DE10044424A1 - Kernspintomographiegerät zur Gewinnung von NMR-Navigatorechos mit geringer Störung der Längsmagnetisierung - Google Patents

Kernspintomographiegerät zur Gewinnung von NMR-Navigatorechos mit geringer Störung der Längsmagnetisierung

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kernspintomographiegerät, mit Einrichtungen zur Erzeugung und Einstrahlung einer EPI-Pulssequenz auf ein zu untersuchendes Objekt. Eine mittels Schichtselektionsgradienten selektive Anregung mit kleinem Flipwinkel alpha < 90 DEG bildet eine sogenannte Navigatorschicht (23) und liefert ein Signal, das mit der EPI-Pulssequenz unter Phasencodierung in einer zur Schichtselektions- und Ausleserichtung senkrechten Richtung versehen, ausgelesen wird. Durch Rekonstruktion einer Spalte bzw. Zeile der Navigatorschicht (23) wird ein ortsaufgelöster Navigatorstab gewonnen.

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 insbe­ sondere auf ein Kernspintomographiegerät sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen, bei denen eine sogenannte EPI- Pulssequenz verwendet wird um einen sogenannten ortsaufgelös­ ten Navigatorstab in Körperlängsachse zu gewinnen.
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.
In vielen Bereichen der medizinischen Diagnostik ist es von Interesse physiologische Prozesse durch Kernspintomographie­ aufnahmen darzustellen. Dazu ist es notwendig diese physio­ logischen Prozesse mit dem entsprechenden Kernspintomogra­ phieverfahren zu synchronisieren.
Eine typische Anwendung ist die Überwachung der Herzposition bei Herzaufnahmen. Zur Gewinnung der Positionsinformation dient zum Beispiel vorteilhaft ein Profil der Spindichte in einem Stab in Körperlängsachse, dem sogenannten Navigator­ stab.
Im Stand der Technik wird ein Navigatorstab üblicherweise durch eine Spinechosequenz gewonnen, deren selektive 90°- und 180°-RF-Pulse gemäß Fig. 3 gekreuzte Schichtebenen 25, 26 be­ sitzen. Das Spinecho entsteht so ausschließlich im Schnitt­ bereich 27 der beiden Schichtebenen 25, 26.
Diese Methode hat jedoch den schwerwiegenden Nachteil, daß die Längsmagnetisierung in beiden Schichten 25, 26 und auch im Schnittbereich 29 mit dem Meßvolumen 28 gesättigt bzw. inver­ tiert wird. Daher müssen die Orientierungen der beiden Ebenen 25, 26 so gewählt werden, daß sie das Volumen der folgenden Bildmessung 28 nicht schneiden.
Dies hat neben einer schwierigen Handhabung zur Folge, daß z. B. die Herzbewegung durch Atmung nicht direkt gemessen wer­ den kann, sondern aus der Bewegung der besser zugänglichen anderen Zwerchfellhälfte abgeleitet werden muß.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Kernspin­ tomographiegerät und ein Verfahren bereitzustellen, die die Gewinnung eines Navigatorstabs ermöglichen, ohne das Meßvolu­ men für die nachfolgende Messung zu beeinträchtigen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Kernspin­ tomographiegerät gemäß Anspruch 1 gelöst, welches eine Ein­ richtung zur Erzeugung und Einstrahlung einer EPI-Pulssequenz auf ein zu untersuchendes Objekt aufweist. Eine mittels des Schichtselektionsgradienten selektive Anregung mit kleinem Flipwinkel α < 90° liefert ein Signal, das unter Phasencodie­ rung in einer zur Schichtselektions- und Ausleserichtung senkrechten Richtung versehen, ausgelesen und zur Gewinnung eines ortsaufgelösten Navigatorstabes verwendet wird.
Die Navigatorschicht ist üblicherweise parallel zu einer bei einer nachfolgenden Messung verwendeten Meßschicht angeord­ net.
Der oszillierende Auslesegradient (GR) umfaßt positive und negative Gradientenhalbwellen, wobei die Echos beider Gra­ dientenhalbwellen bzw. nur die je einer Halbwelle verwendet werden.
Die Signale einer Spalte/Zeile der durch die Schichtselekti­ onsrichtung festgelegten Navigatorschicht werden durch ge­ wichtete Addition zu einem Summenecho, aus dem der Navigator­ stab berechnet wird, addiert.
Erfindungsgemäß wird weiter ein Verfahren zum Betreiben eines Kernspintomographiegerätes gemäß Anspruch 6 vorgeschlagen.
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 zeigt schematisch eine klassische EPI-Pulssequenz,
Fig. 3 zeigt schematisch die mit EPI gemessene Naviga­ torschicht parallel zur Meßschicht, und
Fig. 4 zeigt schematisch das stabförmige Navigatorecho, erzeugt durch gekreuzte schichtselektive 90°- und 180°-RF-Pulse gemäß dem Stand der Technik.
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 Polarisation bzw. Ausrichtung der Kernspins im Untersuchungsbereich eines Objektes, wie z. B. eines zu untersuchenden Teils eines menschlichen Körpers. Die für die Kernspinresonanzmessung er­ forderliche hohe Homogenität des Grundmagnetfeldes ist in ei­ nem kugelförmigen Meßvolumen M definiert, in das die zu un­ tersuchenden Teile des menschlichen Körpers eingebracht wer­ den. Zur Unterstützung der Homogenitätsanforderungen und ins­ besondere 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 be­ steht. 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 er­ zeugt dabei einen Gradienten Gx in x-Richtung, die zweite Teilwicklung einen Gradienten Gy in y-Richtung und die dritte Teilwicklung einen Gradienten Gz 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 Verstärker 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 Imaginäran­ teil 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 Kernspinbildes erfolgt über ein Terminal 21, das eine Tastatur sowie einen oder mehrere Bildschirme umfaßt.
Fig. 2 zeigt schematisch eine klassische EPI-Pulssequenz. EPI steht für "echoplanare Bildgebung" ("echo planar ima­ ging").
Zunächst wird durch das Gradientenfeldsystems 3 (Fig. 1) ein phasierender Schichtselektionsgradient angelegt und während­ dessen durch den Hochfrequenzleistungsverstärker 30 (Fig. 1) ein Hochfrequenz-Anregungsimpuls abgegebenen.
Nach dem Anregungsimpuls werden alle Gradienten für kurze Zeit in eine dephasierende Richtung geschaltet. Der im Anschluß daran zusammen mit dem positiv geschalteten Phasen­ kodiergradienten angelegte Auslesegradient hat einen oszil­ lierenden Verlauf, das heißt, er umfaßt positive und negative Gradientenhalbwellen, die z. B. sinusförmig ausgeprägt sind. Dadurch werden in Ausleserichtung mehrere Gradientenechos er­ zeugt und dem Hochfrequenz-Empfangskanal 8 des Hochfrequenz­ systems 22 (Fig. 1) zugeführt. Die Phasenkodierung erfolgt in diesem Beispiel durch einen permanent eingeschalteten Pha­ senkodiergradienten.
In Fig. 3 ist die erfindungsgemäße Lösung dargestellt. Durch eine selektive Anregung in einer ersten Querrichtung mit kleinem Flipwinkel α < 90° wird mittels Schichtselektionsgra­ dienten eine sogenannte "Navigatorschicht" 23 definiert. Die selektive Anregung erzeugt ein Signal, das unter Phasencodie­ rung in einer zur Schichtselektions- und Ausleserichtung senkrechten Richtung ausgelesen wird und zwar mit oszillie­ rendem Auslesegradienten welcher mehrere Gradientenechos er­ zeugt.
Um im Gegensatz zum reinen EPI einen eindimensionalen orts­ aufgelösten Navigatorstab zu gewinnen, muß typischerweise nur eine einzelne Spalte bzw. Zeile der Navigatorschicht rekonstruiert werden. Dabei können die Echos beider Gradienten­ halbwellen oder zur Vermeidung der Zeitraster-Ausrichtungs­ probleme nur die je einer Halbwelle genutzt werden, da es nur einer sehr groben Auflösung bedarf (Größenordnung 2 cm).
Es bietet sich an, die phasencodierten Signale durch gewich­ tete Addition zu einem Summenecho zu vereinen, das dann nach einer eindimensionalen Fouriertransformation die gewünschte Stabprojektion liefert.
Wenn die für nachfolgende Messungen verwendete Meßschicht 24 normalerweise parallel zur Navigatorschicht 23 gewählt wird, kommt es zu keiner störenden Sättigung bzw. Invertierung der Längsmagnetisierung in einem Schnittbereich wie gemäß dem Stand der Technik.
Navigatorschicht und Meßschicht dürfen sich, falls sich dies nicht vermeiden läßt, bei sehr kleinem Flipwinkel (α < 30°), aber auch schneiden, da dann die Relaxationszeit der Spins sehr kurz ist und somit eine hohe Meßwiederholrate möglich ist.

Claims (10)

1. Kernspintomographiegerät mit Einrichtungen zur Erzeugung und Einstrahlung einer EPI-Pulssequenz auf ein zu untersu­ chendes Objekt, wobei die EPI-Pulssequenz aufweist:
einen Anregungsimpuls (RF) zur Anregung der Spins mit einem kleinen Flipwinkel α < 90°,
einen Schichtselektionsgradienten (GS),
einen Phasencodiergradienten (GP), und
einen oszillierenden Auslesegradienten (GR) zum Erzeugen
mehrerer Gradientenechos nach einem Anregungsimpuls (RF), wobei eine mittels des Schichtselektionsgradienten selektive Anregung mit kleinem Flipwinkel α < 90° ein Signal liefert, das unter Phasencodierung in einer zur Schichtselektions- und Ausleserichtung senkrechten Richtung ausgelesen und zur Ge­ winnung eines ortsaufgelösten Navigatorstabes verwendet wird.
2. Kernspintomographiegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Schichtselektionsrichtung festgelegte Navi­ gatorschicht (23) parallel zu einer bei einer nachfolgenden Messung verwendeten Meßschicht (24) ist.
3. Kernspintomographiegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oszillierende Auslesegradient (GR) positive und nega­ tive Gradientenhalbwellen umfaßt, wobei die Echos beider Gra­ dientenhalbwellen zur Gewinnung des Navigatorstabes verwendet werden.
4. Kernspintomographiegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oszillierende Auslesegradient (GR) positive und nega­ tive Gradientenhalbwellen umfaßt, wobei die Echos nur je ei­ ner Gradientenhalbwelle zur Gewinnung des Navigatorstabes verwendet werden.
5. Kernspintomographiegerät nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale einer Spalte bzw. Zeile der durch die Schichtselektionsrichtung festgelegten Navigatorschicht (23) durch gewichtete Addition zu einem Summenecho addiert werden, aus dem der Navigatorstab berechnet wird.
6. Verfahren zum Betreiben eines Kernspintomographiegerätes, aufweisend folgende Schritte:
Anregung der Spins mit einem Anregungsimpuls (RF) mit einem kleinen Flipwinkel α < 90°,
Einschalten eines Schichtselektions-Gradienten (GS)
Einschalten eines Phasencodier-Gradienten (GP)
Erzeugen multipler Gradientenechos durch einen oszillierenden Auslese-Gradienten (GR) zum Erzeugen mehrerer Gradientenechos nach einem Anregungsimpuls (RF),
wobei eine selektive Anregung mit kleinem Flipwinkel α < 90° ein Signal liefert, das unter Phasencodierung in einer zur Schichtselektions- und Ausleserichtung senkrechten Richtung ausgelesen und zur Gewinnung eines ortsaufgelösten Navigator­ stabes verwendet wird.
7. Verfahren zum Betreiben eines Kernspintomographiegerätes, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Schichtselektionsrichtung festgelegte Navi­ gatorschicht (23) parallel zu einer bei einer nachfolgenden Messung verwendeten Meßschicht (24) wird.
8. Verfahren zum Betreiben eines Kernspintomographiegerätes, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oszillierende Auslesegradient (GR) positive und nega­ tive Gradientenhalbwellen umfaßt, wobei die Echos beider Gra­ dientenhalbwellen zur Gewinnung des Navigatorstabes verwendet werden.
9. Verfahren zum Betreiben eines Kernspintomographiegerätes, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oszillierende Auslesegradient (GR) positive und nega­ tive Gradientenhalbwellen umfaßt, wobei die Echos nur je ei­ ner Gradientenhalbwelle zur Gewinnung des Navigatorstabes verwendet werden.
10. Verfahren zum Betreiben eines Kernspintomographiegerätes, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale einer Spalte bzw. Zeile der durch die Schichtselektionsrichtung festgelegten Navigatorschicht (23) durch gewichtete Addition zu einem Summenecho addiert werden, aus dem der Navigatorstab berechnet wird.
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