PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69634485T2 13.04.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0000840898
Titel VERFAHREN ZUR BREITBANDENTKOPPLUNG IN DER KERNSPINRESONANZ MIT FREQUENZMODULIERTEN PULSEN
Anmelder Bruker BioSpin AG, Fällanden, CH
Erfinder FU, Riqiang - Sliger Building, Tallahassee, US;
BODENHAUSEN, Geoffrey - Sliger Building, Tallahassee, US
Vertreter Kohler Schmid Möbus Patentanwälte, 70565 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 69634485
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 15.07.1996
EP-Aktenzeichen 969245158
WO-Anmeldetag 15.07.1996
PCT-Aktenzeichen PCT/US96/11731
WO-Veröffentlichungsnummer 0097003548
WO-Veröffentlichungsdatum 06.02.1997
EP-Offenlegungsdatum 13.05.1998
EP date of grant 16.03.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.2006
IPC-Hauptklasse G01R 33/20(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G01R 33/46(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Breitband-Entkopplung von skalaren oder dipolaren Kopplungen zwischen Kernen in einer Probe durch Invertieren einer longitudinalen Magnetisierung in der Probe mit Chirp-Impuls-Zyklen.

Breitband-Entkopplung von skalaren oder dipolaren Kopplungen mit Spins mit I = 1/2 ist eine der zentralen Herausforderungen der Kernspinresonanz. Dadurch, dass zunehmend größere statische Magnetfelder zur Verfügung stehen, nehmen die Bandbreiten, die abgedeckt werden müssen, zu. Z.B. bei einem 1000 MHz Spektrometer mit einem 23,5 T Magneten ist eine Bandbreite von 50 kHz erforderlich, um die Kohlenstoff-13-Spektren mit einer Breite von 200 ppm zu entkoppeln. Beim Arbeiten mit leitenden wässrigen Lösungen von biologischen Makromolekülen ist es ebenfalls erwünscht, die durchschnittliche Hochfrequenzleistung einzuschränken, um eine Erwärmung der Probe zu verhindern. Bei in vivo Entkopplung mit Oberflächenspulen müssen die Entkopplungsverfahren auch sehr tolerant gegenüber einer HF-Inhomogenität sein.

In der Vergangenheit hat sich herausgestellt, dass Rausch-Entkopplung relativ ineffektiv ist und die Verwendung von einzelnen Chirp-Impulsen über einen breiten Frequenzbereich nicht erfolgreich war. Andere Versuche, wie MLEV, WALTZ und GARP konzentrierten sich auf Sequenzen von phasenverschobenen rechteckigen Impulsen, bei denen die Trägerfrequenz konstant gehalten wird. Diese Sequenzen stammen von einer Kombination von Elementen R, die in Zyklen und Superzyklen organisiert sind, um die longitudinale Magnetisierung über eine möglichst breite Bandbreite zu invertieren. Bei MPF-Schemen wird die Bedingung, dass die Trägerfrequenz konstant bleibt, fallengelassen und der Träger schreitet in großen Frequenzschritten durch das Spektrum.

Neuere Breitband-Entkopplungsschemen sind auf adiabatischer Inversion aufgebaut, bei der die Trägerfrequenz mittels einer hyperbolischen Sekantimpulsform in Kombination mit Superzyklen mit 4 und 5 Schritten gleichmäßig variiert. Diese nichtlinearen Schemen erfordern jedoch relativ hohe HF-Amplituden über ziemlich schmalen Bandbreiten.

Ein Schema, bei dem ein Superzyklus von Inversionsimpulsen verwendet wird, mit einem 0°, 150°, 60°, 150°, 0° Phasenzyklus, der von einem MLEV4 überlagert wird, ist in einem Artikel von M. Bendall im Journal of Magnetic Resonance Series A 112 (1995), Seiten 126–129 beschrieben. Die in diesem Verfahren verwendeten Impulse beinhalten nichtlineare Frequenzdurchläufe.

In einem Artikel von J.-. Böhlen und G. Bodenhausen im Journal of Magnetic Resonance Series A 102 (1993), Seiten 293–301 wird die Verwendung von Chirp-Impulsen zur Anregung von Mehrfachquanten-Kohärenzen und ihre Rückkonvertierung in Einfachquanten-Magnetisierung beschrieben. Die Leistung der Chirp-Doppelquanten-Anregungsverfahren wird mit der Leistung von Techniken, die monochromatische zusammengesetzte Impulse verwendenden, verglichen. Die Anforderungen der Chirp-Impulse werden mit denen von harten Impulsen in Bezug auf Spitzen HF-Leistung verglichen.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Verfahren zum Entkoppeln skalarer oder dipolarer Kopplungen über praktisch alle Bandbreiten zu verbessern, solche Verfahren zum Entkoppeln skalarer oder dipolarer Kopplungen mittels Chirp-Impulsen in Zyklen und Superzyklen bereitzustellen, solche Verfahren zum Entkoppeln skalarer oder dipolarer Kopplungen mittels Chirp-Impulsen mit linearer Frequenzmodulation bereitzustellen, ein solches Verfahren zum Entkoppeln skalarer oder dipolarer Kopplungen mit eingeschränkter HF-Leistung bereitzustellen; ein solches Verfahren zum Entkoppeln skalarer oder dipolarer Kopplungen mittels apodisierten HF-Amplituden bereitzustellen; ein Verfahren zum Entkoppeln bereitzustellen, das tolerant gegenüber der HF-Inhomogenität ist und schmale Rest-Linienbreiten und schwache Modulations-Seitenbänder bereitstellt, und ein solches Verfahren bereitzustellen, das sicher und einfach zu verwenden ist.

Allgemein wird ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zum Entkoppeln einer skalaren oder dipolaren Kopplung zwischen Kernen in einer Probe durch Invertieren einer longitudinalen Magnetisierung in der Probe ausgeführt. Das Verfahren beinhaltet den Schritt des Anordnens der Probe in einem statischen Magnetfeld. Das Verfahren beinhaltet auch die Schritte des Definierens eines ersten Zyklus von Chirp-Impulsen, wobei mindestens zwei der Chirp-Impulse in dem ersten Zyklus einen voneinander unterschiedlichen Anfangs-Phasenwinkel haben und einen zweiten Zyklus von Chirp-Impulsen definieren, wobei mindestens zwei der Chirp-Impulse in dem zweiten Zyklus einen Anfangs-Phasenwinkel haben, der sich von den Anfangs-Phasenwinkeln der Chirp-Impulse in dem ersten Zyklus unterscheiden. Das Verfahren beinhaltet auch den Schritt des Erzeugens eines Superzyklus mit einer Mehrzahl von ersten und zweiten Zyklen, so dass die ersten und zweiten Zyklen wiederholt als Funktion des Superzyklus erzeugt werden. Dadurch werden Chirp-Impulse erzeugt zum Invertieren der longitudinalen Magnetisierung in der Probe. Die Signale, die von der Probe in Reaktion auf die Inversion der longitudinalen Magnetisierung emittiert werden, werden detektiert.

Die Chirp-Impulse, die in dem Verfahren verwendet werden, sind so definiert, dass sie einen linearen Frequenzdurchlauf oder eine äquivalente Phasenvariation und eine im Wesentlichen konstante HF-Amplitude haben, die an den steigenden und fallenden Flanken der Impulse apodisiert sein kann oder nicht.

Andere Aufgaben und Merkmale ergeben sich teilweise und werden teilweise im folgenden hervorgehoben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1(a–b) zeigen Chirp-Impuls-Wellenformen, die für die Breitband-Inversion der longitudinalen Magnetisierung geeignet sind;

2 zeigt einen Zyklus, der aus fünf Chirp-Impulsen besteht, wobei der Zyklus in einem Superzyklus verwendet wird, der aus sechzehn Zyklen besteht;

3(a–b) zeigen die Inversionsprofile für die Chirp-Impuls-Wellenformen von 1(a–b);

4(a–c) zeigen experimentelle Kohlenstoff-13-Spektren von Ameisensäure, die mittels Chirp-Impulsen detektiert werden, wobei unterschiedliche HF-Amplituden an die Protonen-Resonanzen angelegt werden;

5(a–c) zeigen eine erweiterte Ansicht des Zentrums des Bereichs von 4(a–c);

6 zeigt experimentelle Kohlenstoff-13-Spektren von Ameisensäure, die mittels Chirp-Impulsen detektiert wurden, die über einer Bandbreite von 220 kHz abgetastet wurden;

7 zeigt ein Blockdiagramm eines Spektrometers und zugehöriger Vorrichtung zum Ausführen der Erfindung.

Entsprechende Bezugszeichen stellen entsprechende Teile in allen Darstellungen der Zeichnungen und der Offenbarung dar.

Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

In Bezug nun auf die Figuren, zeigen 1(a–b) die Wellenformen von Chirp-Impulsen, die zur adiabatischen Breitband-Inversion der longitudinalen Magnetisierung in einer Probe nützlich sind. Die gestrichelte Linie 40 in 1(a–b) zeigt die Trägerfrequenz &ngr;RF der Wellenformen. Die Trägerfrequenz wird linear variiert für eine Periode von 1 ms über eine Bandbreite von &Dgr;&ngr;sweep = 60 kHz von –30 bis +30 kHz. Die Skala für die gestrichelte Linie 40 erscheint entlang der rechten Seite, gemessen in kHz. Anstelle des Frequenzdurchlaufs der Chirp-Impulse von 1(a–b) über die 60 kHz Bandbreite, können die Chirp-Impulse auf ihre zentrale Frequenz gesetzt werden (z.B. die Larmor-Frequenz, wie unten erklärt wird), die bei Null in 1(a–b) dargestellt ist, während die Phase variiert wird. Die Phase kann z.B. variiert werden durch Integrieren des Frequenzversatzes zwischen der zentralen Frequenz und der Trägerfrequenz, die variiert werden soll. Die Phase &phgr; = ∫&ohgr;(t)dt des Frequenzversatzes zwischen der zentralen Frequenz und der Trägerfrequenz ist in 1(a–b) mit durchgezogener Linie 42 gezeigt. Die Phase wird relativ zu einem Rahmen, der bei der zentralen Frequenz rotiert, gemessen und als Zeitfunktion programmiert. Die Skala für die durchgezogene Linie 42 erscheint entlang der linken Seite und ist in Bogenmaß gemessen. Die durchgezogene Linie 42 ist in dem Intervall &phgr; = [–&pgr;, &pgr;] eingezeichnet. Somit gibt es mindestens zwei Möglichkeiten, um den Frequenzdurchlauf, gezeigt in 1(a–b) zu realisieren: (1) Variieren der Frequenz zum Erzielen des Durchlaufs; und (2) Variieren der Phase, um dieselbe Wirkung zu erzielen. Die gestrichelten Linien 44 und 46 zeigen die Zeitverläufe der HF-Amplitude der Chirp-Impulse von 1(a) bzw. (b). Die Skala für die gestrichelten Linien 44 und 46 erscheint entlang der linken Seite und ist in kHz gemessen.

Wie gezeigt, hat der einfache lineare Chirp-Impuls von 1(a) eine Phase, die eine Parabel als Funktion der Zeit beschreibt und hat eine konstante HF-Amplitude &ngr;RF = 4.2 kHz. Die durchschnittliche Leistung dieses Chirp-Impulses ist proportional zu (&ngr;RF)2 = 17.64. Der in 1(b) gezeigte Chirp-Impuls ist ein linearer Chirp-Impuls kombiniert mit einem HF-Amplitudenprofil, welches in den ersten und letzten 10% mittels einer halben Gauss-Hüllkurve apodisiert wurde, die bei 2.5% abgeschnitten wurde. Das zentrale Plateau der HF-Amplitude für den in 1(b) gezeigten Chirp-Impuls ist &ngr;RF,max = 5.0 kHz. Die durchschnittliche Leistung dieses Chirp-Impulses ist proportional zu (&ngr;RF,max)2/1.16 = 21.55. Andere Apodisierungstechniken können ebenfalls im Rahmen der Erfindung verwendet werden, wie Apodisieren der HF-Amplitude als Funktion einer Sinuswelle oder einer anderen Welle. Es ist dann klar, dass bei der Erfindung ein Chirp-Impuls als Impuls mit einem linearen Frequenzdurchlauf definiert werden kann, wie gezeigt durch die gestrichelte Linie 40 und einer im Wesentlichen konstanten Amplitude, die apodisiert sein kann oder nicht, was durch die gestrichelten Linien 44 und 46 gezeigt ist.

Bei der Verwendung hat der einfache lineare Chirp-Impuls von 1(a) mit einer konstanten HF-Amplitude den Vorteil, dass kein linearer Verstärker erforderlich ist. Ein Nachteil dieses Impulses besteht jedoch darin, dass die adiabatische Bedingung nicht einfach zu erfüllen ist, wenn die HF-Trägerfrequenz durch Resonanz läuft. Wenn das HF-Feld zu schwach ist, kann die Magnetisierung dem effektiven Feld nicht dicht folgen, da es sich von dem Nordpol zum Südpol des rotierenden Beschleunigungsrahmens dreht. Andererseits führt eine große konstante HF-Amplitude während des gesamten Durchlaufs zu Störungen der Adiabatik zu Beginn des Chirp-Impulses. Diese Probleme können mit einem apodisierten Amplitudenprofil, wie in 1(b) gezeigt, gelöst werden.

2 zeigt eine grundsätzliche Chirp-Einheit 58 zum Entkoppeln skalarer oder dipolarer Kopplungen zwischen Kernen in einer Probe durch Invertieren einer longitudinalen Magnetisierung in der Probe mit Zyklen von Chirp-Impulsen. Die Chirp-Einheit 58 ist ein linearer frequenzmodulierter Chirp-Impuls mit einer Dauer &tgr;. Die Chirp-Einheit 58 kann die Form von jedem der Chirp-Impulse von 1(a–b) haben.

2 zeigt ebenfalls fünf Chirp-Einheiten 60, 62, 64, 66 und 68, die miteinander in einem Zyklus von fünf Schritten kombiniert werden, um einen Chirp-Zyklus R von einer Dauer 5&tgr; zu definieren. Die Chirp-Einheiten 6068 sind einander ähnlich mit der Ausnahme, dass ihre entsprechenden Anfangsphasen verschoben sind. Die Chirp-Einheiten 60 und 68 haben eine Anfangsphase von ca. null rad, was in 1(a–b) gezeigt ist. Die Chirp-Einheiten 62 und 66 haben eine Anfangsphase von ca. 150 Grad (welche zur Verwendung mit den Skalen von 1(a–b) in rad konvertiert wird. Die Chirp-Einheit 64 hat eine Anfangsphase von ca. 60 Grad (welche zur Verwendung mit den Skalen von 1(a–b) auch in rad konvertiert wurde). Der Fachmann wird erkennen, dass ein Verschieben der Anfangsphase der Chirp-Einheiten bewirkt, dass sich der Mittelpunkt der durchgezogenen Linie 42 nach oben und unten innerhalb des Layouts von 1(a–b) bewegt. Somit umfasst der Chirp-Zyklus R in Bezug auf 2 eine Reihe von Chirp-Impulsen oder -Einheiten.

Nachdem ein Chirp-Zyklus R definiert ist, wird die Inverse des Chirp-Zyklus R definiert durch Verwendung der identischen Chirp-Einheiten 6068 wie im Chirp-Zyklus R außer dass die Anfangsphasen jeder Chirp-Einheit um 180 Grad vorwärts verschoben wurden. Somit haben die erste und fünfte Chirp-Einheit in dem inversen Chirp-Zyklus R einen Anfangsphasenwinkel von ca. 180 Grad. Die zweite und vierte Chirp-Einheit in dem inversen Chirp-Zyklus R haben einen Anfangsphasenwinkel von ca. 330 Grad und die dritte Chirp-Einheit in dem inversen Chirp-Zyklus R hat einen Anfangsphasenwinkel von ca. 240 Grad. Somit weist der inverse Chirp-Zyklus R eine zweite Reihe von Chirp-Impulsen oder -Einheiten auf.

Die Chirp-Zyklen R und die inversen Chip-Zyklen R werden dann in einen MLEV-16 Superzyklus 70 organisiert, was in 2 gezeigt ist. Jeder Superzyklus 70 umfasst insgesamt sechzehn Zyklen R und R. Der erste Zyklus R füllt die Positionen 1, 2, 6, 7, 11, 12, 13 und 16 des Superzyklus 70, wie diese Positionen in 2 nummeriert wurden. Der zweite Zyklus R füllt die Positionen 3, 4, 5, 8, 89, 10, 14 und 15 des Superzyklus 70, wie diese Positionen in 2 nummeriert wurden. Die Gesamtanzahl der Chirp-Einheiten oder -impulse 58 in einem Superzyklus 70 beträgt somit 5 × 16 = 80.

Wie auch aus den Figuren ersichtlich ist, kann der erste Zyklus R als erster Zyklus der linearen frequenzmodulierten HF-Impulse definiert werden, wobei jeder der HF-Impulse eine Amplitude hat, die im Wesentlichen konstant während mindestens ca. 50% der genannten Impulse ist. Der zweite Zyklus R kann als zweiter Zyklus der linearen frequenzmodulierten HF-Impulse definiert werden, wobei jeder der HF-Impulse eine Amplitude hat, die im Wesentlichen während mindestens ca. 50% der Impulse konstant ist. Jeder der HF-Impulse in dem ersten und zweiten Zyklus kann eine Amplitude von weniger als ca. 10 kHz haben.

In einigen Fällen können die Amplituden der Impulse unterhalb ca. 6 kHz gehalten werden und manche sogar unterhalb 4 kHz.

In der Praxis kann ein Verfahren zum Entkoppeln der skalaren oder dipolaren Kopplungen in einer Probe die folgenden Schritte beinhalten: Bereitstellen eines statischen Magnetfeldes und Positionieren der Probe in dem statischen Magnetfeld. Der Superzyklus 70 der ersten und zweiten Chirp-Zyklen R und R wird dann wiederholt erzeugt, um Chirp-Impulse zum Invertieren der longitudinalen Magnetisierung in der Probe zu erzeugen. Die von der Probe in Reaktion auf die Inversion der longitudinalen Magnetisierung emittierten Signale werden dann mit einem geeigneten Detektor in dem Spektrometer detektiert.

Es hat sich gezeigt, dass die Effektivität des Entkoppelns in großem Maße von der Wahl der Superzyklen abhängt. Wenn ein MLEV-4 Superzyklus anstelle eines MLEV-16 Superzyklus verwendet wird, gibt es bestimmte Werte von Versätzen, bei denen Entkopplung nicht effektiv ist. Der bevorzugte Superzyklus ist in 2 gezeigt.

3(a) und (b) sind Inversionsprofile, die den erwarteten Wert <M2> als Funktion des Versatzes für die in 1(a) bzw. (b) gezeigten Chirp-Impulse zeigen. Insbesondere zeigen die durchgezogenen Linien 72 und 74 die Inversionsprofile für einen einzigen Chirp-Impuls, gezeigt in 1(a) bzw. (b), isoliert aufgenommen und variiert von –30 bis +30 kHz. Mit anderen Worten sind die durchgezogenen Linien 72 und 74 die Inversionsprofile für diese Impulse ohne Betrachtung der Chirpzyklen R und R oder der Superzyklen 70. Ein Inversionswert von –1 entspricht einer vollständigen Besetzungsinversion. Ein Inversionswert von 1 entspricht einer Probe im Gleichgewicht. Die gestrichelten Linien 76 und 78 zeigen die Inversionsprofile, wenn der Chirp-Zyklus R verwendet wird. Die gestrichelte Linie 76 entspricht der Situation, in welcher der Chirp-Zyklus R mittels des in 1(a) gezeigten Chirp-Impulses konstruiert wird und die gestrichelte Linie 78 entspricht der Situation, in welcher der Chirp-Zyklus R mittels des in 1(b) gezeigten Chirp-Impulses konstruiert wird. 3(a–b) zeigen somit, dass die Chirp-Impulse von 1(a–b) es ermöglichen, die longitudinale Magnetisierung über einen sehr breiten Frequenzbereich zu invertieren.

Es ist zu bemerken, dass die adiabatische Bedingung mittels des einzelnen Chirp-Impulses von 1(a) nicht richtig erfüllt sein kann. Dies kann eine schlechte Inversionsleistung zur Folge haben, was durch die durchgezogene Linie 72 in 3(a) gezeigt ist. Diese Inversionsleistung kann jedoch dramatisch verbessert werden durch Verwendung eines fünfstufigen Zyklus R, gezeigt mit gestrichelter Linie 76. Da der Chirp-Impuls der 1(b) eine apodisierte HF-Amplitude an den steigenden und fallenden Flanken hat, hat dieser Impuls eine verbesserte Inversionsleistung, gezeigt durch die durchgezogene Linie 74. Jedoch geht diese verbesserte Inversionsleistung einher mit einer schmaleren Bandbreite, was in 3(b) gezeigt ist. Der fünfstufige Zyklus R bewirkt eine leichte Verbreiterung der Inversionsbandbreite, was durch gestrichelte Linien 78 gezeigt ist.

4(a–c) zeigen experimentelle protonenentkoppelte 13C-Spektren von Ameisensäure mit JCH = 221 Hz. Diese Signale oder Spektren wurden als Funktion des Versatzes zwischen dem Zentrum des Chirp-Bereichs und der Protonenverschiebung aufgezeichnet. Der Versatz war in 61 Inkrementen von 1 kHz von –30 bis +30 kHz gestuft. Somit ist &Dgr;&ngr;sweep = 60 kHz. Die für jedes Experiment aufgezeichnete Spektralbreite betrug 380 Hz, so dass restliche Splittings und Modulations-Seitenbänder sichtbar sind. Außerhalb des zentralen Bereichs, in dem Entkoppeln effektiv ist, zeigen die experimentellen Spektren verbreiterte Linien in zwei Übergangsbereichen, während die Effektivität des Entkoppelns außerhalb dieser Bereiche dramatisch sinkt.

Der einfache Chirp-Impuls von 1(a) wurde in Verbindung mit Chirp-Zyklen R und R und 80 Schritt Superzyklus 70 für jede der 4(a–c) verwendet. Ein einzelner 13C 90 Grad Beobachtungsimpuls wurde ebenfalls vor dem Erzeugen der Superzyklen 70 erzeugt, um die Probe zu konditionieren. Die Amplituden der Chirp-Impulse, die in 4(a–c) verwendet wurden, variierten. Die Amplitude des Chirp-Impulses für 4(a) betrug z.B. 3,3 kHz, für 4(b) 4,2 kHz und für 4(c) 8,2 kHz. Die effektive Entkopplungs-Bandbreite &Dgr;&ngr;eff ist 52 kHz in 4(a–b) und 50 kHz in 4(c). Das Verhältnis &Dgr;&ngr;eff/&ngr;RF ist ein wichtiger Gütefaktor für die Entkopplung. Dieses Verhältnis beträgt 15,8 für 4(a), 12,4 für 4(b) und 6.1 für 4(c). Das Verhältnis der effektiven Entkopplungsbandbreite über der Bandbreite des RF Durchlaufs beträgt ca. 0,87 für 4(a–c). Nach exponentieller Verbreiterung von 0,3 Hz, die in allen Experimenten verwendet wurde, betrug die Linienbreite 0,74 Hz in 4(a), 0,76 Hz in 4(b) und 0,82 Hz in 4(c). Die 13C-Linienbreite des nicht entkoppelten Dupletts betrug 0,74 Hz.

5(a–c) zeigen erweiterte Ansichten des Zentrums des Bereichs der in 4(a–c) gezeigten Signale. Insbesondere 5(a) zeigt die Mittellinie der in 4(a) gezeigten Spektren ohne Vergrößerung. 5(a') zeigt dieselbe Mittellinie, jedoch sechsfach vergrößert. 5(b) und (c) zeigen die Mittellinie der in 4(b) bzw. (c) gezeigten Spektren wiederum sechsfach vergrößert.

Die vergrößerten Ansichten von 5(a–c) zeigen die Seitenbänder aufgrund der Chirp-Zyklen R und R und des Superzyklus 70 detaillierter. Die Seitenband-Intensitäten hängen von der J-Kopplungskonstante und der Länge &tgr; jedes einzelnen Chirp-Impulses ab. Wie in 5(a–c) gezeigt ist, werden die Seitenband-Intensitäten nicht stark von der HF-Amplitude beeinträchtigt. Bei einer HF-Amplitude z.B., die auf den minimalen Schwellenwert für die berichteten Daten von 3,3 kHz gesetzt ist, sind die stärksten Seitenbänder unterhalb 3,3% der Mittelband-Amplitude und erscheinen bei ±37,5 Hz, was in 5(a) gezeigt ist. 37,5 Hz ist der Reziprokwert eines Drittels der Dauer von 80&tgr; = 80 ms des gesamten Superzyklus 70. Wenn die konstante Entkopplungsamplitude auf 4,2 kHz erhöht wird, liegen die stärksten Seitenbänder bei 1,5% der Mittelband-Amplitude und treten bei ±500 Hz auf, was in 5(b) gezeigt ist. 500 Hz ist der Reziprokwert von 2&tgr;. Wenn die konstante Entkopplungsamplitude auf 8,2 kHz erhöht wird, verbleiben die Seitenbänder bei 1,5% der Mittelband-Amplitude und treten bei ±500 Hz auf, was in 5(c) gezeigt ist.

In der Praxis müssen die Parameter eines Chirp-Impulses in Abhängigkeit des Bereichs der zu entkoppelnden chemischen Verschiebung und der Größe der heteronuklearen skalaren Kopplungskonstante J gewählt werden. Bei Systemen mit sehr großen J-Kopplungskonstanten kann die Verwendung von höheren HF-Amplituden und kürzeren Impulsen erforderlich sein. Um die Seitenband-Intensitäten zu reduzieren, sollte die Dauer &tgr; der einzelnen Chirp-Impulse viel kürzer als 1/J sein. Da immer höhere Magnetfelder zur Verfügung stehen, steigt der Bereich der chemischen Verschiebung ständig. Bei einem NMR-Spektrometer mit einem 23,5 T Magneten (1000 MHz für Protonen) ist aufgrund einer Zunahme der isotropischen Fluor-19 Resonanzen über 100 ppm und der Phosphor-31 Spektren über 500 ppm ein Entkoppeln oberhalb von 94 bzw. 200 kHz erforderlich. Somit sind Vorschriften erforderlich, die eine Entkopplung über im Wesentlichen uneingeschränkte Bandbreiten ermöglichen.

Die optimale HF-Amplitude eines linearen Chirp-Impulses hängt von der Bandbreite und der Dauer &tgr; des Chirp-Impulses wie folgt ab: &ngr;RF,opt ∝ a1/2[1]

In Gleichung [1] ist a = &Dgr;&ngr;sweep/&tgr; die Durchlaufrate des Chirp-Impulses. Somit kann die Bandbreite &Dgr;&ngr;sweep verdoppelt werden, während dieselbe Impulslänge beibehalten wird, wenn die HF-Amplitude um einen Faktor von 21/2 erhöht wird. Die Bandbreite kann auch verdoppelt werden unter Beibehaltung der HF-Amplitude, jedoch Verdoppeln der Impulslänge und unter der Annahme, dass die Seitenband-Intensitäten relativ klein bleiben. Als Beispiel wurde ein Experiment mit einer Impulslänge von &tgr; = 1 ms, einer Bandbreitenabtastung von &Dgr;&ngr;sweep = 120 kHz und einer HF-Amplitude von &ngr;RF = 6,2 kHz durchgeführt. Die resultierende effektive Entkopplungs-Bandbreite betrug 108 kHz für ein Verhältnis von &Dgr;&ngr;eff/&ngr;RF = 17,4.

In der Praxis können extrem breite Bandbreiten in Abhängigkeit des Bereichs der zu entkoppelnden chemischen Verschiebung durchlaufen werden. Die primäre Einschränkung der Bandbreite ergibt sich aus der Geschwindigkeit der digitalen Elektronik in dem Spektrometer. Die hier berichteten Ergebnisse verwendeten 256 Punkte für jeden 1 ms Chirp-Impuls, d.h., die Zeitinkremente betrugen 3,9 Mikrosekunden. Der Fachmann wird erkennen, dass breitere Entkopplungsbandbreiten im Rahmen der Erfindung allein durch die Verwendung schnellerer Elektronik und/oder kürzerer Zeitinkremente als hier verwendet wurden erhalten werden.

6 zeigt z.B. experimentell 1H entkoppelte 13C Spektren von Ameisensäure mit JCH = 221 Hz. Diese Signale oder Spektren wurden als Funktion des Versatzes zwischen dem Mittelpunkt des Chirp-Bereichs und der Protonen-Verschiebung aufgezeichnet. Der Versatz war in 121 Inkrementen von 2 kHz von –120 bis +120 kHz abgestuft. Die für jedes Experiment aufgezeichnete Spektralbreite betrug 500 Hz, so dass restliche Splittings und Modulations-Seitenbänder erkennbar sind. Wie gezeigt ist, sind die Seitenband-Intensitäten verhältnismäßig klein.

Die zum Sammeln der Daten verwendeten Chirp-Impulse, gezeigt in 6, hatten die allgemeine Form von 1(a), jedoch wurden andere Parameter verwendet. Der lineare Frequenzdurchlauf betrug &Dgr;&ngr;sweep = 220 kHz. Die Impulsbreite &tgr; für diese Chirp-Impulse betrug 1,2 msec. Der Zeitanteil oder Zeitinkrement betrug 1,17 Mikrosekunden unter Verwendung von 1024 digitalen Punkten im Vergleich zu dem obigen Zeitinkrement von 3,9 Mikrosekunden. Die HF-Amplitude war &ngr;RF = 6,7k Hz. Die effektive Entkopplungs-Bandbreite &Dgr;&ngr;eff betrug 202 kHz für ein effektives Entkopplungsbandbreiten-Verhältnis &Dgr;&ngr;eff/&ngr;RF von 30,1. Die Chirp-Impulse wurden in Zyklen und Superzyklen organisiert, was in 2 gezeigt ist. Wie oben wurde ein einzelner 13C 90 Grad Beobachtungsimpuls vor Erzeugen der Superzyklen erzeugt. Wie oben in Verbindung mit 1(a–b) beschrieben ist, wurde die 220 kHz Frequenzabtastung ausgeführt durch Setzen der Chirp-Impulse auf die Mittelfrequenz und durch Phasenvariation anstelle von Frequenzvariation über der 220 kHz Bandbreite.

Bei Probenvolumen, die sich nahe der Transmitteroberflächenspule eines in vivo NMR Spektrometers befindet, kann die HF-Amplitude viel größer sein als der Schwellenwert. In solchen Fällen sind einfache lineare Chirp-Impulse mit konstanten Amplituden möglicherweise nicht sehr effektiv, da die adiabatische Bedingung stark verletzt werden kann. Unter diesen Umständen verwendet man bevorzugt apodisierte Chirp-Impulse wie in 1(b) gezeigt. Apodisieren verbessert das adiabatische Verhalten während Inversion der Magnetisierung. Simulationen von großen Leistungspegeln über Pegeln, die möglicherweise nicht sicher für hochauflösende Sonden sind, z.B. 20 kHz, zeigen, dass sich ein einfacher Chirp-Impuls nahe den Enden des Durchlaufs verschlechtert. Apodisieren verbessert die Entkopplungseffektivität deutlich, obwohl die effektive Entkopplungsbandbreite von 52 auf 48 kHz abnimmt. Die Entkopplungseffektivität ist sehr tolerant gegenüber Variationen in der HF-Amplitude. Dies ist vorteilhaft im Vergleich mit zusammengesetzten Impuls-Entkopplungsverfahren, wo die Effektivität stark von der Kalibrierung der HF-Amplitude abhängt. Chirp-Entkopplung sollte deshalb für in vivo NMR nützlich sein, bei der das HF-Feld oft sehr inhomogen ist. Durch Verwendung von Chirp-Entkopplungssequenzen ist eine einheitliche Entkopplung in einem großen Probenvolumen möglich.

Die experimentellen Ergebnisse von 4(a–c) und 5(a–c) können mit der in dem Blockschaubild von 7 gezeigten Vorrichtung erhalten werden. Insbesondere 7 zeigt einen Spektrometer 100, wie z.B. das Bruker Modell DMX-300 Spektrometer (B0 = 7T) mit Larmor-Frequenzen von 75,46 MHz für 13C und 300,13 MHz für 1H. Eine Probe 102 ist z.B. Ameisensäure (HCOOH, JCH = 221 Hz) in natürlicher isotopischer Häufigkeit von D2O für einen Feld-Frequenz-Lock. Die Wellenformen der Chirp-Impulse können mit MATLAB über ein Programmiertool 104 programmiert werden und werden direkt zu einem Speicher 106 im Spektrometer 100 übertragen. Es können auch andere geeignete und dem Fachmann bekannte Programmiertools verwendet werden. Die Entkopplungssequenzen können dem 1H während der Erfassung der 13C Signale angelegt werden. Die Entkopplungssequenzen können auch an 13C während der Erfassung der 1H Signale angelegt werden. Andere Kernkombinationen sind ebenfalls möglich. Für jedes in 4(a–c) und 5(a–c) gezeigte Experiment wurden 32 Abtastungen mit einer Recycle-Zeit von 3 Sekunden gespeichert. Ein Lorentz-Linien-Verbreiterungsfaktor von 0,3 Hz wurde für alle Spektren angewandt. Die Hochfrequenz-Amplituden wurden separat mit quadratischen Impulsen unter Verwendung derselben Abschwächungspegel wie zum Entkoppeln kalibriert.

Die in 6 gezeigten experimentellen Ergebnisse können auch mit der Vorrichtung und der in 7 gezeigten Probe erhalten werden. Die niedrige Entkopplungsamplitude von 6,7 kHz schützt die hochauflösende Sonde im Spektrometer 100. Die Entkopplungsamplitude ist vorzugsweise unter 10 kHz eingestellt und kann im vorliegenden Fall unterhalb 7 kHz sein. Wie bei den Spektren von 4(a–c) und 5(a–c) wurde das Zentrum des Frequenzdurchlaufs für die Chirp-Impulse auf die Larmor-Frequenz von 300,13 MHz gesetzt. Es zeigt sich, dass die Erfindung mittels Chirp-Impulsen mit einem Frequenzdurchlauf von mindestens ca. 100 kHz, 150 kHz und 200 kHz ausgeführt werden kann. Selbst breitere Frequenzdurchläufe werden auch im Rahmen der Erfindung in Betracht gezogen, was durch den Bereich der zu entkoppelnden chemischen Verschiebung erforderlich ist.

Die experimentellen Ergebnisse zeigen somit ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Entkoppeln skalarer oder dipolarer Kopplungen über praktisch uneingeschränkte Bandbreiten unter Verwendung von Chirp-Impulsen, die in Zyklen und Superzyklen organisiert sind. Dies ermöglicht eine Entkopplung mit eingeschränkter HF-Leistung, während immer noch eine Toleranz gegenüber HF-Inhomogenität gegeben ist und sich schmale restliche Linienbreiten und schwache Modulations-Seitenbänder ergeben.

Im Hinblick auf das Obige ist ersichtlich, dass die zahlreichen Aufgaben der Erfindung gelöst werden und andere vorteilhafte Ergebnisse erzielt werden.

Da verschiedene Änderungen an den obigen Konstruktionen vorgenommen werden können ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, ist vorgesehen, dass der gesamte Inhalt der obigen Beschreibung und dessen, was in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt ist, nur beschreibend und nicht als Einschränkung anzusehen ist.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Entkoppeln einer skalaren oder dipolaren Kopplung zwischen Kernen in einer Probe durch Invertieren einer longitudinalen Magnetisierung in der Probe,

    wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

    Positionieren der Probe in einem statischen Magnetfeld;

    Definieren eines ersten Zyklus von Chirp-Impulsen, wobei zumindest zwei der Chirp-Impulse in dem ersten Zyklus einen voneinander unterschiedlichen Anfangsphasenwinkel haben;

    Definieren eines zweiten Zyklus von Chirp-Impulsen, wobei zumindest zwei der Chirp-Impulse in dem zweiten Zyklus einen Anfangsphasenwinkel haben, der sich von den Anfangsphasenwinkeln der Chirp-Impulse in dem ersten Zyklus unterscheidet;

    Generieren eines Superzyklus, der eine Vielzahl der ersten und zweiten Zyklen aufweist, derart, dass der erste und der zweite Zyklus wiederholt als eine Funktion des Superzyklus generiert werden, um Chirp-Impulse zum Invertieren der longitudinalen Magnetisierung in der Probe zu erzeugen; und

    Detektieren der Signale, die von der Probe in Reaktion auf die Inversion der longitudinalen Magnetisierung emittiert werden,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    die Chirp-Impulse so definiert sind, dass sie einen linearen Frequenzdurchlauf, oder eine äquivalente Phasenvariation, und eine im Wesentlichen konstante HF-Amplitude haben, die an den steigenden und fallenden Flanken der Pulse apodisiert sein kann oder nicht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erstgenannte definierende Schritt den Schritt aufweist, den ersten Zyklus von Chirp-Impulsen so zu definieren, dass er eine Vielzahl von Chirp-Impulsen umfasst, die in Phase oder Frequenz variieren, um zu einem Frequenzdurchlauf von zumindest etwa 200 kHz in weniger als etwa 1,5 Millisekunden zu führen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erstgenannte definierende Schritt den Schritt aufweist, den ersten Zyklus von Chirp-Impulsen so zu definieren, dass er eine Vielzahl von Chirp-Impulsen umfasst, die in Phase oder Frequenz variieren, um zu einem Frequenzdurchlauf von zumindest etwa 60 kHz in etwa einer Millisekunde zu führen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei

    der erstgenannte definierende Schritt den Schritt aufweist, den ersten Zyklus von Chirp-Impulsen so zu definieren, dass er eine variierende Phase oder variierende Frequenz hat, um zu einem linearen Frequenzdurchlauf von zumindest etwa 100 kHz zu führen;

    der zweitgenannte definierende Schritt den Schritt aufweist, den zweiten Zyklus von Chirp-Impulsen so zu definieren, dass er eine variierende Phase oder variierende Frequenz hat, um zu einem linearen Frequenzdurchlauf von zumindest etwa 100 kHz zu führen.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der erstgenannte definierende Schritt den Schritt aufweist, den ersten Zyklus von Chirp-Impulsen so zu definieren, dass er eine variierende Phase oder variierende Frequenz hat, um zu einem linearen Frequenzdurchlauf von zumindest etwa 150 kHz zu führen.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der erstgenannte definierende Schritt den Schritt aufweist, den ersten Zyklus zu definieren, wobei jeder der Chirp-Impulse in dem ersten Zyklus eine Amplitude unterhalb von etwa 10 kHz hat.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der erstgenannte definierende Schritt den Schritt aufweist, den ersten Zyklus zu definieren, wobei jeder der Chirp-Impulse in dem ersten Zyklus eine Dauer von weniger als etwa 1,5 Millisekunden hat.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

  Patente PDF

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com