DE10040850C2

DE10040850C2 - Verfahren zum Betreiben eines Kernspintomographiegerätes mit verbessertem Offresonanzverhalten einer True-Fisp-Meßsequenz in Gegenwart zweier Spinkollektive und Kernspintomographiegerät zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10040850C2
Application number: DE10040850A
Authority: DE
Inventors: Oliver Heid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-08-21
Filing date: 2000-08-21
Publication date: 2003-01-16
Anticipated expiration: 2020-08-22
Also published as: JP2002102209A; DE10040850A1; US20020042567A1; US7020509B2; JP5051952B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Kern spintomographie (KST, Synonym: Magnetresonanztomographie) wie sie in der Medizin zur Untersuchung von Patienten Anwendung findet. Dabei bezieht sich die vorliegende Erfindung ins besondere auf ein Kernspintomographiegerät sowie ein Ver fahren zum Betreiben eines solchen, bei denen eine sogenannte True-FISP Pulssequenz verwendet wird.

Die Kernspintomographie ist ein Schnittbildverfahren für die medizinische Diagnostik, das sich in erster Linie durch ein hohes Kontrastauflösungsvermögen auszeichnet. Aufgrund der hervorragenden Darstellbarkeit des Weichgewebes hat sich die Kernspintomographie zu einem der Röntgen-Computertomographie vielfach überlegenen Verfahren entwickelt. Die Kernspintomo graphie basiert heute auf der Anwendung von Spinecho- und Gradientenecho-Sequenzen, die bei Meßzeiten in der Größen ordnung von Minuten eine exzellente Bildqualität ermöglichen.

Allerdings treten bei der Darstellung des Gewebes von Patien ten an den Grenzschichten zwischen Fett und Wasser Artefakte auf, die von dem Einfluß der chemischen Verschiebung her rühren. Mit chemischer Verschiebung bezeichnet man die Eigen schaft, daß sich die Resonanzfrequenz abhängig von der Art der chemischen Bindung, in der sich der Kern befindet, pro portional zur Feldstärke geringfügig verschiebt. Aufgrund ihrer Konzentration im menschlichen Körper tragen haupt sächlich Wasserstoffkerne des freien Wassers und des Fettes zum Bild bei. Deren relative Resonanzfrequenzdifferenz be trägt etwa 3 ppm (parts per million). Dadurch kommt es bei der Verwendung von Steady State-Gradienten-Echo-Sequenzen zu einer Modulation der Signalintensität in Abhängigkeit von der Echozeit TE.

Diese Artefakte gilt es zu vermeiden, da sie zu einer fehler haften Diagnose führen können.

Gemäß der Offenlegungsschrift DE 198 36 612 A1 werden solche Artefakte vermieden, indem nur das Resonanzsignal einer Spe zies gemessen wird. Durch gezielte Wahl der Repetitionszeit TR bei entsprechendem Grundmagnetfeld B₀ wird zwischen dem Signal von Wasserprotonen und Fettprotonen eine Phasenverschiebung von 180° oder einem ungeradzahligen Vielfachen von 180° er zeugt (Spalte 3, Zeilen 25-29). Je nachdem, ob die ver wendete Pulssequenz mit oder ohne Phasenalternierung der Hochfrequenzanregung erfolgt, kann dadurch entweder das Was ser- oder das Fett-Signal - aufgrund des graphischen Zusam menhangs in Fig. 3 von DE 198 36 612 A1 - unterdrückt und ein Bild nur einer Spezies gewonnen werden.

Dieses Verfahren hat verschiedene Nachteile. Aufgrund von stets auftretender Magnetfeldinhomogenitäten ist eine Unter drückung des Signals einer Spinspezies nur sehr begrenzt mög lich. Darüber hinaus liefern signalgebende Kerne wegen ihres Einbaus in unterschiedlichen molekularen Strukturen ein Sig nalspektrum weshalb ein scharfes Minimum des Magnetisierungs verlaufes nie exakt getroffen werden kann. Die größte Schwie rigkeit besteht jedoch in der notwendigen präzisen Justierung der Repetitionszeit die in der Praxis aus unterschiedlichen technischen Gründen ausgesprochen schwierig und mit derzeiti gen MRT-Systemen nicht zu Realisieren ist.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Kernspin tomographiegerät und ein Verfahren zum Betreiben eines sol chen bereitzustellen, bei denen die Artefakte infolge der chemischen Verschiebung zwischen einem ersten Spinkollektor, z. B. Wasser, und einem zweiten Spinkollektiv, z. B. Fett, durch einfache, technisch leicht zu realisierende Maßnahmen verringert bzw. vermieden sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zum Betreiben eines Kernspintomographiegerätes gemäß Anspruch 1 gelöst, welches folgende Schritte aufweist:

- Anregung der Spins mit einem Anregepuls (RF) mit einem Flipwinkel α ≦ 90°
- Einschalten eines Schichtselektions-Gradienten G_S
- Einschalten eines Phasenkodier-Gradienten G_P
- Auslesen eines Kernresonanzsignals S unter einem Auslese gradienten G_R,

wobei die Pulssequenz mit einer Repetitionszeit (T_R

) mit un terschiedlichem Phasenkodier-Gradienten und alternierendem Vorzeichen des Flipwinkels wiederholt wird und Gradienten pulszüge verwendet die im Zeitbereich einen vollkommen sym metrischen Ablauf aufweisen also vollständig balanciert sind.

Erfindungsgemäß wird zusätzlich zum alternierenden Vorzeichen des Flipwinkels α zwischen aufeinanderfolgenden Anregungs pulsen ein Phaseninkrement Δϕ = β gewählt, sodass die Steady- State Signale für ein erstes und ein zweites Spinkollektiv wahlweise entweder gleiche oder umgekehrte Signalpolaritäten besitzen.

Ein Kernspintomographiegerät mit Einrichtungen zur Erzeugung und Einstrahlung einer vollständig balancierten Sequenz (TRUE-FISP-Sequenz) auf ein zu untersuchendes Objekt mit den TRUE-FISP-typischen Gradienten- und Anregungsverläufen ist grundsätzlich aus US 4 769 603 bekannt. Dass mit diesem Gerät die Vergabe von Phaseninkrementen durchgeführt werden kann ist weder aus der Beschreibung noch aus den begleitenden Zeichnungen ersichtlich geschweige denn ableitbar.

Ebenso stellt DE 199 01 763 A1 ein MRT-Verfahren und -Gerät dar welches zwar TRUE-FISP-Sequenzen verwendet, dies jedoch nur um die Messgeschwindigkeit der Gesamtmessung zu erhöhen.

Der Wert β des Phaseninkrementes ist vorteilhafterweise so gewählt, dass die Werte der Präzessionswinkel β_W und β_F des ersten und des zweiten Spinkollektivs während der Repetiti onszeit T_R wahlweise den Bedingungen für gleiche Signal polaritäten bzw. für umgekehrte Signalpolaritäten genügt.

Vorteilhafterweise ist das Phaseninkrement β so gewählt, dass das erste und das zweite Spinkollektiv gleichzeitig jeweils einen möglichst großen Differenzwinkel zum jeweils nächst liegenden Signalnulldurchgang im Steady-State-Signal auf weist. Hierdurch werden eine große Stabilität des Systems, z. B. bei kleinen Schwankungen von T_R und eine effiziente Sig nalausbeute gewährleistet.

Das erste Spinkollektiv kann beispielsweise Wasser und das zweite Spinkollektiv Fett darstellen.

Durch die mögliche freie Wahl der gegenseitigen Signalpolari täten kann auf der Basis gleicher Signalpolaritäten ein ers ter Datensatz und auf der Basis umgekehrter Signalpolaritäten ein zweiter Datensatz erhalten werden.

Dabei kann durch entsprechende Addition und/oder Subtraktion des ersten und zweiten Datensatzes auf einfache Weise ein reines Bild des ersten bzw. des zweiten Spinkollektivs erhal ten werden.

Erfindungsgemäß wird weiter ein Kernspintomographiegerät ge mäß Anspruch 8 vorgeschlagen, das zur Durchführung des Ver fahrens nach Anspruch 1 bis 7 geeignet ist. Erfindungsgemäß weist dieses eine Einrichtung zur Erzeugung und Einstrahlung einer FISP-Pulssequenz auf ein zu untersuchendes Objekt auf. Die Pulssequenz wird mit einer Repetitionszeit T_R, mit unterschiedlichen Phasenkodiergradienten und alternierendem Vor zeichen des Flipwinkels α des Anregungspulses wiederholt. Dabei weisen die Gradientenpulszüge im Zeitbereich einen vollkommen symmetrischen Ablauf auf und sind deshalb voll ständig balanciert, sodass sich eine sogenannte True FISP Pulssequenz ergibt.

Erfindungsgemäß ist zusätzlich zum alternierenden Vorzeichen des Flipwinkels α zwischen aufeinanderfolgenden Anregungs pulsen ein Phaseninkrement β vorhanden, so daß die Steady- State Signale für ein erstes und ein zweites Spinkollektiv wahlweise entweder gleiche oder umgekehrte Signalpolaritäten besitzen. Durch die Inkrementierung der Phase um den Betrag β zwischen aufeinanderfolgenden Anregungspulsen wird eine Prä zession der magnetischen Momente des ersten und des zweiten Spinkollektives im rotierenden Bezugssystem hervorgerufen. Im Unterschied zu den bekannten True FISP Systemen, die bei spielsweise auf Wasser als erstes Spinkollektiv eingestellt sind, so daß nur andere Spinkollektive, z. B. Fett, im rotie renden Bezugssystem präzediert, wird daher gemäß der vorlie genden Erfindung durch das Phaseninkrement β eine Präzession beider magnetischer Momente hervorgerufen. Durch entsprechen de Variation des Betrages des Phaseninkrementes β können nun die Signalpolaritäten des gemessenen Steady-State-Signales für das erste und das zweite Spinkollektiv so gewählt werden, daß sie entweder gleich oder umgekehrt sind. Hieraus läßt sich bei der Verarbeitung auf einfache Weise eine getrennte Darstellung des ersten und des zweiten Spinkollektivs errei chen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, daß die Repetitionszeit T_R nicht auf bestimmte Zeitintervalle festgelegt ist, um die gewünschten relativen Signalpolaritä ten zu erhalten. In einem bekannten System, das dergestalt eingestellt ist, daß z. B. Wasser als erstes Spinkollektiv im rotierenden Bezugsystem nicht präzediert, muß das T_R so gewählt werden, daß die zweite Spezies zwischen -180 + k.720 Grad und +180 + k.720 Grad präzediert, um positive Polarität auch für die zweite Spinspezies zu erreichen. Für alle nicht in diese Intervalle fallenden Präzessionswinkel wird eine umge kehrte Signalpolarität erreicht. Präzessionswinkel von exakt (2k + 1).180 Grad führen zu einem fast vollständig verschwindendem Steady-State-Signal, Werte nahe diesen Intervallgrenzen zeigen eine starke Signalstärke abhängigkeit vom Präzessionswinkel, die deshalb stark stört, da der lokale Präzessionswinkel durch unvermeidliche Offreso nanzen, z. B. durch Feldinhomogenitäten, nicht genau kontrol liert werden kann.

Erfindungsgemäß kann durch das zusätzlich aufgeprägte Phasen inkrement β erreicht werden, daß bei gegebenem T_R die Präzes sionswinkel beider Spinspezies möglichst weit von diesen In tervallgrenzen entfernt sind, wobei die freie Wahlmöglichkeit zwischen gleichen und umgekehrten Signalpolaritäten bestehen bleibt.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen an gegeben.

Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen bezug nehmend auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Kernspintomographiegerät,

Fig. 2 stellt eine True-FISP-Pulssequenz (FISP-Sequenz mit vollständig balancierten Gradientenpulszügen) mit Phaseninkrement Δϕ = β dar, wie sie gemäß der Erfin dung verwendet wird,

Fig. 3a erläutert das Phaseninkrement Δϕ = β durch Projektion des Spins eines Spinkollektivs in die rotierende Bezugsebene x-y, wobei das HF-Signal "in phase" ist,

Fig. 3b erläutert das Phaseninkrement Δϕ = β durch Projektion des Spins eines Spinkollektivs in die rotierende Bezugsebene x-y, wobei das HF-Signal "opposed phase" ist,

Fig. 4 stellt das SSFP-Signal bei Off-Resonanz in Abhän gigkeit zur chemischen Frequenzverschiebung Δf dar.

Fig. 5a bis 5c und Fig. 6a bis 6d stellen das Steady-State-Signal in Abhängigkeit des Offresonanzwinkels unter Berücksichtigung mehrerer unterschiedlicher Fälle dar.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kernspin tomographiegerätes zur Erzeugung eines Kernspinbildes eines Objektes gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau des Kernspintomographiegerätes entspricht dabei dem Aufbau eines herkömmlichen Tomographiegerätes. Ein Grundfeldmagnet 1 er zeugt ein zeitlich konstantes starkes Magnetfeld zur Polari sation bzw. Ausrichtung der Kernspins im Untersuchungsbereich eines Objektes, wie z. B. eines zu untersuchenden Teils eines menschlichen Körpers. Die für die Kernspinresonanzmessung erforderliche hohe Homogenität des Grundmagnetfeldes ist in einem kugelförmigen Meßvolumen M definiert, in das die zu untersuchenden Teile des menschlichen Körpers eingebracht werden. Zur Unterstützung der Homogenitätsanforderungen und insbesondere zur Eliminierung zeitlich invariabler Einflüsse werden an geeigneter Stelle sogenannte Shim-Bleche aus ferro magnetischem Material angebracht. Zeitlich variable Einflüsse werden durch Shim-Spulen 2 eliminiert, die durch eine Shim- Stromversorgung 15 angesteuert werden.

In den Grundfeldmagneten 1 ist ein zylinderförmiges Gradien tenspulensystem 3 eingesetzt, das aus drei Teilwicklungen besteht. Jede Teilwicklung wird von einem Verstärker 14 mit Strom zur Erzeugung eines linearen Gradientenfeldes in die jeweilige Richtung des kartesischen Koordinatensystems ver sorgt. Die erste Teilwicklung des Gradientenfeldsystems 3 erzeugt dabei einen Gradienten G_x in x-Richtung, die zweite Teilwicklung einen Gradienten G_y in y-Richtung und die dritte Teilwicklung einen Gradienten G_z in z-Richtung. Jeder Ver stärker 14 umfaßt einen Digital-Analog-Wandler, der von einer Sequenzsteuerung 18 zum zeitrichtigen Erzeugen von Gradien tenpulsen angesteuert wird.

Innerhalb des Gradientenfeldsystems 3 befindet sich eine Hochfrequenzantenne 4, die die von einem Hochfrequenzleis tungsverstärker 30 abgegebenen Hochfrequenzpulse in ein mag netisches Wechselfeld zur Anregung der Kerne und Ausrichtung der Kernspins des zu untersuchenden Objektes bzw. des zu un tersuchenden Bereiches des Objektes umsetzt. Von der Hochfre quenzantenne 4 wird auch das von den präzedierenden Kernspins ausgehende Wechselfeld, d. h. in der Regel die von einer Puls sequenz aus einem oder mehreren Hochfrequenzpulsen und einem oder mehreren Gradientenpulsen hervorgerufenen Kernspinecho signale, in eine Spannung umgesetzt, die über einen Verstär ker 7 einem Hochfrequenz-Empfangskanal 8 eines Hochfrequenz systems 22 zugeführt wird. Das Hochfrequenzsystem 22 umfaßt weiterhin einen Sendekanal 9, in dem die Hochfrequenzpulse für die Anregung der magnetischen Kernresonanz erzeugt wer den. Dabei werden die jeweiligen Hochfrequenzpulse aufgrund einer vom Anlagenrechner 20 vorgegebenen Pulssequenz in der Sequenzsteuerung 18 digital als Folge komplexer Zahlen darge stellt. Diese Zahlenfolge wird als Real- und als Imaginäranteil über jeweils einen Eingang 12 einem Digital-Analog-Wand ler im Hochfrequenzsystem 22 und von diesem einem Sendekanal 9 zugeführt. Im Sendekanal 9 werden die Pulssequenzen einem Hochfrequenz-Trägersignal aufmoduliert, dessen Basisfrequenz der Resonanzfrequenz der Kernspins im Meßvolumen entspricht.

Die Umschaltung von Sende- auf Empfangsbetrieb erfolgt über eine Sende-Empfangsweiche 6. Die Hochfrequenzantenne 4 strahlt die Hochfrequenzpulse zur Anregung der Kernspins in das Meßvolumen M ein und tastet resultierende Echosignale ab. Die entsprechend gewonnenen Kernresonanzsignale werden im Empfangskanal 8 des Hochfrequenzsystems 22 phasenempfindlich demoduliert und über einen jeweiligen Analog-Digital-Wandler in Realteil und Imaginärteil des Meßsignals umgesetzt. Durch einen Bildrechner 17 wird aus den dergestalt gewonnenen Meß daten ein Bild rekonstruiert. Die Verwaltung der Meßdaten, der Bilddaten und der Steuerprogramme erfolgt über den Anla genrechner 20. Aufgrund einer Vorgabe mit Steuerprogrammen kontrolliert die Sequenzsteuerung 18 die Erzeugung der je weils gewünschten Pulssequenzen und das entsprechende Abtas ten des k-Raumes. Insbesondere steuert die Sequenzsteuerung 18 dabei das zeitrichtige Schalten der Gradienten, das Aus senden der Hochfrequenzpulse mit definierter Phase und Ampli tude sowie den Empfang der Kernresonanzsignale. Die Zeitbasis für das Hochfrequenzsystem 22 und die Sequenzsteuerung 18 wird von einem Synthesizer 19 zur Verfügung gestellt. Die Auswahl entsprechender Steuerprogramme zur Erzeugung eines Kernspinbildes sowie die Darstellung des erzeugten Kernspin bildes erfolgt über ein Terminal 21, das eine Tastatur sowie einen oder mehrere Bildschirme umfaßt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Kernspintomogra phiegerät mit einer True FISP Pulssequenz betrieben.

Fig. 2 ist eine derartige True-FISP-Sequenz dargestellt. FISP steht für "Fast Imaging with Steady Precession" und ist eine Spezialform der Gradientenechosequenz.

Wie bei den konventionellen Bildgebungssequenzen findet auch hier eine Rephasierung bezüglich eines Schichtselektionsgra dienten G_S und eine Vordephasierung bezüglich eines Auslese gradienten G_R statt. Durch diese Gradientenschaltung wird die durch die Gradienten hervorgerufene Dephasierung der Quermag netisierung kompensiert, so daß ein Echosignal entsteht, das als Gradientenecho bezeichnet wird. Die Grundidee ist also, daß die transversale Magnetisierung nach der Signalauslese restauriert wird und für den nächsten Sequenzdurchgang ge nutzt werden kann.

Das Echosignal wird ausschließlich durch Gradientenumkehrung generiert.

Die Repetitionszeit TR ist die Zeit, nach der ein HF-Anre gungsimpuls dem anderen folgt. Nach der Zeit

erfolgt das Echosignal und kann mittels Auslesegradient G_R akquiriert werden.

Das True-FISP-Signal zeichnet sich durch eine völlige Symme trie im Zeitbereich aus, d. h. die Gradientenzüge sind voll ständig balanciert. Durch die völlige Symmetrie der Gradien tenzüge im Zeitbereich werden alle Magnetisierungsanteile wieder refokussiert, so daß nach kurzer Einschwingzeit das ideale Steady State Signal entsteht.

Bei der Phasencodierung wird vor der Akquisition des Steady State Signals und nach der Akquisition für eine feste Zeit ein Gradientenfeld eingeschaltet, dessen Stärke bei jedem Se quenzdurchgang schrittweise um den einen Betrag ΔG_R ernied rigt (↓) bzw. erhöht (↑) wird.

Die True-FISP-Sequenz stellt hohe Anforderungen an die Kali brierung der Hardware und Software: Eine Fehljustierung führt zu nicht akzeptablen Interferenzstreifen im Bild.

Die HF-Impulse alternieren im Vorzeichen des Flipwinkels α. Zusätzlich zum alternierenden Vorzeichen des Flipwinkels α wird nun ein Phaseninkrement Δϕ = β aufgeprägt, also eine Dif ferenz der Phase zweier aufeinanderfolgender HF-Impulse er zeugt. Mit anderen Worten wird die Phase eines nachfolgenden HF-Impulses im Vergleich zum vorhergehenden HF-Impuls jeweils um den Wert β erhöht. Durch dieses Phaseninkrement Δϕ mit dem Betrag β wird eine Präzession der Wasserspins im rotierenden Bezugssystem hervorgerufen, und zwar zusätzlich zu der Prä zession der Fettspins.

An dieser Stelle ist anzumerken, daß bei einer True FISP Pulssequenz, wie sie beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist, die Repetitionszeit T_R, die Auslesezeit T_E und das üb rige System in der Regel auf Wasser abgestimmt sind, so daß die Wasserspins im rotierenden Bezugssystem nicht präzedie ren, d. h. "on-resonant" sind. Der Präzessionswinkel β_W von Wasser ist Null, β_W = 0. Alle anderen Spinkollektive, wie z. B. das zweitstärkste Spinkollektiv Fett, präzedieren im rotie renden Bezugssystem. Das Spinkollektiv Fett präzediert wäh rend der Repetitionszeit um den Winkel β_F.

Durch den Einsatz des oben erwähnten Phaseninkrementes Δϕ = β zwischen aufeinanderfolgenden HF-Impulsen wird nun eine Prä zession auch der Wasserspins im rotierenden Bezugssystem be wirkt. Der genauere Mechanismus ist in Bezug auf Fig. 3a und 3b erläutert. Die Wasserspins und die Fettspins präzedieren als die beiden das stärkste Signal gebenden Spinkollektive mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die Fettspins präze dieren während der Repetitionszeit T_R, also zwischen zwei Auslesezeitpunkten, um einen Winkel β_F und die Wasserspins um einen Winkel β_W. Diese Präzessionswinkel β_F und β_W können durch entsprechende Einstellung und Wahl des Wertes β des Phasen inkrementes Δϕ verändert werden, so daß die jeweilige Sig nalpolarität des Steady-State Signals von Wasser bzw. Fett wahlweise eingestellt werden kann. Beispielsweise wird ein erster Wert von β so gewählt, daß die resultierenden Steady- State Signale von Wasser und Fett gleiche Signalpolaritäten haben, woraufhin ein anderer Wert von β gewählt wird, bei dem die Steady-State Signale von Wasser und Fett entgegengesetzte Signalpolaritäten aufweisen. Hierdurch wird es möglich, durch entsprechende Additions- und Subtraktions-Rechenschritte ein jeweils reines Steady-State Signal von Wasser oder Fett her auszufiltern und entsprechend darzustellen. Es kann somit auf einfache Weise eine reine Darstellung des Wasser- oder des Fett-Spinkollektivs erhalten werden.

Die Fig. 3a und 3b erläutern das Verhältnis zwischen dem Präzessionswinkel, z. B. β_W oder β_F, eines Spinkollektivs und dem resultierenden HF- bzw. Steady State Signal. Fig. 3a und 3b zeigen dabei die Projektion eines Spins eines Spinkol lektivs in die rotierende Bezugsebene x-y. Der Spin des Spin kollektivs legt in der Repetitionszeit T_R einen Präzessions winkel β_F zurück. Genauere Erläuterungen am Beispiel des Prä zessionswinkels β_F des Spinkollektivs Fett sind im folgenden unter Bezug auf die Fig. 3a und 3b dargelegt. Die Erläute rungen gelten selbstverständlich nur für derartige Spins, die im rotierenden Bezugssystem präzedieren, d. h. "off-resonant" sind. Sogenannte "on-resonante" Spins präzedieren im rotie renden Bezugssystem nicht, sondern werden durch das HF-Signal mit alternierendem Flipwinkel α auf der x-Achse hin- und hergeklappt. Das ist beispielsweise für Wasserspins im oben erwähnten bekannten System der Fall, bei dem das gesamte Sys tem auf die Resonanz der Wasserspins abgestimmt ist, so daß diese im rotierenden Bezugssystem nicht präzedieren. Der für die vorliegende Erfindung zutreffende Fall der Präzession der Spins im rotierenden Bezugssystem, sogenannte "off-resonante" Spins ist in den Fig. 3a und 3b dargestellt.

In Fig. 3a genügt der Präzessionswinkel β_F der mathemati schen Bedingung

Da ein Spin während T_R um den Winkel β_F präzediert, wird in diesem Fall der Spin "in phase" zum HF-Signal ausgelesen. Das bedeutet, daß nach einem HF-Puls mit positivem Vorzeichen (+α) das ausgelesene Signal (Steady-State Signal) ebenfalls ein positives Vorzeichen hat. Ein Beispiel ist in Fig. 3a dargestellt.

Befindet sich ein Spin zunächst im zweiten Quadranten des ro tierenden Bezugssystems, so wird er vom HF-Signal +α in den ersten Quadranten gespiegelt bzw. geklappt. In der Zeit, in der kein HF-Signal anliegt, d. h. in der Repetitionszeit T_R präzediert der Spin um den Winkel β_F in den vierten Quadran ten des rotierenden Bezugssystems. Bei Überstreichen der x- Achse bei

nach Zurücklegen des Winkels β_F/2 wird das Signal mit positivem Vorzeichen ausgelesen. Nach der Zeit T_R wird der Spin, der sich nun im vierten Quadranten des rotie renden Bezugssystems befindet, von dem folgenden HF-Signal - α in den dritten Quadranten gespiegelt. Nach der Zeit T_E = T_R/2 überstreicht der Spin wieder die x-Achse, das Signal wird mit negativem Vorzeichen ausgelesen. Nach einer weiteren Zeit T_R/2 befindet sich der Spin wieder an seiner ursprünglichen Position so daß der Vorgang von neuem beginnt.

Die Signalpolarität bei dem erläuterten "in phase" Fall, d. h.

ist positiv. Dies ergibt sich daraus, daß nach ei nem positiven HF-Impuls der Spinvektor die positive x-Achse überstreicht. Das heißt, ein positives HF-Signal korrespon diert mit einem positiven Steady-State-Signal. Befindet sich der Spinvektor im vierten Quadranten und wird durch ein HF- Signal in den dritten Quadranten geklappt, so überstreicht er nach der Zeit T_R/2 die negative x-Achse, so daß ein negatives Steady-State-Signal entsteht. Das heißt, ein negativer HF-Im puls korrespondiert mit einem negativen Steady-State-Signal, usw.

Man sagt, die Signalpolarität ist positiv.

In Fig. 3b ist das ausgelesene Spin-Signal (Steady-State- Signal) "opposed phase" zum HF-Signal. Hier genügt der Prä zessionswinkel β_F der mathematischen Bedingung

d. h. der Präzessionswinkel β_F, den der Spin in der Zeit T_R überstreicht, ist größer als 180°. Im Gegensatz zu Fig. 3a ist hier die Signalpolarität negativ. Befindet sich ein Spin im zweiten Quadranten des rotierenden Bezugssystems und wird er anschließend durch ein positives HF-Signal in den ersten Quadranten des rotierenden Bezugssystems gespiegelt, so prä zediert er anschließend in den vierten Quadranten und über streicht dabei nach der Zeit

die negative x-Achse.

Obwohl das HF-Signal positiv war, resultiert daraus ein nega tives Steady-State-Signal. Der Spin wird anschließend durch ein negatives HF-Signal in den dritten Quadranten geklappt, und präzediert in der Zeit T_R in den zweiten Quadranten. Das Steady-State-Signal ist diesmal positiv, da es nach der Zeit T_R/2 den positiven Teil der x-Achse überstreicht.

Sowohl in Fig. 3a als auch in Fig. 3b ist gut zu erkennen, daß im Spezialfall

d. h. falls der Spin während der Zeit T_R um 180° präzediert, der Spin durch einen nachfolgen den HF-Puls nicht geklappt bzw. geflippt wird und somit kein Steady-State-Signal erhalten werden kann. Das Steady-State- Signal hat für diesen Fall einen Nulldurchgang.

Es ist anzumerken, daß sich die Fig. 3a und 3b und die entsprechenden Erläuterungen jeweils auf den Spin bzw. das gesamtmagnetische Moment eines einzigen Spinkollektivs bezie hen. Das beim Auslesen in Kernspintomographiegerät erhaltene Signal ist somit die Kombination der Steady-State-Signale der Spins mehrerer Spinkollektive, wie beispielsweise der beiden Spinkollektive Wasser und Fett. Durch entsprechende Wahl und Einstellung des Wertes β des Phaseninkrementes Δϕ werden di rekt die Werte β_W und β_F festgelegt, um die das erste Spin kollektiv Wasser bzw. das zweite Spinkollektiv Fett während der Repetitionszeit T_R im rotierenden Bezugssystem präzedie ren. Der Wert β_F, um den das zweite Spinkollektiv Fett wäh rend der Repetitionszeit T_R im rotierenden Bezugssystem prä zediert, hängt entsprechend der folgenden Gleichung von der Repetitionszeit T_R und β_W ab:
360°.Δf.T_R = β_F - β_W

Die chemische Frequenzverschiebung Δf zwischen Fett und Was ser beträgt z. B. bei einem Magnetfeld B_O = 1,5 T etwa 220 Hz.

Ohne Phaseninkrement Δϕ = 0 präzediert Wasser nicht, so daß β_W = 0 gilt. Bei Einschalten eines Phaseninkrements β präze diert Wasser im rotierenden Bezugssystem mit β_W = -β, wobei sich der Präzessionswinkel β_F von Fett entsprechend der obi gen Formel verändert.

Um eine möglichst gute Stabilität des Systems zu gewährleis ten und um eine hohe Signalausbeute zu bekommen ist es wich tig, daß für ein voreingestelltes T_R der Wert β so gewählt wird, daß Fett und Wasser gleichzeitig jeweils einen mög lichst großen Differenzwinkel zum jeweils nächstliegenden Signalnulldurchgang des Steady-State-Signals besitzen. Da so wohl Wasser als auch Fett im rotierenden Bezugsystem präze dieren muß T_R nicht exakt justiert sein um das System stabil zu halten.

Fig. 4 stellt das SSFP-Signal (Resonanzsignal) eines Spin kollektivs (z. B. Fett) bei Off-Resonanz in Abhängigkeit von

dar.

Bei einer beliebig gewählten Repetitionszeit T_R hat das Steady-State-Signal bei Spins, die pro T_R weniger als etwa

präzedieren, ein reelles positives Signal am Auslesezeitpunkt

Präzessionswinkel von

ergeben reelle Signale mit negativer Polarität usw. Bei 180° + k.360° Präzession hat die Steady- State-Signalamplitude einen Nulldurchgang. Werte für Signal nulldurchgänge sind beispielsweise . . .,

Wie oben erwähnt, sollte der Wert β des Phaseninkrementes Δϕ so eingestellt werden, daß die Präzessionswinkel β_F und β_W von Fett bzw. Wasser nicht in der Nähe eines Signalnulldurch ganges im jeweiligen Resonanzsignal liegen und je einen mög lichst großen Differenzwinkel zu diesem besitzen. Ein solcher Fall wäre beispielsweise:
β_W = -90°
β_F = +90°

Die HF-Signale sind für beide Spinkollektive "in phase" (vgl. Fig. 3a) was zu gleichen Signalpolaritäten für Wasser und Fett führt.

Ein Beispiel für ungleiche Signalpolaritäten wäre:
β_W = +90°
β_F = +270°

Das Resonanzsignal für Fett liegt hier im negativen reellen Bereich. Das entsprechende HF-Signal ist "opposed phase". Dies führt mit dem positiven Resonanzsignal von Wasser ins gesamt zu einer Kombination ungleicher Signalpolaritäten im gemessenen Gesamt-Resonanzsignal.

Die Fig. 5a bis 5c bzw. 6a bis 6d sollen die beiden Fälle

und damit die freie Wahlmög lichkeit zwischen gleichen und ungleichen Signalpolaritäten der Resonanzsignale von Fett und Wasser in Abhängigkeit von der Aufprägung eines Phaseninkrementes Δϕ = β zwischen den auf einanderfolgenden HF-Pulsen näher erläutern.

Im Falle der Fig. 5a ist Wasser onresonant, das heißt das Wasser hat im rotierenden Bezugsystem keinerlei Präzession (β_W = 0). Das Fett ist offresonant und besitzt den Präzessions winkel β_F. Die Signale von Wasser bzw. Fett haben gleiche Vorzeichen, beide haben ein positives Steady-State-Signal, so daß sich ein entsprechend großer Wert im gemessenen Gesamt- Resonanzsignal ergibt.

Gemäß Fig. 5b wird nun das Phaseninkrement Δϕ = β bei einem gegebenen T_R erfindungsgemäß so gewählt, daß die Präzessions winkel β_W und β_F von Wasser bzw. Fett symmetrisch um die Phase 0° zu liegen kommen. Die Bedingung hierfür ist:

Der Nullpunkt wird also genau in die Mitte zwischen Wasser und Fett gelegt. Dadurch werden Wasser bzw. Fett zu einem neuen Präzessionswinkel von β'_W = -β bzw β'_F = +β verschoben. Beide Präzessionswinkel haben die gleiche Entfernung zum je weiligen Signalnulldurchgang.

In Fig. 5c wird Δϕ = β bei einem gegebenen T_R erfindungsgemäß so gewählt, daß die Präzessionswinkel von Wasser und Fett symmetrisch um die Phase 180° zu liegen kommen. Dazu wird das Phaseninkrement β im Fall von Fig. 5b um 180° erhöht, d. h. β → β + 180°. Die Bedingung hierfür ist nun

Damit kommt das Fett unter dem negativen, das Wasser unter dem positiven Anteil des Steady-State-Signales zu liegen. Dies führt zu einer umge kehrten Polarität der jeweiligen Resonanzsignale. Beide neuen Präzessionswinkel

sind wieder gleich weit weg von dem Signalnulldurchgang bei 180°. Gleich weit weg bedeutet gleichzeitig, daß sie maximal unempfindlich sind gegenüber z. B. Feldinhomogenitäten.

Der Fall, daß |β_F - β_W| zwischen 180° und 540° liegt ist in Fig. 6a dargestellt. Das Fett hat ein negatives Signal, wenn Wasser onresonant (β_W = 0) ist.

In diesem zweiten Fall kann man durch geeignete Wahl von β auch wieder beide Fälle erreichen, nämlich daß Fett und Was ser gleiche oder umgekehrte Vorzeichen ergeben. Allerdings gibt es für den Fall gleicher Polarität zwei Fallunterschei dungen Fig. 6b und Fig. 6c. Wenn |β_F - β_W| zwischen 180° und 360° liegt, haben Fett und Wasser beide ein positives Signal. Wenn |β_F - β_W| aus dem Bereich [360; 540°] stammt, haben Fett und Wasser in jeweils unterschiedlichen positiven Signalver läufen zu liegen. In beiden Fällen haben Wasser und Fett gleiche positive Polarität. Die Bedingungen sind hierfür:

β = 180°.Δf.T_R (Fig. 6b)

d. h. β'_W und β'_F sind symmetrisch um die Phase 0°, und

β = 180°.Δf.T_R - 360° (Fig. 6c)

d. h. β'_W und β'_F sind symmetrisch um die Phase 360°,

Für den Fall umgekehrter Polarität, in Fig. 6d dargestellt, kann β wieder so gewählt werden, daß Fett und Wasser symme trisch um die Phase 180° zu liegen kommen. Das Wasser-Signal ist positiv und das Fett-Signal negativ. Es liegt umgekehrte Polarität vor bei gleich weit entfernten Signalnulldurchgän gen.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines Kernspintomographiegerätes, aufweisend folgende Schritte:

wobei die Pulssequenz mit einer Repetitionszeit (T_R) mit un terschiedlichem Phasenkodier-Gradienten und alternierendem Vorzeichen des Flipwinkels wiederholt wird, und Gradienten pulszüge verwendet, die im Zeitbereich einen vollkommen sym metrischen Ablauf aufweisen also vollständig balanciert sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzlich zum alternierenden Vorzeichen des Flipwinkels α zwischen aufeinanderfolgenden Anregungspulsen ein Phasen inkrement Δϕ = β gewählt wird, so dass die Steady-State Signale für ein erstes und ein zweites Spinkollektiv wahlweise entwe der gleiche oder umgekehrte Signalpolaritäten besitzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert β des Phaseninkrementes Δϕ so gewählt wird, dass die Werte der Präzessionswinkel β_W und β_F des ersten bzw. des zweiten Spinkollektivs während der Repetitionszeit T_R wahlweise den mathematischen Bedingungen für gleiche Sig nalpolaritäten bzw. für umgekehrte Signalpolaritäten genügt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert β so gewählt wird, dass das erste und das zwei te Spinkollektiv gleichzeitig jeweils einen möglichst großen Differenzwinkel zum jeweils nächstliegenden Signalnulldurch gang des ausgelesenen Steady-State-Signals aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spinkollektiv Wasser und das zweite Spin kollektiv Fett darstellt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die mögliche freie Wahl der gegenseitigen Signal polaritäten ein erster Datensatz auf der Basis gleicher Sig nalpolaritäten und ein zweiter Datensatz auf der Basis umge kehrter Signalpolaritäten erhalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Addition und/oder Subtraktion des ersten und zweiten Datensatzes ein reines Bild des ersten bzw. des zwei ten Spinkollektivs erhalten wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase des Empfängers so eingestellt wird, dass die ser ein Phaseninkrement von β/2 in Bezug auf den vorhergehen den Anregungsimpuls aufweist.

8. Kernspintomographiegerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, mit Einrichtungen zur Erzeugung und Einstrahlung einer FISP-Pulssequenz auf ein zu untersuchendes Objekt, wobei die FISP-Pulssequenz aufweist:

a) einen Anregungspuls (RF) zur Anregung der Spins mit einem Flipwinkel α ≦ 90°
b) einen Schichtselektions-Gradienten G_S
c) einen Phasencodier-Gradienten G_P
d) einen Auslesegradienten G_R,

wobei die Pulssequenz mit einer Repetitionszeit (T_R) mit un terschiedlicher Phasenkodier-Gradienten Richtung und alter nierendem Vorzeichen des Flipwinkels α wiederholt wird und die Gradientenpulszüge vollständig balanciert sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzlich zum alternierenden Vorzeichen des Flipwinkels α zwischen aufeinanderfolgenden Anregungspulsen ein Phasen inkrement Δϕ = β vorhanden ist, so dass die Steady-State Signa le für ein erstes und ein zweites Spinkollektiv wahlweise entweder gleiche oder umgekehrte Signalpolaritäten besitzen.