo)電路35;控制信號采樣時(shí)刻的控制器37;還有顯示裝置43和中央控制器45，它們的功能和相互關(guān)系下面作詳細(xì)說明。
裝置15用來確定人體20某部核磁共振分布的操作方法，這前面已經(jīng)講過。這種方法包括幾個(gè)步驟，“測量”開始前，人體20內(nèi)的核自旋受到諧振激發(fā)，控制器45啟動電流產(chǎn)生器17，使核自旋諧振激發(fā)，因此激發(fā)了線圈1，也就產(chǎn)生了穩(wěn)定均勻磁場B。
之后，暫時(shí)接通射頻發(fā)生器25，使線圈11產(chǎn)生一個(gè)射頻電磁場，加上這個(gè)磁場，人體20內(nèi)的核自旋被激發(fā)，受激原子磁化與B0形成一個(gè)給定的角度例如90°(90°射頻脈沖)，激發(fā)的地點(diǎn)和那個(gè)核自旋被激發(fā)取決于磁場B0的強(qiáng)度、所施加的梯度磁場和射頻電磁場的角頻率ω等諸因素，因?yàn)橐獫M足方程ω＝γ·B0，式中γ是旋磁比(對于自由質(zhì)子例如H2O(水)質(zhì)子，γ/2π＝42.576MHz/T)。激磁周期后，中央控制器45切斷射頻發(fā)生器25，在每次測量周期開始，先進(jìn)行諧振激發(fā)。有些操作方法，在測量周期，還把射頻脈沖引入人體。這些射頻脈沖例如180°射頻脈沖，可以周期地引入人體，后者叫做“自旋反射”，1982年5月科學(xué)美國人上發(fā)表的I.L.Pykett的文章“核磁共振圖象在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用“對此有過論述。
下一步，采集采樣信號，在中央控制器45的控制下，根據(jù)測量性質(zhì)不同(例如核自旋密度分布、流動速度分布、分光儀的定位位置)分別按通電流發(fā)生器19、21、23來產(chǎn)生梯度磁場。響應(yīng)信號(也叫FID信號)的檢測是接通射頻檢測器27，解調(diào)器28，采樣電路29，A/D轉(zhuǎn)換器33和控制器37來實(shí)現(xiàn)。FID信號顯視為核磁化對于B0磁場方向引起的進(jìn)動運(yùn)動，而B0由射頻激磁脈沖產(chǎn)生。這種核磁化在檢測線圈中引起一個(gè)感應(yīng)電壓，它的幅值就是核磁化的大小。
轉(zhuǎn)換器31把采樣電路29采集的模擬量的FID信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并存在存貯器33中。測量周期結(jié)束后，中央控制器45切斷發(fā)生器19、21、23;采樣電路29;控制器37和A/D轉(zhuǎn)換器31。采得的FID信號存在存貯器33中，并用傅里葉轉(zhuǎn)換法把FID信號轉(zhuǎn)換成體內(nèi)某部被激發(fā)的核自旋的核磁化分布圖象。人體受激使核自旋的范圍由施加磁場(主磁場B0和梯度磁場G給出)及射頻脈沖的頻率(發(fā)生次數(shù))來確定，方程式ω＝γ(B0+GZ·Z)成立(當(dāng)Z軸方向有梯度磁場存在時(shí)，或者Z＝(ω-γ·B0)/(γ·GZ)。若射頻脈沖有一個(gè)△ω帶寬，則△Z＝△ω/γ·GZ。當(dāng)ω0是射頻脈沖頻譜的中心頻率時(shí)，則核自旋將以△Z厚度被激發(fā)，△Z對中心平面Z＝(ω0-γ·B0)/(γ·GZ)對稱閉封。當(dāng)主磁場B0的強(qiáng)度為2T(1012)，均勻度為25PPm(百萬分之二十五)時(shí)，需要5mT/m梯度磁場強(qiáng)度才能使幾何變形限制到1Cm。對于給定的梯度磁場強(qiáng)度，為激勵(lì)1厘米厚的△Z片，需要2KHz帶寬的射頻脈沖。如采用三維傅里葉軛式圖解法(提供三維圖象)。應(yīng)激勵(lì)較厚的片，例如有10厘米厚的片，就需要20KHz寬的射頻脈沖，根據(jù)目前的技術(shù)狀態(tài)，需要一種能提供100倍峰值功率的射頻發(fā)生器。上述事情可作如下說明脈沖P(t)的傅里葉交換就是F(P(t))＝P(ω)。帶寬增加a倍和頻率比減少a倍是等效的，因此，傅里葉轉(zhuǎn)換寫成ρ(ω/a)來代替P(ω)。傅里葉反轉(zhuǎn)換F(P(ω/a))＝｜a｜·P(at)。于是，脈沖在時(shí)域內(nèi)減少a倍，脈沖幅值增加相同倍數(shù)。
對于頻率調(diào)制射頻脈沖來說，上述具體裝置中的射頻發(fā)生器只要提供10倍峰值功率的能力。這是可以理解的，頻率恰好是時(shí)間的線性函數(shù)，射頻脈沖的瞬時(shí)頻率ω(t)＝ω+βt(ω0，β是常數(shù))，因此，射頻脈沖的相位φ(t)＝ω0(t-t0)+ 1/2 β(t2-t2o)。當(dāng)射頻脈沖的頻率隨系統(tǒng)的拉莫爾(Larmor)頻率(W0＝γ·β0)變化時(shí)，隨角頻率ω0旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系的相位為φ(t)＝ 1/2 β(t2-t2o)，令t＝to，假設(shè)相位為零，結(jié)果φ(t)＝ 1/2 βt2，射頻脈沖表示為S(t)＝Aexp( 1/2 iβt2)，幅值A(chǔ)是常數(shù)。S(t)的傅里葉變換為
S(ω)＝A<math><msqrt><mi>i / β</mi></msqrt></math>exp(-iω2/2β)，頻譜從-∞到+∞，S(ω)選用矩形波時(shí)，時(shí)間函數(shù)像Sin(x)/x函數(shù)一樣，在整個(gè)時(shí)間域(-∞，+∞)取值，對選定的S(ω)頻譜，最好是矩形波，矩形波的前后沿由高斯曲線形成。這樣，時(shí)間信號是一個(gè)類似方波的波形，其前沿按指數(shù)增加，經(jīng)衰減振蕩信號達(dá)到最終值。而后沿是前沿的反射鏡對稱圖象。上述方波只是能采用的各種波形中的一種，它們都滿足時(shí)域、頻域有嚴(yán)格定義這一要求，信號波形可按如下方法來確定
a)根據(jù)所需片厚度和梯度磁場增強(qiáng)(為了有選擇的激勵(lì))，估算所需的帶寬△ω，當(dāng)氫質(zhì)子密度成象時(shí)(80MHZ)，頻帶寬度相當(dāng)于500Hz到50KHz。
b)選擇脈沖寬度(例如1-10毫秒)，脈沖寬度越大，所需峰值功率越小。但是，脈沖寬度過大時(shí)T2松弛時(shí)間的影響變得十分顯著。
c)根據(jù)頻帶寬度和脈沖寬度確定頻率變化β(采用核自旋反回技術(shù)時(shí))，對于180°脈沖的β與90°脈沖的β比較大約為2倍，這以后還要講到。
d)選擇頻譜函數(shù)(包路線)例如

式中例如△Z可取2π·10KHZ，b可取2π-500Hz
e)根據(jù)以上條件，計(jì)算出整個(gè)時(shí)間信號，以便控制頻率調(diào)制振蕩器。
f)調(diào)整射頻脈沖數(shù)值，使以角頻率ω0旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系對磁射頻場β1(X′)t、β2(y′)t滿足下面方程
∫γ·(B1(X′)t+iB2(y′)tdt＝π/2 對于90°脈沖
∫γ·(β2(X′)t+iβ2(y′)tdt≈1.3π 對于180°脈沖
式中γ是旋磁比。
圖3是本發(fā)明裝置15中采用的第一種發(fā)射頻振蕩器25的具體實(shí)現(xiàn)方案，振蕩器25包括一個(gè)空頻振蕩器61，一個(gè)低頻振蕩器63，一個(gè)幅值調(diào)制器65，一個(gè)頻率濾波器67和一個(gè)二級幅值調(diào)制器69。振蕩器61產(chǎn)生的頻率fo和振蕩器63產(chǎn)生的信號f共同加到調(diào)制器65上，信號f從力增加到f2(最好線性增加)，fo是已知的，調(diào)制器65的輸出信號包括fo+f(上頻波)和fo-f(下頻波)兩種，只有一個(gè)信號送到濾波器67，從而濾波器67或把頻率大于fo的信號濾掉，或把頻率小于fo的信號濾掉。濾波器67的輸出信號經(jīng)幅值調(diào)制器69(例如一個(gè)可控制的放大器)接到射頻線圈11上(圖1和2)。
頻率f1和f2的變化確定產(chǎn)生射頻信號的帶寬。調(diào)制器65(也可以90°相位乘法器)產(chǎn)生一個(gè)“恒定”幅值的射頻信號，其幅值與調(diào)制器69的時(shí)間信號S(t)相乘，S(t)是射頻脈沖(包絡(luò)線)，這個(gè)時(shí)間信號由S(t)=<math><msqrt><mi>S</mi><msup><mi></mi><mi>2</mi></msup><msub><mi></mi><mi>1</mi></msub><mi> ( t ) + S </mi><msup><mi></mi><mi>2</mi></msup><msub><mi></mi><mi>2</mi></msub><mi>( t )</mi></msqrt></math>來決定，式中S1(t)，S2(t)分別表示在頻譜中所選函數(shù)的傅里葉交換的真實(shí)的和出現(xiàn)的信號。很明顯，時(shí)間信號S(t)應(yīng)加振蕩器63的頻率同步變化。
圖4是本裝置15中采用的另一種射頻振蕩器25的具體實(shí)現(xiàn)方案，射頻振蕩器25包括一個(gè)受電壓函數(shù)發(fā)生器73控制的電壓控制振蕩器71，當(dāng)電壓控制振蕩器73的頻率是控制電壓的線性函數(shù)時(shí)，則電壓函數(shù)發(fā)生器73產(chǎn)生一個(gè)△V電壓，當(dāng)然，△V必須和時(shí)間信號S(t)同步，同時(shí)△V控制一個(gè)幅值調(diào)制器75，以便形成所希望的射頻脈沖。幅值調(diào)制器75的輸出信號和射頻線圈11相連接。
圖5是本裝置15(圖1和2)中采用的最好的一種射頻振蕩器25的具體實(shí)現(xiàn)方案，射頻振蕩器25包括一個(gè)定頻發(fā)生器81和含有90°移相器87的相位調(diào)制器，二個(gè)幅值調(diào)制器83、85和一個(gè)加法器電路89。定頻振蕩器81產(chǎn)生的射頻信號(coswt)經(jīng)90°移相器87加到幅值調(diào)制器85上。幅值調(diào)制器83、85分別接收時(shí)間信號S1(t)和S2(t)，S1(t)，S2(t)分別表示在頻譜中所選函數(shù)的傅里葉交換時(shí)真實(shí)的和出現(xiàn)的時(shí)間信號。加法器電路89，這時(shí)只包括一個(gè)微分放大器構(gòu)成，接收調(diào)制器83，85的輸出信號，并把二個(gè)信號合成，加法器89的輸出信號S(t)
＝S1cosωt-S2(t)sinωt
＝Re(S1(t)+iS2(t)expiωt)
并送到射頻線圈11。
當(dāng)采用頻率調(diào)制激磁脈沖(90°脈沖和180°反回脈沖)的方法時(shí)，出現(xiàn)一種情況，其中受激核自旋出現(xiàn)一個(gè)互感相位差，該相位差是角頻率△ω的平方律函數(shù)，這在下面討論。這種現(xiàn)象在選擇激磁情況下是非常明顯的擾動，因?yàn)樗谒x擇切片的橫向出現(xiàn)。相位差依平方律為距所選切片中心平面距離的函數(shù)，再現(xiàn)了這種復(fù)激核自旋產(chǎn)生的響應(yīng)信號(FID或自旋反回信號)，因此，對于受激片核磁化分布圖象的使用是不適合的。
上述所說的現(xiàn)象可作如下解釋。激磁所用的調(diào)頻脈沖(90°或180°脈沖)通過射頻率信號得到，射頻信號的角頻率是時(shí)間的線性函數(shù)。時(shí)間從(ω0-△ω)到(ω0+△ω)，脈寬從-△t到+△to，顯然，調(diào)頻脈沖的性質(zhì)是以角頻率ω1(由于梯度場或主磁場不均勻性)諧振的核自旋實(shí)際上在很短時(shí)間(t1-εt)到(t1+ε1)內(nèi)受影響。當(dāng)調(diào)頻脈沖的角頻率ω0“通過”上述核自旋的角頻率ω1時(shí)，就是這種情況。時(shí)間周期2εt比輸入脈寬Z△t要小得多，因此，假定這種情況，核自旋方向要求在90°或180°反轉(zhuǎn)剛好在調(diào)頻脈沖角頻率ω1和對應(yīng)的時(shí)刻t1時(shí)出現(xiàn)，射頻脈沖結(jié)束后，核自旋的相相位受到兩種作用影響。a)調(diào)頻脈沖本身相位t1，b)在核自旋反轉(zhuǎn)時(shí)刻t1。
影響a說明在90°脈沖情況下，核自旋(從Z軸)以X-y平面確定的相角旋轉(zhuǎn)，在180°脈沖情況，核自旋和給定相角線反射成象。假設(shè)調(diào)頻信號按下式形成
cos(ωot+βt2)對于-△t≤t≤△t
角頻率變化量β滿足β＝△ω/2△t。
當(dāng)t1時(shí)刻的角頻率為ω1時(shí)，T1式成立
ω1＝ω0+2βt1
t1＝(ω1+ω0)/2β
令τ＝t-t1
有cos(ωot+βt2)＝cos(ωτ+βτ2+ωot+βt21)。
因此，可得出，在一個(gè)以角頻ω0旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)中，諧振角頻率為ω的核自旋就處于次要地位，影響這些核自旋的脈沖相位相對于影響以角頻率ω0諧振的核自旋的脈沖有一個(gè)相位差ψω(1)。
影響b是由梯度磁場的選擇引起的，梯度磁場經(jīng)常出現(xiàn)在90°脈或180°脈沖的情況下，用于體內(nèi)切片有選擇的激磁;用于感應(yīng)不同核自旋的角頻差;它在to到t2周期接通核自旋反轉(zhuǎn)以前，以角頻ω1諧振的核自旋在t1-to期間受梯度磁場的影響，反轉(zhuǎn)以后，在t2-t期間受梯度磁場的影響。在90°脈沖情況下，核自旋不受梯度磁場的影響。但是，在t2-t1期內(nèi)卻受影響。這引起一個(gè)相對于ω0諧振的核自旋相位差ψ(2)
ψ(2)＝(t2-t1)(ω1-ω0)
＝t2(ω1-ω0)-(ω1-ω0)2/2β
對于以角頻率ω1諧振的核自旋來說，在90°脈沖情況下，總的相位置后等于線性表達(dá)式

對于180°脈沖的情況存在下式，在t1時(shí)刻脈沖本身相位為ψω1＝(ω1-ω0)2/4β，它同時(shí)又表示X-Y平面上反射鏡象線的相位或角度，核自旋受180°脈沖對X-y平面鏡象線反射。當(dāng)這一角度不等于零時(shí)，會在核自旋相位中引起一個(gè)附加相位，數(shù)值為上述角度的兩倍。因此，180°脈沖引起的相位置后由下式?jīng)Q定
ψ(180)ω＝-(ω1-ω0)2/2β
對于由于主磁場不均勻引起的頻率差可以用同樣方法推導(dǎo)
進(jìn)一步考慮平方項(xiàng)表達(dá)式
φω(90)= (-(ω-ω0)2)/(4β) 和φω(180)= (-(ω-ω0)2)/(2β)
考慮到由于180°脈沖的作用，表達(dá)式ψ(90)ω對旋自旋起相反作用，可以看出，當(dāng)180°脈沖的角頻率β180的變化率是90°脈沖的角頻率β(90)的變化率約2倍時(shí)，平方項(xiàng)將相互中和。在采用選擇梯度磁場時(shí)，還有一種方法使平方項(xiàng)ψ(90)ω和ψ180ω相互補(bǔ)償，就是使180°脈沖期間梯度場比90°脈沖期間梯度場小<math><msqrt><mi>2</mi></msqrt></math>倍。
盡管兩種方法都有效，只有奇數(shù)反射信號可用于圖象再構(gòu)成。因?yàn)?0°脈沖引起的平方律屬性是第一個(gè)180°脈沖補(bǔ)償?shù)?，第二個(gè)(2ne)180°脈沖引起的平方律只能被第三個(gè)(2°n+1e)180°脈沖抵消，對上述問題以后會出答案，該方法使用公式180°調(diào)頻脈沖。以τ時(shí)刻為中心的最佳180°脈沖，使得在t＝0時(shí)刻所有核自旋相位在2τ時(shí)刻回到原來的相位。逐次引入三個(gè)連續(xù)脈沖(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，中間脈沖(Ⅱ)的角頻率變化量的比率為Ⅰ、Ⅲ脈沖角頻率變化量的比率的二倍，中間脈沖的幅值為Ⅰ、Ⅲ脈沖幅值的一半，考慮到上述180°脈沖造成的相位置后公式，很明顯，合成180°脈沖總的相位置后影響有一個(gè)等于零的平方律分量，第Ⅰ丁脈沖的平方律作用被脈沖Ⅱ、Ⅲ轉(zhuǎn)換兩次，第Ⅱ個(gè)脈沖的平方律作用被轉(zhuǎn)換一次。結(jié)果，總的平方律作用結(jié)果是
ψωmω＝ψⅠω-ψⅡω+ψⅢω
＝-(ω-ω0)2/2β+(ω-ω0)2/β-(ω-ω0)2β＝0
很明顯，所有反回信號現(xiàn)在都可以用來圖象再構(gòu)，這個(gè)合成180°調(diào)頻脈沖的持續(xù)時(shí)間比正常所需產(chǎn)生一個(gè)不可用信號接著產(chǎn)生一個(gè)可用信號的持續(xù)時(shí)間要短得多。
很明顯，合成脈沖是5個(gè)、7個(gè)等脈沖組成的。這些脈沖依平方律對核自旋置后總作用為0，然而，這種合成的180°脈沖需要更多的能量，同時(shí)更多地消耗被檢測物體的能量，當(dāng)檢測對象為人或動物時(shí)，這是極其不希望的。
在時(shí)間上線性調(diào)頻的三個(gè)連續(xù)射頻脈沖之后，當(dāng)接收一個(gè)稱為受激反回信號時(shí)，必須滿足關(guān)系式
g21/β1＝g22/β2+g23/β3(1)
同時(shí)在檢測區(qū)的不同位置，核自旋之間不希望的相位差才能避免。
其中g(shù)1，g2，g3分別為第1、第2、第3脈沖期間梯度磁場的梯度，β1、β2、β3分別對應(yīng)的單位時(shí)間頻率變化量。補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ性S多種，例如可以使第Ⅱ、第Ⅲ脈沖頻率的變化量為第Ⅰ脈沖頻率變化量的2倍來實(shí)現(xiàn)。另一種方法，使第Ⅰ射頻脈沖期間梯度磁場的梯度值為第Ⅱ，第Ⅲ射頻脈沖期間梯度磁場的梯度值的<math><msqrt><mi>2</mi></msqrt></math>倍來實(shí)現(xiàn)。
最后，也可以通過調(diào)制三個(gè)脈沖之中的一個(gè)幅度，另外兩個(gè)脈沖及時(shí)進(jìn)行線性調(diào)頻來實(shí)現(xiàn)。也意味著單位時(shí)間頻率變化β對于相應(yīng)的脈沖是不確定的。
例如當(dāng)?shù)谝粋€(gè)射頻脈沖被幅值調(diào)制時(shí)，只能在第2，第3個(gè)射頻脈沖期間的g1，g2相等時(shí)，且單位時(shí)間頻率變化量β2，β3大小相等，符號相反時(shí)-即兩個(gè)脈沖期間頻率變化大小一樣，一個(gè)增加，一個(gè)減小，就可獲得所需的相位差補(bǔ)償。
當(dāng)?shù)?(或第2)個(gè)脈沖被調(diào)幅時(shí)，如果梯度g1，g2，單位時(shí)間內(nèi)頻率變化量β1，β2分別相等時(shí)，就可以得到所需的相互補(bǔ)償。
權(quán)利要求
1、本方法是將人體置于一個(gè)產(chǎn)生的穩(wěn)定均勻磁場中來確定體內(nèi)某一部分核磁共振分布，其步驟如下
a)產(chǎn)生一個(gè)射頻電磁脈沖，以便得到核自旋響應(yīng)信號，
b)準(zhǔn)備一個(gè)周期后，在測量周期，采集一組響應(yīng)信號。
c)每經(jīng)過一個(gè)等待周期，重復(fù)步驟a和b，以便得到(n′)組每組(n)個(gè)采樣信號，信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后，由每組信號確定一個(gè)核磁共振分布圖象，其特點(diǎn)是射頻電磁脈沖是一個(gè)調(diào)頻脈沖。
2、按照權(quán)利要求
1條中所述的其調(diào)頻脈沖的頻率是時(shí)間的線性函數(shù)。
3、按照權(quán)利要求
1所述的方法，射頻脈沖的頻譜基本上是方波，前后沿由高斯曲線決定。
4、按照權(quán)利要求
第1，2，3條中所述方法，為保持調(diào)頻脈沖的寬度要產(chǎn)生一個(gè)梯度磁場。
5、按照權(quán)利要求
第1、4或3條所述的方法，調(diào)頻脈沖是通過90°相位調(diào)制器產(chǎn)生的。
6、按照權(quán)利要求
前幾項(xiàng)任一項(xiàng)所述，90°射頻脈沖引起體內(nèi)某部位原子核作進(jìn)動運(yùn)動，在準(zhǔn)備周期之后，測量周期之前產(chǎn)生一個(gè)180°射頻脈沖，其目的是產(chǎn)生一個(gè)核自旋反回信號，其中90°射頻脈沖與180°射頻脈沖均為調(diào)頻脈沖。
7、按照權(quán)利要求
前幾項(xiàng)的任一項(xiàng)所述，核自旋響應(yīng)信號每兩個(gè)連續(xù)射頻脈沖之后記錄一次，選擇單位時(shí)間射頻脈沖頻率變化量，目的是使處于不同磁場強(qiáng)度中的核自旋在同一種射頻脈沖作用下產(chǎn)生的相位差可以相互補(bǔ)償。
8、按照權(quán)利要求
前幾項(xiàng)中任一項(xiàng)所述，其中核響應(yīng)信號至少在兩個(gè)射頻脈沖之后記錄，且每個(gè)脈沖期間都要有梯度磁場存在。選擇射頻脈沖期間所存在的梯度磁場的強(qiáng)度或單位時(shí)間射頻脈沖的變化量，使得由同一種脈沖作用下造成的核自旋相位差相互補(bǔ)償。
9、按照權(quán)利要求
第7項(xiàng)所述，其特征為記錄自旋反回信號，在90°脈沖時(shí)必須接通梯度磁場，在180°脈沖時(shí)接通向同一方向延伸的梯度磁場，選擇梯度場或單位時(shí)間頻率變化量，使得下式成立
g21/β1＝2g22/β
g1，g2，分別為第一個(gè)射頻脈沖和第二個(gè)射頻脈沖期間梯度磁場的梯度，β1，β2為所對應(yīng)脈沖期間單位時(shí)間頻率變化量。
10、按照權(quán)利要求
第8項(xiàng)所述，其特征為記錄受激反回信號，必須利用兩個(gè)連續(xù)的90°射頻脈沖和至少一個(gè)第三個(gè)脈沖，在射頻脈沖期間，所施加的梯度磁場每次必須沿同一方向延伸，選擇梯度場和脈沖頻率調(diào)制，使其滿足下式
g21/β1＝g22/β2+g23/β3
g1，g2，g3分別為對應(yīng)的三個(gè)脈沖期間梯度磁場的強(qiáng)度，而β1，β2，β3分別為對應(yīng)脈沖期間單位時(shí)間頻率變化量。
11、按照權(quán)利要求
第6項(xiàng)所述，180°射頻脈沖單位時(shí)間內(nèi)角頻率變化大約為90°射頻脈沖單位時(shí)間內(nèi)角頻率變化量的兩倍，兩種脈沖具有大致相同的頻譜。
12、按照權(quán)利要求
第6或11項(xiàng)所述，在90°射頻脈沖和180°射頻脈沖期間，梯度場都存在。
c)產(chǎn)生梯度磁場的裝置;
d)采樣裝置;用來采樣由a、b節(jié)中所特指裝置產(chǎn)生的響應(yīng)信號;
e)處理裝置，處理采樣器采集的各種采樣信號，從而確定核磁共振分布圖象;
f)控制器，用于控制b到e節(jié)中特指的各裝置，進(jìn)行產(chǎn)生、調(diào)節(jié)、采樣處理各組采樣信號其中本設(shè)備中的射頻振蕩器也包括頻率調(diào)制裝置，用它產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間變化的振蕩器頻率。
13、按照權(quán)利要求
第18項(xiàng)所述，射頻振蕩器是一個(gè)壓力控制振蕩器，其控制輸入接到一個(gè)電壓函數(shù)發(fā)生器的輸出。
14、按照權(quán)利要求
第18項(xiàng)中所述，射頻振蕩器包括一個(gè)定頻振蕩器，其輸出接到調(diào)制器的一端，調(diào)制器的另一輸入端接到低頻振蕩器的輸出，振蕩頻率為時(shí)間函數(shù)，調(diào)制器的輸出接到頻率濾波器的輸入。
15、按照權(quán)利要求
第19或20項(xiàng)所述方法，調(diào)頻振蕩器通過調(diào)幅器接到射頻線圈上。
16、按照權(quán)利要求
第21項(xiàng)所述方法，調(diào)幅器是一個(gè)可控的放大器。
17、按照權(quán)利要求
第18項(xiàng)所述方法，射頻振蕩器由一個(gè)定額振蕩器和一個(gè)90°相位調(diào)制器組成，定額振蕩器的輸出通過90°相位調(diào)制器接到射頻線圈上。
18、按照權(quán)利要求
第23項(xiàng)所述，90°相位調(diào)制器由兩個(gè)調(diào)幅器組成，第一個(gè)調(diào)幅器直接到射頻振蕩器的輸出，而第二個(gè)調(diào)幅器通過90°移相器接到調(diào)幅器的輸出，而調(diào)幅器通過一個(gè)加法器電路與射頻線圈相連。
專利摘要
確定人體內(nèi)某部分核磁共振分布的方法及其裝置。為進(jìn)行核磁共振傅里葉軛式圖解分析的這種方法及裝置是利用調(diào)幅射頻脈沖(90°和180°脈沖)作為核自旋的激磁并產(chǎn)生一個(gè)核自旋反回信號。為進(jìn)行三維傅里葉軛式圖解分析，需要具有較大頻帶(例如10-50KHz)的射頻脈沖。使用調(diào)幅信號就意味著使用一種不需要很高峰值功率的射頻發(fā)生器。在本發(fā)明中，使用一種基本上恒定幅值的調(diào)頻信號，調(diào)頻信號最好以均勻速度覆蓋所需的頻譜。
文檔編號G01N24/00GK85103819SQ85103819
公開日1986年11月5日 申請日期1985年5月11日
發(fā)明者孔茲, 圖伊托夫, 卡彭 申請人:菲利浦光燈制造公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan