DE10044424C2 - Verfahren zum Betreiben eines Kernspintomographiegerätes, wobei ein ortsaufgelöster Navigatorstab zur Positionsüberwachung eines zu untersuchenden Objektes gewonnen wird - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines Kernspintomographiegerätes, wobei ein ortsaufgelöster Navigatorstab zur Positionsüberwachung eines zu untersuchenden Objektes gewonnen wird

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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.
Der Begriff "Navigator" hat in der Fachwelt keine einheitli­ che Bedeutung. So werden in dem Verfahren von DE 197 15 113 A1 mit einer EPI-Sequenz drei Referenzechos S1 +, S2 -, S3 + ge­ wonnen aus deren Phasendifferenz ein weiteres Referenzecho S2 + interpoliert wird. Derartige Referenzechos dienen zur Korrektur von Maschinenfehlern und werden zwar als Navigator­ echos bezeichnet, haben aber mit der Positionsermittlung ei­ nes zu untersuchenden Objektes - wie sie in der vorliegenden Erfindung beabsichtigt ist - nichts zu tun.
Ebenso werden in EP 0 909 958 A2 bzw. US 6 037 771 zwischen den eigentlichen Messungen zusätzliche Messungen (Navigator- Echos) dazwischengestreut die eine Referenz darstellen anhand derer die Rohdaten nachträglich phasenkorrigiert werden kön­ nen. Auch dies hat jedoch nichts mit Navigatoren im Sinne der vorliegenden Erfindung zu tun, in der ein Navigatorstab ge­ wonnen wird um die örtliche Position eines zu untersuchenden Objektes während einer MRT-Messung zu bestimmen.
Auch in US 5 539 312 werden Navigationsmessungen (im Sinne von Referenzmessungen) durchgeführt durch die jedoch bewe­ gungsbedingte Artefakte ermittelt und korrigiert werden sol­ len, während in der vorliegenden Erfindung die eigentliche Messung durch die Auswertung eines gemessenen Navigatorstabes getriggert wird.
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 Verfahren zum Betreiben eines Kernspintomographiegerätes bereitzustel­ len, das die Gewinnung eines Navigatorstabs ermöglicht, ohne das Meßvolumen für die nachfolgende Messung zu beeinträchti­ gen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zum Betreiben eines Kernspintomographiegerätes gemäß Anspruch 1 gelöst, wobei eine EPI-Pulssequenz zur Gewinnung eines ortsaufgelösten Navigatorstabes zur Positionsüberwachung ei­ nes zu untersuchenden Objektes während einer Kernspinuntersu­ chung verwendet wird. Dabei werden zunächst die Spins mit ei­ nem Anregungsimpuls (RF) mit kleinem Flipwinkel α < 90° ange­ regt. Nach Einschalten eines Schichtselektions-Gradienten (GS) und eines Phasenkodier-Gradienten (GP) werden durch ei­ nen oszillierenden Auslese-Gradienten (GR) nach Einstrahlen des Anregungsimpuls (RF) mehrere Gradientenechos erzeugt. Da­ bei liefert die selektive Anregung mit kleinem Flipwinkel α < 90° ein Signal, das unter Phasencodierung ausgelesen und zur Gewinnung des Navigatorstabes verwendet wird. Die Phasen­ kodierung erfolgt in einer zur Schichtselektions- und Ausle­ serichtung senkrechten Richtung.
Durch die Schichtselektionsrichtung wird eine Navigator­ schicht festgelegt. Diese ist üblicherweise parallel zu einer bei einer nachfolgenden Messung verwendeten Meßschicht ange­ ordnet.
Der oszillierende Auslesegradient (GR) umfaßt positive und negative Gradientenhalbwellen, wobei die Echos beider Gra­ dientenhalbwellen bzw. nur die je einer Halbwelle zur Gewin­ nung des Navigatorstabes verwendet werden.
Die Signale einer Spalte/Zeile der durch die Schichtselek­ tionsrichtung festgelegten Navigatorschicht werden durch ge­ wichtete Addition zu einem Summenecho, aus dem der Navigator­ stab berechnet wird, addiert.
Erfindungsgemäß wird weiter ein Kernspintomographiegerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß An­ spruch 6 vorgeschlagen.
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 Navigator­ schicht parallel zur Meßschicht, und
Fig. 4 zeigt schematisch das stabförmige Navigatorecho, er­ zeugt 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 Polari­ sation 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 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 Imaginäran­ teil über jeweils einen Eingang 12 einem Digital-Analog- Wandler im Hochfrequenzsystem 22 und von diesem einem Sende­ kanal 9 zugeführt. Im Sendekanal 9 werden die Pulssequenzen einem Hochfrequenz-Trägersignal aufmoduliert, dessen Basis­ frequenz 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.
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 An­ schluß 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 Schichtselektions­ gradienten eine sogenannte "Navigatorschicht" 23 definiert. Die selektive Anregung erzeugt ein Signal, das unter Phasen­ codierung 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 rekon­ struiert 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 (6)

1. Verfahren zum Betreiben eines Kernspintomographiegerätes, wobei eine EPI-Pulssequenz zur Gewinnung eines ortsaufgelös­ ten Navigatorstabes zur Positionsüberwachung eines zu unter­ suchenden Objektes während einer Kernspinuntersuchung verwen­ det wird, aufweisend folgende Schritte:
  • - Anregung der Spins mit einem Anregungsimpuls (RF) mit ei­ nem kleinen Flipwinkel α < 90°,
  • - Einschalten eines Schichtselektions-Gradienten (GS)
  • - Einschalten eines Phasencodier-Gradienten (GP)
  • - Erzeugen multipler Gradientenechos durch einen oszillie­ renden Auslese-Gradienten (GR) zum Erzeugen mehrerer Gra­ dientenechos nach dem Anregungsimpuls (RF),
wobei die selektive Anregung mit kleinem Flipwinkel α < 90° ein Signal liefert, das unter Phasencodierung ausgelesen und zur Gewinnung des Navigatorstabes verwendet wird, wobei die Phasenkodierung in einer zur Schichtselektions- und Auslese­ richtung senkrechten Richtung erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch die Schichtselektionsrichtung festgelegte Na­ vigatorschicht (23) parallel zu einer bei einer nachfolgenden Messung verwendeten Meßschicht (24) wird.
3. Verfahren 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. Verfahren 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. Verfahren 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.
6. Kernspintomographiegerät zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1 bis 5 mit Einrichtungen zur Erzeugung und Einstrahlung der EPI-Pulssequenz auf ein zu untersuchen­ des Objekt, wobei die EPI-Pulssequenz aufweist:
den Anregungsimpuls (RF) zur Anregung der Spins mit einem kleinen Flipwinkel α < 90°,
den Schichtselektionsgradienten (GS),
den Phasencodiergradienten (GP), und
den oszillierenden Auslesegradienten (GR) zum Erzeugen meh­ rerer Gradientenechos nach dem Anregungsimpuls (RF).
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