DE102008039203A1 - Verfahren zur mit POMP beziehungsweise CAIPIRINHA durchgeführten simultanten Multischicht-Magnetresonenzbildgebung mit SSFP-Sequenzen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie ein Gerät zur mit POMP bzw. CAIPIRINHA durchgeführten simultanen Multischicht-Magnetresonanzbildgebung mit SSFP-Bildgebungssequenzen, wobei die Modulation des Faltungsraums nicht durch Änderung eines stationären Zustands in mindestens einer der abzubildenden Schichten erfolgt. Die Modulation des Faltungsraumes, die für die der simultan angeregten Bildgebungsschichten erforderlich ist, erfolgt durch eine individuelle Modulation der Phase der Hochfrequenzanregungspulse in jeder der abzubildenden Schichten, wobei die Phase der Hochfrequenzanregungen in jeder der simultan abzubildenden Schichten derart moduliert wird, dass die Bedingung für die Aufrechterhaltung des stationären Zustands erfüllt ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf die Magnetresonanztomographie (MRT).
  • Insbesondere betrifft die Erfindung die gleichzeitige Akquisition mehrerer Schichten eines Objektes mit SSFP-Sequenzen, wobei die Modulation des Faltungsraums nicht durch Änderung eines stationären Zustands in mindestens einer der abzubildenden Schichten erfolgt.
  • Stand der Technik
  • Basis der MRT ist das physikalische Phänomen der magnetischen Kernresonanz. Beim Einbringen des zu untersuchenden Objekts in ein starkes konstantes Magnetfeld kommt es zur Ausrichtung der Kernspins der Atome im Objekt. Die Kernspins können durch das Anlegen von magnetischen Hochfrequenzpulsen (HF-Pulse) angeregt werden. In geeigneten Empfangsspulen induzieren angeregte Kernspins das Messsignal.
  • Die Ortskodierung erfolgt bei der MRT durch das zusätzliche dynamische Anlegen von Gradientenfeldern in drei in der Regel zueinander orthogonale, frei wählbare Raumrichtungen x (Frequenzkodierrichtung oder Leserichtung), y (Phasenkodierrichtung), und z (Schichtselektionsrichtung). Die zeitliche Koordination von Hochfrequenzanregungen und Gradienten erfolgt durch die sogenannten Bildgebungssequenzen.
  • Im Falle der 2D-Bildgebung erfolgt die Auswahl der Bildgebungsschicht durch Anlegen eines Schichtselektionsgradienten Gz in z-Richtung (senkrecht zur Bildgebungsschicht) während der Hochfrequenzanregung. Der applizierte HF-Puls besitzt ein wohldefiniertes Frequenzspektrum, so dass ausschließlich die im Frequenzspektrum und damit in einer Schicht liegenden Spins angeregt werden. Man spricht von der schichtselektiven Anregung.
  • Ein zweiter Gradient, der Frequenzkodiergradient (Lesegradient) Gx wird während der Signalakquisition in x-Richtung angelegt, was zu einer Modulation der Larmorfrequenz der Spins entlang der x-Richtung führt. Alle Spins mit gleicher x-Koordinate schwingen mit derselben Frequenz.
  • Zwischen Schichtselektion und Signalakquisition wird den Spins durch Schalten eines Phasenkodiergradienten Gy in y-Richtung eine zusätzliche Phase in Abhängigkeit von ihrer y-Koordinate aufgeprägt.
  • Die Signalakquisition wird sukzessive mit verschiedenen Phasenkodiergradienten (Phasenkodierschritt) wiederholt, wodurch zeilenweise eine Rohdatenmatrix im Fourier-Raum (Faltungsraum, k-Raum) aufgefüllt wird, welche z. B. durch eine Fouriertransformation in das zu akquirierende Bild überführt werden kann.
  • Im Falle der 3D-Bildgebung erfolgt die Hochfrequenzanregung einer größeren Schicht innerhalb des Objektes. Die Ortskodierung in Schichtselektionsrichtung erfolgt durch Schalten eines weiteren Phasenkodiergradienten in Schichtselektionsrichtung.
  • Die zeilenweise Akquisition der Daten für den Rohdatenraum ist ein limitierender Faktor in der MRT, da die Aufnahmedauer (Akquisitionszeit) für ein Bild durch die Anzahl der zu akquirierenden k-Raum-Zeilen (Anzahl der Phasenkodierschritte) bestimmt ist. Vor allem bei der Darstellung sich bewegender Objekte sind zur Artefaktvermeidung kurze Akquisitionszeiten nötig, was üblicherweise mit Einschränkungen in der Bildqualität verbunden ist.
  • Durch hardwaretechnische und akquisitionsmethodische Entwicklungen konnte in den letzen Jahren eine Verkürzung der Akquisitionszeit und damit oft eine Verbesserung in der Bildqualität erreicht werden.
  • Insbesondere sind dabei die Partially Parallel Akquisition(PPA)-Bildgebungstechniken zu nennen. Üblicherweise wird bei der PPA-Bildgebung der k-Raum unterabgetastet, d. h. die Datenakquisition nur für einen Teil der Phasenkodierschritte durchgeführt, wodurch das Sichtfeld (FOV) kleiner als das abzubildende Objekt wird. Objektanteile, die sich außerhalb des FOV befinden, überlagern im Folgenden das Bild in Form von Einfaltungen (engl.: aliasing). Die Einfaltungen treten dabei in Phasenkodierrichtung auf. Mit Hilfe von PPA-Algorithmen (Pruessmann KP et al., SENSE: sensitivity encoding for fast MRI, Magn. Reson. Med. 42(5): 952–962 (1999); Pruessmann KP et al., Advances in sensitivity encoding with arbitrary k-space trajectories, Magn. Reson. Med. 46: 638–651 (2001); Sodickson DK et al., Simultaneous acquisition of spatial harmonics (SMASH): Fast imaging with radiofrequency coil arrays, Magn. Reson. Med. 38: 591–603 (1997); Griswold MA, Generalized autocalibrating partially parallel acquisitions (GRAPPA), Magn. Reson. Med. 47: 1202–1210 (2002); Griswold MA, Partially Parallel Imaging with localized sensitivities (PILS), Magn. Reson. Med. 44: 602–609 (2000); Kyriakos WE et al., Sensitivity profiles from an array of coils for encoding and reconstruction in parallel (SPACE RIP), Magn. Reson. Med. 44(2): 301–308 (2000)) kann unter Verwendung von mehreren, gleichzeitig mit den Einzelspulen eines Spulenarrays akquirierten Datensätzen sowie Spulensensitivitätsinformationen der Einzelspulen eine vollständige Rekonstruktion des Bildes durchgeführt werden. Zu beachten ist, dass die Rekonstruktion des Bildes nur gelingt, sofern am Ort des abzubildenden Objekts ausreichende Unterschiede in den Sensitivitäten der Einzelspulen bestehen. Die Spulensensitivitätsinformationen können durch eine Referenzmessung (Pruessmann KP et al., SENSE: sensitivity encoding for fast MRI, Magn. Reson. Med. 42(5): 952–962 (1999)), durch eine zusätzliche Akquisition von Autokalibrierungslinien (Jakob PM et al., Auto-SMASH, a Self-Calibrating technique for SMASH imaging, MAGMA 7: 42–54 (1998); Heidemann RM et al., VD-Auto-SMASH imaging, Magn. Reson. Med. 45: 1066–1074 (2001); Griswold MA, Generalized autocalibrating partially parallel acquisitions (GRAPPA)) oder durch verschachtelte (interleaved) Akquisition von Phasenkodierschritten bei der dynamischen Bildgebung gewonnen werden (Kellman P, Adaptive sensitivity encoding incorporating temporal filtering (TSENSE), Magn. Reson. Med. 45(5): 846–852 (2001); Breuer FA et al., Dynamic Autocalibrated Parallel Imaging Using Temporal GRAPPA (TGRAPPA), Magn. Reson. Med. 53: 981–985 (2005); Köstler H et al., Auto-SENSE Perfusion Imaging of the Whole Human Heart, J. Magn Reson. Imaging 18: 702–708 (2003)).
  • Basis für die Multischichtbildgebung ist die simultane Anregung mehrerer Bildgebungsschichten bzw. Bildgebungsvolumina durch Applikation eines HF-Pulses mit mehreren Frequenzbändern (Multiband) bei gleichzeitigem Schalten des Schichtselektionsgradienten.
  • Ohne zusätzliche Magnetisierungsmodulation werden die gleichzeitig angeregten Schichten gleichermaßen ortskodiert und im Bild entsprechend aufeinander abgebildet. Eine Rekonstruktion der Bilder der einzelnen Schichten kann mit PPA-Algorithmen durchgeführt werden, ist aber aufgrund der insbesondere bei eng benachbarten Schichten ähnlichen Spulensensitivitäten nicht artefaktfrei durchführbar.
  • Durch eine gezielte Modulation der Spinmagnetisierung ist es möglich, die Abbildung eines Objekts im FOV in Phasenkodierrichtung zu verschieben – bei 3D-Bildgebungstechniken entsprechend in beide Phasenkodierrichtungen. Im Allgemeinen kann eine Modulation der Spinmagnetisierung durch eine Amplituden- oder Phasenmodulation der bei der Spinanregung applizierten HF-Pulse oder über eine Modulation eines oder mehrer bei der Ortskodierung angewendeten Gradienten erfolgen.
  • Genutzt wird dieser Sachverhalt unter anderem beim sogenannten „Phase-Offset Multiplanar (POMP) Volume Imaging”-Verfahren. Durch eine Modulation der Phase der applizierten Multiband-HF-Pulse werden die Abbildungen der simultan angeregten Bildgebungsschichten im FOV in Phasenkodierrichtung gegeneinander verschoben. FOV und Anzahl der Phasenkodierschritte werden dabei so groß gewählt, dass die einzelnen Schichten nebeneinander abgebildet werden und sich gegenseitig nicht überlappen (Glover GH, Phase-Offset Multiplanar (POMP) Volume Imaging: A New Technique, J. Magn. Reson. Imaging 1: 457–461 (1991)).
  • Das in den letzten Jahren entwickelte CAIPIRINHA-Verfahren nutzt gezielte Modulationen der Spinmagnetisierung in Kombination mit PPA-Techniken zur Beschleunigung von Bildgebungsexperimenten. Die mittels Modulationen der Spinmagnetisierung gegeneinander verschobenen Abbildungen des Objektes werden in einem reduzierten FOV abgebildet und anschließend mit PPA-Techniken unter Verwendung von Spulensensitivitätsinformationen rekonstruiert. Die zu einer erfolgreichen Rekonstruktion erforderlichen Unterschiede in den Spulensensitivitätsinformationen werden durch die gegenseitige die Verschiebung der Abbildungen im FOV erreicht (Jakob PM, Datenakquisitionsverfahren zur beschleunigten Magnet-Resonanz-Bildgebung im Rahmen der parallelen Akquisition von MRT-Daten, DE 103 18 682 A1 2004.11.18; Breuer FA et al., Controlled Aliasing in Parallel Imaging Results in Higher Acceleration (CAIPIRINHA) for Multi-Slice Imaging, Magn. Reson. Med. 53: 684–691 (2005); Breuer FA et al., Controlled Aliasing in Volumetric Parallel Imaging (2D CAIPIRINHA), Magn. Reson. Med. 55: 549–556 (2006); Bretschneider C et al., CAIPIRINHA-TrueFISP for accelerated multi-slice parallel imaging, ESMRMB 21st annual meeting: #272 (2004)).
  • In der Magnetresonanzbildgebung wird eine Vielzahl unterschiedlicher Bildgebungssequenzen verwendet. Prinzipiell unterscheidet man zwischen Gradientenecho (GE), Spinecho (SE), RARE (engl.: Rapid Acquisition with und Steady-State) und SSFP(engl.: Steady State Free Precision)-Techniken. Während bei GE- und SE-Sequenzen die angeregte Spinmagnetisierung nach einer Hochfrequenzanregung nur einmal zur Signalakquisition verwendet und anschließend zerstört wird, verwenden RARE- sowie SSFP-Sequenzen eine einmalig angeregte Spinmagnetisierung mehrfach zur Signalakquisition.
  • Bei SSFP-Sequenzen, wie zum Beispiel TrueFISP (engl. True Fast Imaging with Steady State Precission) (Oppelt A et al., FISP – a new fast MRI sequence, Electromedica 54: 15–18 (1986)) wird die angeregte Spinmagnetisierung durch das Schalten von Gradienten sowie durch Applikation weiterer Hochfrequenzimpulse in einem stationären Zustand (engl.: Steady-State) gehalten. Dabei ist die Anwendung von dedizierten Phasenzyklen bei den Hochfrequenzanregungen erforderlich, was einer gezielten Modulation der Spinmagnetisierung während der Akquisition des Faltungsraumes entspricht.
  • Das Verfahren zur mit POMP oder CAIPIRINHA durchgeführten simultanen Multischichtbildgebung kann generell mit allen verfügbaren Sequenztechniken kombiniert werden. Allerdings führt die Implementierung eines POMP/CAIPIRINHA HF-Puls-Phasenzyklus (Modulation der Spinmagnetisierung durch HF-Phasenmodulation) bei SSFP-Sequenzen zu einer Verletzung des stationären Zustands und macht eine Segmentierung der Bildakquisition erforderlich (Bretschneider C et al., CAIPIRINHA-TrueFISP for accelerated multi-slice parallel imaging, ESMRMB 21st annual meeting: #272 (2004)). Dabei muss zwischen der Akquisition zweier Segmente der stationäre Zustand der Spinmagnetisierung in mindestens einer der abzubildenden Schichten in einen anderen stationären, zum ursprünglichen Zustand phasenverschobenen Zustand überführt werden, was üblicherweise durch kurzzeitiges Überführen der Spinmagnetisierung in ihren unangeregten Ausgangszustand (z-Filter) geschieht.
  • Problematisch ist dabei, dass der Übergang von einem stationären Zustand in einen anderen nur relativ langsam oder nur unter bestimmten Voraussetzungen (onresonant) durchgeführt werden kann.
  • Akquisitionstechniken, bei welchen die Aufrechterhaltung eines stationären Zustandes nötig ist, bzw. eine Segmentierung der Akquisition nicht durchgeführt werden kann, können deshalb nicht mit der mit POMP oder CAIPIRINHA durchgeführten simultanen Multischichtbildgebung in ihrer bisher dargestellten Form kombiniert werden.
  • Dies betrifft unter anderem:
    • – Sequenzen mit Magnetisierungspräparation, wie beispielsweise Saturation Recovery(SR)- oder Inversion Recovery(IR)-Sequenzen, bei welchen eine segmentierte Akquisition zu Oszillationen und Unstetigkeiten im k-Raum und damit zu Artefakten im Bild führt.
    • – anderen Sequenzen mit nicht konstanter Magnetisierung (Einzelschuss RARE-Sequenzen), die keine segmentierte Datenaufnahme erlauben ohne damit zu Artefakte im Bild zu erzeugen.
    • – Echtzeit(engl.: Real Time)-Akquisitionstechniken, bei denen ein Wechsel des stationären Zustandes während der Bildakquisition bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des Echtzeitcharakters der Datenakquisition nicht möglich ist.
  • Ein Verfahren, das die mit POMP oder CAIPIRINHA durchgeführte simultane Multischichtbildgebung mit SSFP-Sequenzen derart durchführt, dass der stationäre Zustand während der vollständigen Akquisition eines Bildes aufrechterhalten werden kann, ist derzeit nicht bekannt.
  • Ein derartiges Verfahren wäre beispielsweise in der quantitativen Herzperfusionsbildgebung, bei der bedingt durch das hohe intrinsische SNR und den für die Herzbildgebung günstigen Kontrast hauptsächlich SSFP-Sequenzen mit Magnetisierungspräparation eingesetzt werden, wünschenswert, da dort die Anzahl der nach Kontrastmittelgabe während eines Herzzyklus akquirierbaren Schichten durch den Herzzyklus stark limitiert ist und eine vollständige Abdeckung des Herzens, also eine vollständige Untersuchung aller Bereiche des Herzmuskels mit heutigen Verfahren nicht möglich ist.
  • Aufgabenstellung
  • Die sich aus dem Stand der Technik ergebende Aufgabe, zur Verbesserung der mit POMP/CAIPIRINHA durchgeführten simultanen Multischichtbildgebung, besteht deshalb in der Entwicklung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur simultanen Multischichtbildgebung mit SSFP-Sequenzen, wobei die Modulation der Spinmagnetisierung im Faltungsraum nicht durch Ändern eines stationären Zustands in mindestens einer Schicht erfolgt.
  • Zur Lösung der Aufgabe wurden Verfahrensschritte entwickelt, die in jeder einzelnen abzubildenden Schicht eine zusätzliche Modulation der Spinmagnetisierung unabhängig voneinander ermöglichen. Das Verfahren umfasste die folgenden Schritte:
    • – Entwicklung und Einsatz von Multiband-HF-Pulsen, zur simultanen Hochfrequenzanregung aller darzustellenden Schichten, wobei die Anregung jeder einzelnen Schicht mit einer individuellen, frei wählbaren Phase erfolgt.
    • – Ersetzen der ursprünglich sequenzarchitektonisch vorgegebenen Modulation der Spinmagnetisierung durch eine für jede angeregte Schicht individuell entwickelte Modulation der Spinmagnetisierung mittels Implementierung von Multiband-HF-Pulsen, welche die Anregung jeder einzelnen Schicht mit einer individuellen Phase ermöglichen.
    • – Gegebenenfalls Modifikation der Spulensensitivitätsinformationen entsprechend der Modulation der Spinmagnetisierung zur Gewährleistung einer Bildrekonstruktion mit PPA-Verfahren.
  • Der Kerngedanke der Erfindung besteht in der Verwendung einer modifizierten Modulation der Spinmagnetisierung durch eine gezielte Modulation der Phasen der applizierten HF-Pulse, die einerseits den stationären Zustand der Spinmagnetisierung während der Akquisition des k-Raumes, und damit die architektonische Grundstruktur der Sequenz dahingehend erhält, dass Signal und Kontrastverhalten der Sequenz den Vorgaben entsprechen, und andererseits die Spinmagnetisierung derart moduliert, dass die Abbildungen der simultan angeregten Schichten im FOV in Phasenkodierrichtung gegeneinander verschoben dargestellt werden.
  • Die Multiband-HF-Pulse bzw. die Phase Hochfrequenzanregungen werden so eingesetzt, dass sich in jeder der simultan angeregten Schichten, eine für jede Schicht spezifische Phase der Hochfrequenzanregung ergibt, und gleichzeitig die Bedingung für die Aufrechterhaltung eines stationären Zustandes in jeder der angeregten Schichten gewährleistet ist. In jeder der einzelnen Schichten entsteht ein individueller Phasenzyklus, welcher in jeder der Schichten eine den Phasenzyklen entsprechende individuelle Modulation der Spinmagnetisierung bedingt. Bei der Anwendung von linearen Phasenzyklen werden die einzelnen Schichten im FOV in Phasenkodierrichtung gegeneinander verschoben abgebildet.
  • Im Anschluss an das Bildgebungsexperiment können die sich im Bild eventuell überlappenden Abbildungen der einzelnen Schichten unter Verwendung von PPA-Methoden und entsprechenden Spulensensitivitätsinformationen rekonstruiert werden.
  • Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind darin zu sehen, dass durch die in jeder der abzubildenden Schichten individuell durchgeführte Modulation der Spinmagnetisierung die mit POMP/CAIPIRINHA durchgeführte simultane Multischichtbildgebung, bei gleichzeitiger Erhaltung eines sequenztechnisch vorgesehenen stationären Zustands während des gesamten Bildexperimentes, durchgeführt werden kann, wodurch die Vorteile von POMP bzw. CAIPIRINHA für neue Anwendungen zugänglich werden. Die Vorteile der CAIPIRINHA-Technik sind insbesondere in der Möglichkeit zu sehen, mehrere Schichten gleichzeitig, ohne Verlängerung der Akquisitionszeit akquirieren zu können, wobei der Verlust an SNR unterdrückt oder gering gehalten werden kann.
  • Die Erfinder haben erkannt, dass für die simultane Multischichtbildgebung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Anzahl der benötigten individuellen Phasenzyklen gleich der Anzahl der abzubildenden Schichten ist, wobei einer der Phasenzyklen dem ursprünglich in der Bildgebungssequenz integrierten Phasenzyklus entsprechen kann.
  • Die Phasenzyklen können beliebig gewählt werden, sofern sie für die Bildgebungssequenz die Bedingung des stationären Zustandes erfüllen.
  • Die Erfinder haben weiterhin erkannt, dass das erfindungsgemäße Verfahren auf jede Bildgebungssequenz, die die Aufrechterhaltung eines stationären Zustands erfordert angewendet werden kann.
  • Darüber hinaus haben die Erfinder erkannt, dass das erfindungsgemäße Verfahren sowohl bei der simultanen Anregung von mehreren 3D-Bildgebungsblöcken, als auch mehreren 2D-Bildgebungsschichten angewendet werden kann.
  • Für den Fall, dass die Bildrekonstruktion mit PPA-Techniken durchgeführt wird, ist die zusätzliche Akquisition von Spulensensitivitätsinformationen nötig. Bei der Akquisition der Spulensensitivitätsinformationen muss die Spinmagnetisierung entsprechend der durch das erfindungsgemäße Verfahren eingeführten zusätzlichen Modulation der Spinmagnetisierung zusätzlich moduliert werden. Dabei ist es unerheblich, ob die Spulensensitivitätsinformationen in Form einer Autokalibrierung, einer zusätzlichen Akquisition oder im Verlauf einer dynamischen Akquisition gewonnen werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich experimentell an einem Gerät umsetzen, das die zusätzliche Modulation von Spinmagnetisierung durch eine gezielte Modifikation und Modulation von Hochfrequenzanregungspulsen erlaubt. Zudem erlaubt das Gerät eine Modifikation der Spulensensitivitätsinformationen entsprechend obiger Darstellung.
  • Abschließend wird das Verfahren anhand von Beispielen näher erläutert:
  • Beispiele
  • Anwendungsbeispiel 1
  • 1 zeigt das Schema einer SSFP-Bildgebungssequenz vom Typ TrueFISP (engl.: True Fast Imaging with Steady State Precision) gezeigt. Nach dem Stand der Technik ist die dargestellte Sequenz für Einschichtexperimente anwendbar.
  • In der ersten Zeile des Sequenzschemas sind die Hochfrequenzanregungspulse α mit ihrer jeweiligen Pulsphase gezeigt. In den weiteren Zeilen sind Schichtselektions-, Phasenkodier- und Frequenzkodiergradient dargestellt. Die Signalakquisition erfolgt in dem mit ADC gekennzeichneten Intervall.
  • Zur Aufrechterhaltung des stationären Zustandes alterniert die Phase φ der Hochfrequenzanregung zwischen 0° und 180°, was einem Phaseninkrement von 180° zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hochfrequenzanregungen entspricht. Das in der Grafik eingezeichnete TR (Repetitionszeit) gibt den zeitlichen Abstand zweier aufeinanderfolgender Hochfrequenzanregungen an.
  • 2 zeigt schematisch ein dem Stand der Technik entsprechendes CAIPIRINHA 3-Schicht-2D-Bildgebungsexperiment mit einer TrueFISP-Sequenz. Die Akquisition des k-Raumes erfolgt segmentiert, um in jeder angeregten Schicht das durch die Basissequenz vorgegebene Phaseninkrement von 180° zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hochfrequenzanregungen zu erhalten. Durch die Segmentierung muss das Bildgebungsexperiment in mehrere Teile aufgeteilt werden. Zur Vereinfachung der Darstellung ist lediglich noch die erste Zeile des Sequenzschemas gezeigt. Die während jedes TRs applizierten Gradientenmomente entsprechen den in 1 dargestellten Gradientenmomenten. Die Phasen (φ1/φ2/φ3) der Hochfrequenzanregungen in den 3 Schichten sind bei den HF-Pulsen mit angegeben.
  • 3 zeigt ein 3-Schicht 2D-Bildgebungsexperiment nach dem Verfahren der Erfindung. Die modifizierten Multiband-HF-Pulse erzeugen in jeder abzubildenden Schicht ein individuelles zeitlich konstantes Phaseninkrement zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hochfrequenzanregungen und garantieren so eine Aufrechterhaltung des stationären Zustands, infolgedessen auf eine Segmentierung der Akquisition verzichtet werden kann.
  • 4 zeigt schematisch die kontrollierten Einfaltungen, die bei den in 2 und 3 dargestellten Bildexperimenten entstehen. In 4a sind die Einzelbilder einer konventionellen sequentiellen Einzelschichtbildgebung der drei abzubildenden Schichten gezeigt. Jedes Einzelbild zeigt die Abbildung einer der drei abzubildenden Schichten. Die Ergebnisse der in 2 und 3 dargestellten Multischicht-Techniken sind in 4b bzw. 4c dargestellt. Durch die simultane Anregung der drei abzubildenden Schichten werden alle drei Schichten in einem Bild abgebildet. Die bei der Akquisition des k-Raums in jeder Schicht vorgenommene Modulation der Spinmagnetisierung führt zu der bereits beschriebenen gegenseitigen Verschiebung der Abbildungen im FOV. Sowohl bei der nach dem Stand der Technik (Bretschneider C et al., CAIPIRINHA-TrueFISP for accelerated multi-slice parallel imaging, ESMRMB 21st annual meeting: #272 (2004)), als auch der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführten Messung, treten dieselben Einfaltungseffekte auf. Die beim Vergleich von 4b mit 4c auffallende Verschiebung des gesamten Bildes um 1/6 FOV in Phasenkodierrichtung kann durch eine entsprechende Modulation der Receiverphase ausgeglichen werden.
  • Die Vorteile der Erfindung sind in 5 zusammengefasst. 5a zeigt den zeitlichen Verlauf einer segmentierten Akquisition, wie sie nach dem Stand der Technik durchzuführen ist. Die nötigen Teilexperimente zum Überführen der Magnetisierung in einen nicht angeregten Zustand sind insbesondere zur Vermeidung von Artefakten zeitaufwendig, so dass eine Akquisition dieser Art für Echtzeitexperimente ungeeignet ist. Ein weiteres Problem der segmentierten Akquisition, wie sie nach dem Stand der Technik erforderlich ist, ist in 5b dargestellt. Gezeigt ist der Signalverlauf nach einer Saturation Recovery Magnetisierungspräparation. Wie nach den meisten Magnetisierungspräparationen ist der Signalverlauf nicht konstant. Die segmentierte Akquisition bedingt eine Modulation des Signals im k-Raum in Phasenkodierrichtung, was zu Artefakten im Bild führt. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Segmentierung nicht nötig und die einzelnen k-Raum-Zeilen können linear nacheinander abgetastet werden, wodurch der Signalverlauf im k-Raum in Phasenkodierrichtung dem in der Abbildung gezeigten Signalverlauf nach der Magnetisierungspräparation entspricht. Der Signalverlauf ist somit glatt und erzeugt keine Artefakte.
  • Insgesamt erweitert das erfindungsgemäße Verfahren die Anwendbarkeit der mit POMP/CAIPIRINHA durchgeführten simultanen Multischichtbildgebung auf nicht zur Segmentierung geeignete Sequenzen, die die Spinmagnetisierung refokussieren bzw. die Aufrechterhaltung eines stationären Zustandes erfordern. Insbesondere ist damit die mit POMP/CAIPIRINHA durchgeführte simultane Multischichtbildgebung auch auf Echtzeit-Sequenzen sowie Sequenzen mit Magnetisierungspräparation vom SSFP-Typ anwendbar.
  • Anwendungsbeispiel 2
  • Mittels CAIPIRINHA beschleunigte simultane Mehrschicht-Echtzeit-Bildbebung mit TrueFISP-Sequenzen
  • Einleitung:
  • Bei der mit CAIPIRINHA beschleunigten Multischichtbildgebung wird jede der abzubildenden Schichten mit einem individuellen RF-Phasenzyklus angeregt, wodurch die Abbildungen der Schichten im FOV gegeneinander verschoben werden. Die überlappenden Schichten werden in einem Nachbearbeitungsschritt mittels paralleler Bildgebungstechniken voneinander getrennt. Die Magnetisierung wird bei TrueFISP-Sequenzen in einem stationären Zustand (steady state) gehalten, weshalb sich die Implementierung der CAIPIRINHA-Technik als schwierig erweist (Bretschneider C et al., CAIPIRINHA-TrueFISP for accelerated multi-slice parallel imaging, ESMRMB 21st annual meeting: #272 (2004)). Ziel dieser Arbeit war es, den SNR-Vorteil von TrueFISP-Sequenzen mit der mit CAIPIRINHA beschleunigten Multischichtbildgebung, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des stationären Zustands in jeder der angeregten Schichten, zu vereinen.
  • Methoden:
  • Um die von CAIPIRINHA geforderten RF-Phasenzyklen bei gleichzeitiger Erfüllung der steady state-Bedingung der True-FISP-Sequenz zu erreichen, wurde in jeder der abzubildenden Schichten ein individuelles lineares Phaseninkrement Δn zwischen den aufeinanderfolgenden Multischicht-RF-Pulsen implementiert. In einem Doppelschichtexperiment wurde in der ersten Schicht ein Phaseninkrement Δ1 von +90° (0°, 90°, 180°, 270°, 0°, ... RF-Phasenzyklus), in der anderen Schicht ein Phaseninkrement Δ2 von –90° (0°, 270°, 180°, 90°, 0°, ... RF-Phasenzyklus) gewählt, wodurch die beiden Schichten um ½ FOV gegeneinander verschoben abgebildet wurden.
  • An einem Siemens Symphony 1,5T-Kernspintomographen wurden Phantomexperimente sowie Experimente zur Echzeitbildgebung am menschlichen Herzen durchgeführt. Zur Signalakquisition kam ein 8-Kanal Body-Array zum Einsatz. Die Bildgebung wurde mit „view-sharing” und folgenden Sequenzparametern durchgeführt: FOV: 320×320mm2; Matrix: 128×64; shared phases: 27; Schichtdicke: 10 mm; Schichtabstand: 30 mm; TR 3.3 ms; TE 1.64 ms; Flipwinkel: 33°; 8.2 Bilder/s. Die Bilder der sich überlappenden Schichten wurden mit einem angepassten GRAPPA-Algorithmus (R = 3) rekonstruiert.
  • Ergebnisse:
  • Mit einer angepassten Echt-Zeit-TrueFISP-Sequenz konnten zwei Schichten gleichzeitig akquiriert werden. Anhand der Phantomstudien war erkennbar, dass der Einsatz von CAIPIRINHA zu keiner signifikanten Rauscherhöhung im Bild führt. Durch die simultane Akquisition beider Schichten konnte das SNR im Vergleich zu einer konventionellen sequentiellen Akquisition um einen Faktor Wurzel (2) erhöht werden. Die angepasste GRAPPA-Rekonstruktion konnte die überlappenden Schichten ohne sichtbare Artefakte voneinander trennen (6).
  • Schlussfolgerungen:
  • Ein neuer Ansatz zur Kombination der Multischicht-CAIPIRINHA-Technik mit dem SNR-Vorteil von TrueFISP-Sequenzen wurde vorgestellt. In bisher veröffentlichten Konzepten wurde die Akquisition zur Erfüllung der steady-state-Bedingung segmentiert (2). In dieser Arbeit konnte die Segmentierung durch die Anwendung von dezidierten Phasenzyklen in jeder der einzelnen Schichten vermieden werden. Echtzeit-Anwendungen sind somit realisierbar.
  • Anwendungsbeispiel 3
  • Mit CAIPIRINHA beschleunigte quantitative Multischicht-Herzperfusionsbildgebung mit TrueFISP
  • Einleitung:
  • In der Herzperfusionsbildgebung werden standardmäßig TrueFISP-Sequenzen mit Saturation Recovery (SR) Magnetisierungspräparation angewendet. Sie eignen sich insbesondere aufgrund des hohen intrinsischen SNR sowie des günstige Kontrastverhaltens. Die Anzahl der nach Kontrastmittelgabe während eines Herzzyklus akquirierbaren Schichten ist allerdings durch den Herzzyklus stark limitiert, wodurch eine vollständige Abdeckung des Herzmuskels mit heutigen Verfahren schwer realisierbar ist.
  • Die mit CAIPIRINHA beschleunigte Multischichtbildgebung ermöglicht mittels simultaner Akquisition mehrerer Bildgebungsschichten eine größere Abdeckung des Herzmuskels. Bei ihr wird jede der simultan abzubildenden Schichten mit einem individuellen RF-Phasenzyklus angeregt, wodurch die Abbildungen der Schichten im FOV gegeneinander verschoben werden. Die überlappenden Schichten werden in einem Nachbearbeitungsschritt mittels paralleler Bildgebungstechniken voneinander getrennt.
  • Da die Magnetisierung bei TrueFISP-Sequenzen in einem stationären Zustand (steady state) gehalten wird, gestaltet sich Vereinigung der CAIPIRINHA-Technik mit der Sequenz als schwierig. Bisher vorgestellte Ansätze verwenden eine segmentierte Akquisition, die mit der benötigten Magnetisierungspräparation nicht vereinbar ist. Ziel dieser Arbeit war es, die mit CAIPIRINHA beschleunigte Multischichtbildgebung durch Aufrechterhaltung des stationären Zustands in jeder der angeregten Schichten für die Herzperfusionsbildgebung mit SR TrueFISP-Sequenzen verfügbar zu machen.
  • Methoden:
  • Um die von CAIPIRINHA geforderten RF-Phasenzyklen bei gleichzeitiger Erfüllung der steady state-Bedingung der True-FISP-Sequenz zu erreichen, und so eine Segmentierung der Akquisition überflüssig zu machen, wurde in jeder der abzubildenden Schichten ein individuelles lineares Phaseninkrement Δn zwischen den aufeinanderfolgenden Multischicht-RF-Pulsen implementiert. In einem Doppelschichtexperiment wurde in der ersten Schicht ein Phaseninkrement Δ1 von +90° (0°, 90°, 180°, 270°, 0°, ... RF-Phasenzyklus), in der anderen Schicht ein Phaseninkrement Δ2 von –90° (0°, 270°, 180°, 90°, 0°, ... RF-Phasenzyklus) gewählt, wodurch die beiden Schichten um ½ FOV gegeneinander verschoben abgebildet wurden.
  • An einem Siemens Symphony 1,5T-Kemspintomographen wurden Phantomexperimente sowie quantitative Perfusionsmessungen am menschlichen Herzen durchgeführt. Zur Signalakquisition kam ein 8-Kanal Body-Array zum Einsatz.
  • Die quantitativen Perfusionsmessungen wurden mit der Präbolus-Technik durchgeführt. Die Bildgebung erfolgte im „partial fourier”-Modus mit den folgenden Sequenzparametern: FOV: 350×262.5 mm2; Matrix: 128×80; Schichtdicke: 10 mm; Schichtabstand: 36 mm; TR: 3.2 ms; TE: 1.59 ms; TI: 104 ms; Flipwinkel: 50°; 60 akquirierte Phasenkodierschritte/Bild; Akquisitionszeit/Bild: 205 ms.
  • Der Kontrastmitteldurchfluss wurde mit insgesamt 40 Messungen über 40 Herzzyklen abgetastet, wobei innerhalb jedes Herzzyklus jeweils 3 Doppelschichtexperimente mit jeweils vorangehender SR-Magnetisierungspräparation durchgeführt wurden.
  • Die Bilder der sich überlappenden Schichten wurden mit einem angepassten GRAPPA-Algorithmus (R = 3) rekonstruiert.
  • Ergebnisse:
  • Mit einer angepassten SR-TrueFISP-Sequenz konnte eine quantitative Herzperfusionsmessung mit insgesamt 6 Schichten, wobei jeweils zwei Schichten gleichzeitig akquiriert wurden, durchgeführt werden. Anhand der Phantomstudien war erkennbar, dass der Einsatz von CAIPIRINHA zu keiner signifikanten Rauscherhöhung im Bild führt. Durch die simultane Akquisition von jeweils zwei Schichten konnte die Anzahl der akquirierten Schichten bei gleichzeitiger Beibehaltung des SNR verdoppelt werden. Die angepasste GRAPPA-Rekonstruktion konnte die überlappenden Schichten ohne sichtbare Artefakte voneinander trennen. 7 zeigt eine Herzperfusionsuntersuchung eines menschlichen Herzens. Dargestellt sind 6 innerhalb eines Herzzyklus während des Kontrastmitteldurchlaufs akquirierte Schichten. Schicht 1 und 4, 2 und 5 bzw. 3 und 6 wurden jeweils simultan akquiriert.
  • Schlussfolgerungen:
  • Ein neuer Ansatz zur Kombination der Multischicht-CAIPIRINHA-Technik mit einer SR-TrueFISP-Sequenz wurde vorgestellt. Die vorgestellte Technik ermöglicht durch den Einsatz von dezidierten Phasenzyklen in jeder der angeregten Schichten eine Aufrechterhaltung des steady-state der TrueFISP-Sequenz, wodurch eine Segmentierung der Akquisition vermieden werden kann. Damit ist der Einsatz von Magnetisierungspräparationen möglich und die CAIPIRINHA-Technik zur beschleunigten Multischichtbildgebung kann in der quantitativen Herzperfusionsbildgebung mit TrueFISP eingesetzt werden.
  • Zeichnungen
  • Legende
  • 1 zeigt das Schema einer SSFP-Bildgebungssequenz vom Typ TrueFISP (engl.: True Fast Imaging with Steady State Precision) gezeigt. Nach dem Stand der Technik ist die dargestellte Sequenz für Einschichtexperimente anwendbar.
  • In der ersten Zeile des Sequenzschemas sind die Hochfrequenzanregungspulse α mit ihrer jeweiligen Pulsphase gezeigt. In den weiteren Zeilen sind Schichtselektions-, Phasenkodier- und Frequenzkodiergradient dargestellt. Die Signalakquisition erfolgt in dem mit ADC gekennzeichneten Intervall.
  • Zur Aufrechterhaltung des stationären Zustandes alterniert die Phase φ der Hochfrequenzanregung zwischen 0° und 180°, was einem Phaseninkrement von 180° zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hochfrequenzanregungen entspricht. Das in der Grafik eingezeichnete TR (Repetitionszeit) gibt den zeitlichen Abstand zweier aufeinanderfolgender Hochfrequenzanregungen an.
  • 2 zeigt schematisch ein dem Stand der Technik entsprechendes CAIPIRINHA 3-Schicht-2D-Bildgebungsexperiment mit einer TrueFISP-Sequenz. Die Akquisition des k-Raumes erfolgt segmentiert, um in jeder angeregten Schicht das durch die Basissequenz vorgegebene Phaseninkrement von 180° zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hochfrequenzanregungen zu erhalten. Durch die Segmentierung muss das Bildgebungsexperiment in mehrere Teile aufgeteilt werden. Zur Vereinfachung der Darstellung ist lediglich noch die erste Zeile des Sequenzschemas gezeigt. Die während jedes TRs applizierten Gradientenmomente entsprechen den in 1 dargestellten Gradientenmomenten. Die Phasen (φ1/φ2/φ3) der Hochfrequenzanregungen in den 3 Schichten sind bei den HF-Pulsen mit angegeben.
  • 3 zeigt ein 3-Schicht 2D-Bildgebungsexperiment nach dem Verfahren der Erfindung. Die modifizierten Multiband-HF-Pulse erzeugen in jeder abzubildenden Schicht ein individuelles zeitlich konstantes Phaseninkrement zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hochfrequenzanregungen und garantieren so eine Aufrechterhaltung des stationären Zustands, infolgedessen auf eine Segmentierung der Akquisition verzichtet werden kann.
  • 4 zeigt schematisch die kontrollierten Einfaltungen, die bei den in 2 und 3 dargestellten Bildexperimenten entstehen. In 4a sind die Einzelbilder einer konventionellen sequentiellen Einzelschichtbildgebung der drei abzubildenden Schichten gezeigt. Jedes Einzelbild zeigt die Abbildung einer der drei abzubildenden Schichten. Die Ergebnisse der in 2 und 3 dargestellten Multischicht-Techniken sind in 4b bzw. 4c dargestellt. Durch die simultane Anregung der drei abzubildenden Schichten werden alle drei Schichten in einem Bild abgebildet. Die bei der Akquisition des k-Raums in jeder Schicht vorgenommene Modulation der Spinmagnetisierung führt zu der bereits beschriebenen gegenseitigen Verschiebung der Abbildungen im FOV. Sowohl bei der nach dem Stand der Technik (Bretschneider C et al., CAIPIRINHA-TrueFISP for accelerated multi-slice parallel imaging, ESMRMB 21st annual meeting: #272 (2004)), als auch der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführten Messung, treten dieselben Einfaltungseffekte auf. Die beim Vergleich von 4b mit 4c auffallende Verschiebung des gesamten Bildes um 1/6 FOV in Phasenkodierrichtung kann durch eine entsprechende Modulation der Receiverphase ausgeglichen werden.
  • 5: Vorteile der Erfindung. 5a zeigt den zeitlichen Verlauf einer segmentierten Akquisition, wie sie nach dem Stand der Technik durchzuführen ist. Die nötigen Teilexperimente zum Überführen der Magnetisierung in einen nicht angeregten Zustand sind insbesondere zur Vermeidung von Artefakten zeitaufwendig, so dass eine Akquisition dieser Art für Echtzeitexperimente ungeeignet ist. Ein weiteres Problem der segmentierten Akquisition, wie sie nach dem Stand der Technik erforderlich ist, ist in 5b dargestellt. Gezeigt ist der Signalverlauf nach einer Saturation Recovery Magnetisierungspräparation. Wie nach den meisten Magnetisierungspräparationen ist der Signalverlauf nicht konstant. Die segmentierte Akquisition bedingt eine Modulation des Signals im k-Raum in Phasenkodierrichtung, was zu Artefakten im Bild führt.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Segmentierung nicht nötig und die einzelnen k-Raum-Zeilen können linear nacheinander abgetastet werden, wodurch der Signalverlauf im k-Raum in Phasenkodierrichtung dem in der Abbildung gezeigten Signalverlauf nach der Magnetisierungspräparation entspricht. Der Signalverlauf ist somit glatt und erzeugt keine Artefakte.
  • 6: Ergebnis eines Echtzeitbildgebunsexperiments am menschlichen Herzen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Das Bild zeigt sowohl die Einfaltungen vor der Rekonstruktion mit PPA-Techniken sowie die rekonstruierten Einzelbilder der simultan abgebildeten Schichten
  • 7: Herzperfusionsuntersuchung eines menschlichen Herzens. Dargestellt sind 6 innerhalb eines Herzzyklus während des Kontrastmitteldurchlaufs akquirierte Schichten. Schicht 1 und 4, 2 und 5 bzw. 3 und 6 wurden jeweils simultan akquiriert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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Claims (16)

  1. Verfahren zur Magnetresonanzbildgebung eines Objektes mit SSFP-Sequenzen unter Anwendung von Multiband-HF-Pulsen, zur simultanen Anregung mehrer Schichten eines Objekts, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzanregung jeder einzelnen abzubildenden Schicht des Objekts mit einem individuellen, frei wählbaren Phasenzyklus erfolgen kann, wobei die Bedingung für die Aufrechterhaltung des stationären Zustandes erfüllt ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die in jeder der abzubildenden Schichten des Objekts individuell durchgeführte Hochfrequenzanregung eine zusätzliche Modulation der Spinmagnetisierung erzielt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die simultan angeregten Schichten des Objekts im Sinne der 3D-Bildgebung sowohl in Schichtselektions- als auch in Phasenkodierrichtung mit Phasenkodiergradienten ortskodiert werden können.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgenommene zusätzliche Modulation der Spinmagnetisierung eine Verschiebung der Abbildungen der darzustellenden Schichten im FOV in Phasenkodierrichtung erwirkt.
  5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Multiband-HF-Pulse auch als Präparations-, Sättigungs-, Inversions-, Spinanregungs-, und Refokusierungspulse anwendbar sind.
  6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Segmentierung der Akquisition nicht erforderlich ist, aber durchgeführt werden kann.
  7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bildrekonstruktion mit PPA-Verfahren durchgeführt werden kann, wobei die für die Rekonstruktion erforderlichen Spulensensitivitätsinformationen entsprechend der vorgenommenen zusätzlichen Modulation der Spinmagnetisierung zu modifizieren sind.
  8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur vorgenommenen Modulation der Spinmagnetisierung weitere Modulationen der Spinmagnetisierung im Sinne des CAIPIRINHA-Verfahrens anwendbar sind.
  9. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Modifikationen der vorgenommenen Modulation der Spinmagnetisierung durch Applikation von Sättigungs- oder Inversions-Hochfrequenzanregungspulsen vor oder während der Bildakquisition anwendbar sind.
  10. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur vorgenommenen Modulation der Spinmagnetisierung weitere Modulationen der Spinmagnetisierung durch eine Modulation der Amplitude der Hochfrequenzanregungspulse anwendbar sind.
  11. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur vorgenommenen Modulation der Spinmagnetisierung weitere Modulationen der Spinmagnetisierung durch eine Modulation des Intervalls zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hochfrequenzanregungen anwendbar sind.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder der abzubildenden Schichten des Objekts die Phasendifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hochfrequenzanregungen zeitlich konstant ist.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Akquisitionsreihenfolge der Phasenkodierschritte linear ist.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Akquisitionsreihenfolge der Phasenkodierschritte nicht linear ist.
  15. Gerät zur Magnetresonanzbildgebung eines Objektes mit SSFP-Sequenzen unter Anwendung von Multiband-HF-Pulsen, zur simultanen Anregung mehrer Schichten eines Objekts, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzanregung jeder einzelnen abzubildenden Schicht des Objekts mit einem individuellen, frei wählbaren Phasenzyklus erfolgen kann, wobei die Bedingung für die Aufrechterhaltung des stationären Zustandes erfüllt ist.
  16. Gerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder der abzubildenden Schichten des Objekts die Phasendifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hochfrequenzanregungen zeitlich konstant ist.
DE102008039203A 2008-08-22 2008-08-22 Verfahren zur mit POMP beziehungsweise CAIPIRINHA durchgeführten simultanten Multischicht-Magnetresonenzbildgebung mit SSFP-Sequenzen Withdrawn DE102008039203A1 (de)

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