DE10338075A1

DE10338075A1 - Verfahren zur ortsaufgelösten Messung der B1-Feldverteilung bei MR-Messungen

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Publication number: DE10338075A1
Application number: DE10338075A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Dr. Feiweier; Peter Dr. Heubes
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2003-08-19
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2023-08-20
Also published as: US7038453B2; US20050073304A1; DE10338075B4

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine entsprechende Magnetresonanz-Messeinrichtung zur ortsaufgelösten Messung der magnetischen Hochfrequenzfeldverteilung in Magnetresonanz-Messeinrichtungen (1) beschrieben. Hierzu wird über die Hochfrequenzantenne (12) eine Doppelecho-Hochfrequenzpulssequenz (HFS) mit einem ersten Anregungspuls (HFA) und zwei Refokussierungspulsen (HFR¶1¶, HFR¶2¶) zur Erzeugung eines ersten und zweiten Echos ausgesendet. Zumindest der Anregungspuls (HFA) wird schichtselektiv ausgesendet. In einer mittels des Anregungspulses (HFA) festgelegten Anregungsschicht werden durch Aussendung von geeigneten Gradientenpulsen (GPP, GPF¶1¶, GPF¶2¶) ein erstes Echo-Bild und ein zweites Echo-Bild ortsaufgelöst gemessen. Anhand der Verhältnisse der Amplituden (A¶SE¶, A¶STE¶) des ersten und zweiten Echo-Bilds an den verschiedenen Orten werden jeweils die Feldstärke an den betreffenden Orten in der betreffenden Schicht repräsentierende Flipwinkel (alpha) bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur ortsaufgelösten Messung der magnetischen Hochfrequenzfeldverteilung von von einer Hochfrequenzantenne einer Magnetresonanz-Messeinrichtung ausgesandten Hochfrequenzpulsen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Magnetresonanz-Messeinrichtung mit einer Hochfrequenzantenne und mit entsprechenden Mitteln zur ortsaufgelösten Messung der magnetischen Hochfrequenzfeldverteilung von ausgesandten Hochfrequenzpulsen.
Bei der Magnetresonanztomographie, auch Kernspintomographie genannt, handelt es sich um eine inzwischen weit verbreitete Technik zur Gewinnung von Bildern vom Körperinneren eines lebenden Untersuchungsobjekts. Um mit diesem Verfahren ein Bild zu gewinnen, muss zunächst der Körper bzw. der zu untersuchende Körperteil des Patienten einem möglichst homogenen statischen Grundmagnetfeld (meist als B₀-Feld bezeichnet) ausgesetzt werden, welches von einem Grundfeldmagneten der Magnetresonanz-Messeinrichtung erzeugt wird. Diesem Grundmagnetfeld werden während der Aufnahme der Magnetresonanzbilder schnellgeschaltete Gradientenfelder zur Ortskodierung überlagert, die von sog. Gradientenspulen erzeugt werden. Außerdem werden mit Hochfrequenzantennen Hochfrequenzpulse einer definierten Feldstärke in das Untersuchungsobjekt eingestrahlt. Die magnetische Flussdichte dieser Hochfrequenzpulse wird üblicherweise mit B₁ bezeichnet. Das pulsförmige Hochfrequenzfeld wird daher im Allgemeinen auch kurz B₁-Feld genannt. Mittels dieser Hochfrequenzpulse werden die Kernspins der Atome im Untersuchungsobjekt derart angeregt, dass sie um einen sogenannten „Anregungsflipwinkel" (im Folgenden auch kurz „Flipwinkel" genannt) aus ihrer Gleichgewichtslage parallel zum Grundmagnetfeld B₀ ausgelenkt werden. Die Kernspins präzedieren dann um die Richtung des Grundmagnetfelds B₀. Die dadurch erzeugten Magnetresonanzsignale werden von Hochfrequenzempfangsantennen aufgenommen. Bei den Empfangsantennen kann es sich entweder um die gleichen Antennen, mit denen auch die Hochfrequenzpulse ausgestrahlt werden, oder um separate Empfangsantennen handeln. Die Magnetresonanzbilder des Untersuchungsobjekts werden schließlich auf Basis der empfangenen Magnetresonanzsignale erstellt. Jeder Bildpunkt im Magnetresonanzbild ist dabei einem kleinen Körpervolumen, einem sogenannten „Voxel", zugeordnet und jeder Helligkeits- oder Intensitätswert der Bildpunkte ist mit der aus diesem Voxel empfangenen Signalamplitude des Magnetresonanzsignals verknüpft. Der Zusammenhang zwischen einem resonant eingestrahlten Hochfrequenzpuls mit der Feldstärke B₁ und dem damit erreichten Flipwinkel α ist dabei durch die Gleichung
gegeben, wobei γ das gyromagnetische Verhältnis, welches für die meisten Kernspinuntersuchungen als feststehende Materialkonstante angesehen werden kann, und τ die Einwirkdauer des Hochfrequenzpulses ist. Der durch einen ausgesendeten Hochfrequenzpuls erreichte Flipwinkel und somit die Stärke des Magnetresonanzsignals hängt folglich außer von der Dauer des Pulses auch von der Stärke des eingestrahlten B₁-Feldes ab. Räumliche Schwankungen in der Feldstärke des anregenden B₁-Feldes führen daher zu unerwünschten Variationen im empfangenen Magnetresonanzsignal, die das Messergebnis verfälschen können.
Ungünstigerweise zeigen aber die Hochfrequenzpulse gerade bei hohen magnetischen Feldstärken – die aufgrund des benötigten Magnetgrundfelds B₀ in einem Kernspintomographen zwangsläufig gegeben sind – ein inhomogenes Eindringverhalten in leitfähigen und dielektrischen Medien wie z. B. Gewebe. Dies führt dazu, dass das B₁-Feld innerhalb des Messvolumens stark variieren kann. Um diese Variationen des B₁-Feldes bei der Mes sung, beispielsweise bei einer Justage des B₁-Feldes oder bei einer Auswertung der empfangenen Magnetresonanzsignale berücksichtigen zu können, wäre es sehr vorteilhaft, wenn der Effekt quantitativ bestimmt werden könnte.
Zur Kalibrierung der Hochfrequenzpulsspannung und der mittleren B₁-Amplitude bzw. des mittleren Soll-Flipwinkels, welcher durch den HF-Puls erreicht werden soll, wird derzeit üblicherweise automatisch innerhalb einer sogenannten Justagesequenz der Magnetresonanz-Messeinrichtung eine sogenannte „Transmitter-Justage" durchgeführt. Hierzu wird zunächst innerhalb einer sogenannten „Doppelecho-Hochfrequenzpulssequenz" ein erster Hochfrequenz-Anregungspuls ausgesendet, welcher den Kernspin beispielsweise um einen Flipwinkel α₁ verkippt. Anschließend erfolgt nach einer bestimmten Zeit ein zweiter Puls, ein sogenannter „Refokussierungspuls", der zu einer weiteren Verkippung um 2·α₁ führt. Nach Messung eines ersten Echos (des sogenannten Spin-Echos) wird dann ein weiterer α₁-Refokussierungspuls ausgesandt und ein zweites Echo (das sogenannte stimuliertes Echo) gemessen. Für die Amplituden des gemessenen Spin-Echo-Signals A_SE und des gemessenen stimulierten Echo-Signals A_STE in Abhängigkeit vom Flipwinkel α₁ gilt ASE = eiφsin3(α1) (2a) ASTE = eiφsin3(α1)cos(α1) (2b)
Diese Abhängigkeit ist in 2 graphisch dargestellt. Der mit einer solchen Pulssequenz erreichte Flipwinkel α₁ lässt sich folglich über die Bedingung
aus dem Verhältnis der Amplitude der beiden Echosignale bestimmen. Dieser Flipwinkel α₁ kann mit Hilfe von Gleichung (1) in das eingestrahlte B₁-Feld umgerechnet werden. Bei dieser klassischen Transmitter-Justage muss allerdings beachtet werden, dass das Magnetresonanzsignal aus dem gesamten Anregungsvolumen stammt und nicht nur aus dem an sich relevanten Teil nahe des Isozentrums des Magneten, d. h. der zentralen Stelle im MR-Gerät. Aufgrund der endlichen Bandbreite der Hochfrequenzpulse muss außerdem von einer Flipwinkelverteilung über das angeregte Volumen ausgegangen werden. Daher wird in der Praxis in der Regel zum einen ein schwacher, konstanter Schichtselektionsgradient geschaltet. Dadurch sind die Hochfrequenzpulse schichtselektiv und es wird anstelle des gesamten Anregungsvolumens nur eine zentrale transversale Schicht mit einer Dicke von beispielsweise 10 cm angeregt. Dieser konstante Schichtgradient wird auch während der Datenaufnahme angelegt. Dadurch besteht die Möglichkeit zur räumlichen Auflösung entlang der Schichtnormalen, d. h. entlang der so definierten z-Achse parallel zum B₀-Feld. In der Praxis werden dann die aufgenommenen Echosignale fouriertransformiert und lediglich die zentrale Spalte der transformierten Signale ausgewertet. Diese zentrale Spalte enthält gerade die Signalbeiträge eines ca. 1 mm dicken Schichtabschnitts, innerhalb dessen dann eine beschränkte Pulsbandbreite keine Rolle spielt.
Des Weiteren beeinflusst insbesondere die sogenannte T₁-Relaxation (Längsrelaxation), aufgrund derer die angeregten Kernspins nach und nach wieder parallel zum Grundmagnetfeld zurückkippen (relaxieren), die beiden Echos in unterschiedlicher Form. Dadurch wird das Ergebnis verfälscht. Durch die T₁-Relaxation, welche gewebeabhängig ist, liegt die messbare Amplitude des stimulierten Echos A_STE um den Faktor
niedriger als ohne einen Relaxationseffekt. Dadurch ergibt sich für das Verhältnis der Amplituden in der Realität richtigerweise
Hierbei ist t die Zeitdauer zwischen dem 2. und dem 3. Hochfrequenzpuls. Würde man den Flipwinkel unverändert gemäß Gleichung (3) auswerten, würden für Flipwinkel < 90° systematisch zu große und für Flipwinkel > 90° systematisch zu kleine Werte gemessen. In der Praxis wird daher die Amplitude des stimulierten Echos unter Annahme eines „mittleren" T₁-Werts um ca. 5 % nach oben korrigiert. Darüber hinaus wird das Verfahren iterativ angewendet, bis ein Flipwinkel von a ungefähr gleich 90° gefunden ist. Das heißt, es wird ein zunächst gemessener mittlerer Flipwinkel α₁ als Näherungswert für den tatsächlichen Flipwinkel verwendet, der wegen des Einflusses der T₁-Relaxation nicht exakt messbar ist. Aus dem zunächst gemessenen Flipwinkel α₁ wird dann eine Hochfrequenzpulsspannung geschätzt, die notwendig ist, um einen bestimmten Flipwinkel α₂ = 90° zu erhalten. Es wird dann die gesamte Messung mit dem Soll-Flipwinkel α₂ wiederholt. Dieses Verfahren wird solange iteriert, bis schließlich ein Flipwinkel von α ungefähr 90° erreicht wird. Der Einfluss der T₁-Relaxation ist dann minimal und es ist genau die Hochfrequenzpulsspannung U ermittelt, die notwendig ist, um mit der verwendeten Hochfrequenzpulsform und -dauer einen Flipwinkel von 90° zu generieren.
Da die Transmitter-Justage nur für die zentrale, mittlere Schicht durchgeführt wird, kann dieses Verfahren jedoch nur gewährleisten, dass ein richtiger mittlerer Soll-Flipwinkel bei einer Messung eingestellt wird. Ortsabhängige Variationen des B₁-Felds innerhalb des interessierenden Messvolumens können hierbei aber nicht berücksichtigt werden. Die Justagemethode ist folglich bei den derzeit meist verbreiteten Feldstärken des Grundmagnetfelds von bis zu 1,5 Tesla noch akzeptabel, da hier das B₁-Feld relativ homogen ist. Bei Feldstärken von 3 Tesla, wie sie in neueren Hochfeld-Geräten verwen det werden, ist jedoch eine genauere ortsaufgelöste Bestimmung des B₁-Felds sehr sinnvoll.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Alternative zu dem vorgenannten Stand der Technik zu schaffen, die eine möglichst schnelle ortsaufgelöste Messung der B₁-Feldverteilung bzw. der Flipwinkelverteilung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und durch eine Magnetresonanz-Messeinrichtung gemäß Patentanspruch 12 gelöst.

Bei dem Verfahren wird erfindungsgemäß über die Hochfrequenzantenne eine Doppelecho-Hochfrequenzpulssequenz mit einem ersten Anregungspuls und zumindest zwei dahinter folgenden Refokussierungspulsen zur Erzeugung eines ersten Echos (z. B. eines Spin-Echos) und eines nachfolgenden zweiten Echos (z. B. eines stimulierten Echos) ausgesendet. Dabei wird zumindest der Anregungspuls schichtselektiv ausgesendet. Eine schichtselektive Aussendung wird dadurch erreicht, dass der Anregungspuls mit einer bestimmten Form, vorzugsweise in der Formeiner Sinc-Funktion, und einer passenden Frequenz ausgesendet wird und außerdem parallel ein passender Gradientenpuls ausgesendet wird, so dass der Anregungspuls nur die Spins in der gewünschten definierten Schicht anregt. Es werden dann in einer mittels des schichtselektiv ausgesendeten Anregungspulses festgelegten Anregungsschicht durch Aussendung von geeigneten Gradientenpulsen zur Phasen- oder Frequenzkodierung ein erstes zweidimensionales Echo-Bild und zweites zweidimensionales Echo-Bild ortsaufgelöst gemessen. Eine solche „ortsaufgelöste" Messung der Echo-Bilder ist mit einem Verfahren möglich, bei dem zunächst die beiden Echos durch Abtastung des zeitlichen Verlaufs mit m Datenpunkten mehrmals mit n verschiedenen Amplituden des Phasenkodiergradienten gemessen werden. Das Resultat dieser Messung ist dann eine Datenmatrix mit m Spalten und n Zeilen für jedes der Echos, d. h. des Spin- und des Stimulierten Echos, in der so genannten „Zeitdomäne" (auch "k-Raum" genannt). Diese Matrix wird für jedes Echo einzeln zweidimensional fouriertransformiert. Man erhält damit für jedes Echo ein echtes zweidimensionales Bild mit k·l Pixeln, wobei im allgemeinen m = n = k = l gesetzt wird. Anhand des Verhältnisses der Amplituden des ersten und zweiten Echo-Bildes an den verschiedenen Orten, d.h. für jeden einzelnen Bild-Pixel, werden dann die lokalen Flipwinkel an den betreffenden Orten gemessen. Durch eine solche Messung kann folglich innerhalb der Schicht ortsaufgelöst der Flipwinkel, d.h. eine Flipwinkelverteilung gemessen werden.

Der an einem bestimmten Ort gemessene Flipwinkel ist repräsentativ für das am betreffenden Ort eingestrahlte B₁-Feld, wobei die Abhängigkeit durch Gleichung (1) gegeben ist. D. h. es kann mit Hilfe dieser Gleichung (bei Kenntnis des verwendeten Pulses) beliebig von einer Flipwinkelverteilung in eine B₁-Feldverteilung und umgekehrt umgerechnet werden. Die Begriffe „Flipwinkelverteilung" und „B₁-Feldverteilung" bzw. „Hochfrequenzfeldverteilung" werden daher in dieser Schrift in der Regel synonym verwendet. Dementsprechend ist auch eine Ermittlung einer B₁-Feldverteilung mit einer Ermittlung der entsprechenden Flipwinkelverteilung im Sinne dieser Schrift gleichzusetzen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann folglich in-vivo eine genaue Verteilung des magnetischen Hochfrequenzfeldes bestimmt werden. Dies erlaubt grundsätzlich auch eine entsprechende in-vivo-Justage der B₁-Feldverteilung von Hochfrequenzpulsen während einer Untersuchung.

Bei einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren zur Justage der Feldstärke von Hochfrequenzpulsen, die bei einer Magnetresonanzmessung von einer Antenne der Magnetresonanz-Messeinrichtung ausgesendet werden, wird die Feldstärke in einem bestimmten Volumenbereich eines Untersuchungsobjekts optimiert, wobei während der Optimierung die aktuelle B₁- Feldverteilung in dem bestimmten Volumenbereich nach dem erfindungsgemäßen Messverfahren bestimmt wird. Besonders bevorzugt wird dabei in einem ersten Verfahrensschritt die B₁-Feldverteilung bzw. die Flipwinkelverteilung in dem bestimmten Volumenbereich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt und dann in einem zweiten Verfahrensschritt auf Grundlage der gemessenen Feldverteilung ein Hochfrequenzpuls-Anregungsprofil ermittelt, bei dem die Hochfrequenzverteilung eine bestimmte Form aufweist. Dann erfolgt eine Anregung in einer späteren Messung gemäß dem ermittelten Hochfrequenzpuls-Anregungsprofil. Ein solches zuvor berechnetes Hochfrequenzpuls-Anregungsprofil lässt sich genau einstellen, indem als Anregungspuls ein relativ komplexer, speziell auf Basis der zuvor gemessenen Hochfrequenzverteilung berechneter Anregungspuls unter gleichzeitiger Einstrahlung eines ebenfalls sehr komplexen für diesen Fall berechneten passenden Gradientenpulses eingestrahlt wird. Eine derartige Möglichkeit zur Einstrahlung eines definierten räumlichen Anregungsprofils wird z. B. in einem Artikel von Sersa et al. im Journal of Magnetic Resonanz 135; 466 bis 477 (1998) beschrieben.

Eine erfindungsgemäße Magnetresonanz-Messeinrichtung muss insbesondere eine Feldverteilungs-Messeinrichtung aufweisen, welche zur ortsaufgelösten Messung der magnetischen Hochfrequenzverteilung die Aussendung einer entsprechenden Doppelecho-Hochfrequenzpulssequenz mit einem ersten Anregungspuls und zumindest zwei dahinter folgenden Refokussierungspulsen zur Erzeugung eines ersten Echos und eines nachfolgenden zweiten Echos über die Hochfrequenzantenne veranlasst. Hierbei muss die Feldverteilungs-Messeinrichtung dafür sorgen, dass zumindest der Anregungspuls schichtselektiv ausgesendet wird und dass dann in einer mittels des schichtselektiven Anregungspulses festgelegten Anregungsschicht unter Aussendung von geeigneten Gradientenpulsen zur Phasen- und/oder Frequenzkodierung ein erstes Echo-Bild und ein zweites Echo-Bild ortsaufgelöst gemessen wird. Die Feldverteilungs-Messeinrichtung muss weiterhin entsprechende Mittel aufwei sen, um anhand des Verhältnisses der an den jeweils verschiedenen Orten gemessenen Amplituden des ersten und zweiten Echo-Bildes den Flipwinkel an den betreffenden Ort zu bestimmen.

Die Feldverteilungs-Messeinrichtung ist vorzugsweise in die übliche Steuereinrichtung, die zur Steuerung der Magnetresonanz-Messeinrichtung genutzt wird, integriert. Die Feldverteilungs-Messeinrichtung kann auch mehrteilig ausgebildet sein, d. h. aus verschiedenen Modulen bestehen, welche beispielsweise in den unterschiedlichsten Komponenten der Steuereinrichtung integriert sind. Vorzugsweise erfolgt die Realisierung in Form eines Softwaremoduls, welches als B₁- bzw. Flipwinkelverteilungs-Messprogramm innerhalb einer rechnergestützten Steuereinrichtung der Magnetresonanz-Messeinrichtung aufgerufen werden kann. Unter rechnergestützter Steuereinrichtung ist hierbei eine Steuereinrichtung zu verstehen, welche mit einem geeigneten Prozessor sowie weiteren Komponenten ausgestattet ist, um die vorgesehenen Steuerprogramme auszuführen.

Die abhängigen Ansprüche enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, wobei insbesondere die erfindungsgemäße Magnetresonanz-Messeinrichtung auch analog zu den Merkmalen der abhängigen Ansprüche des erfindungsgemäßen Verfahrens weitergebildet sein kann.

Prinzipiell können sämtliche Hochfrequenzpulse der Doppelecho-Hochfrequenzpulssequenz, d. h. sowohl der Anregungspuls als auch die nachfolgenden Refokussierungspulse, schichtselektiv ausgesendet werden. Jedoch ist zu beachten, dass ein schichtselektiv ausgesendeter Puls wegen der speziell hierfür benötigten Pulsform und des gleichzeitig ausgesendeten Schichtselektionsgradienten immer eine Anregungsverteilung, d. h. eine Flipwinkelverteilung entlang der Schichtnormalen erzeugt. Diese durch den schichtselektiven Puls selbst er zeugte Flipwinkelverteilung ist der an sich zu vermessenden Flipwinkelverteilung, die durch das inhomogene B₁-Feld erzeugt wird, überlagert. Dies kann zu systematisch verfälschten Resultaten bei der Bestimmung des allein durch die elektrischen Eigenschaften des Untersuchungsobjekts verzerrten Eindringverhaltens des B₁-Felds führen.

Daher wird bei einer besonders bevorzugten Variante des Verfahrens innerhalb der Doppelecho-Hochfrequenzpulssequenz nur der Anregungspuls schichtselektiv ausgesendet. Die Refokussierungspulse werden dagegen nicht-schichtselektiv ausgesendet. Für die Amplituden des ersten Echos und des zweiten Echos gilt dann analog zu den Gleichungen (2a) und (2b) ASE = eiφsin(β)sin2(α) (5a) ASTE = eiφsin(β)sin2(α)cos(α) (5b)

Hierbei soll β der durch den Anregungspuls erzeugte Soll-Flipwinkel und α der durch die nicht-schichtselektiven Refokussierungspulse erreichte Flipwinkel sein, d. h. es würde eine Hochfrequenzpulssequenz der Form β – 2α – Echo 1 – α – Echo 2 abgesendet. Der Anregungspuls und die Refokussierungspulse können hierbei auch so gewählt werden, dass die Flipwinkel β und α den gleichen Wert haben. Dies ist in der Regel aber nicht zwingend notwendig der Fall. Die unterschiedlichen Bezeichnungen α und α wurden in erster Linie deshalb so gewählt, um darzustellen, dass es sich bei dem einen Puls um einen schichtselektiv ausgesendeten Puls handelt und bei den weiteren Pulsen um nicht-schichtselektive Pulse.

Unter der Voraussetzung, dass nur der Flipwinkel β wegen des schichtselektiv ausgesendeten Anregungspulses längs der Schichtnormalen, d. h. in z-Richtung variiert, ergibt sich ASE = ∫dzeiφsin(β(z))sin2(α) = eiφsin2(α)c (6a) ASTE = ∫dzeiφsin(β(z))sin2(α) = eiφsin2(α)cos(α)c (6b)mit dem konstanten Faktor c = ∫dzsin(β(z)).

Für das Verhältnis der beiden Amplituden gilt daher nach wie vor Gleichung (3). Es lässt sich folglich auch bei dieser Pulssequenz der Flipwinkel a durch das Verhältnis der Amplitude des stimulierten Echos zur Amplitude des Spin-Echos schichtselektiv – d. h. in einer durch den Anregungspuls festgelegten Schicht – bestimmen, ohne dass das Ergebnis durch eine durch die Hochfrequenzpulse erzeugte Flipwinkelverteilung entlang der Schichtnormalen verfälscht wird.

Um die Vermessung eines größeren, aus mehreren dünnen Schichten bestehenden Volumens zu beschleunigen, wird vorzugsweise eine Mehrschichtmessung durchgeführt. Dabei werden innerhalb der Doppelecho-Hochfrequenzpulssequenz zunächst mehrere aufeinander folgende Anregungspulse schichtselektiv ausgesendet, durch welche jeweils Spins in unterschiedlichen Schichten angeregt werden. Den Anregungspulsen folgend, werden dann für alle Schichten gemeinsam die nicht-schichtselektiven Refokussierungspulse zur Erzeugung von ersten Echos und zweiten Echos in den verschiedenen Schichten ausgesendet. Auf diese Weise wird erreicht, dass trotz der Verwendung nichtselektiver Hochfrequenzpulse innerhalb der Repetitionszeit Signale aus mehreren Schichten parallel und unabhängig voneinander gemessen werden können. Ansonsten müsste nach der Aufnahme der Signale einer Schicht die gesamte Repetitionszeit abgewartet werden, was mit einer erheblich höheren Gesamtmesszeit verbunden wäre.

Um den Einfluss der T₁-Relaxationszeit auf die Messergebnisse zu reduzieren, kann grundsätzlich wie bei der klassischen Transmitter-Justage ein mittlerer T₁-Wert angenommen werden und die Amplitude des stimulierten Echosignals mit einem entsprechenden Korrekturfaktor berichtigt werden, bevor aus der Amplitude des stimulierten Echos und des Spin-Echos der Flip winkel α bestimmt wird. Entsprechende Korrekturwerte sind aus der Literatur bekannt, wobei in der Regel davon ausgegangen wird, dass die Relaxationsdauer T₁ zwischen 300 ms und 500 ms beträgt. Da die T₁-Relaxation gewebeabhängig ist, kann bevorzugt auch der Korrekturfaktor in Abhängigkeit von einem an dem betreffenden Ort befindlichen Materialtyp eines untersuchten Untersuchungsobjekts gewählt werden. D. h. es wird beispielsweise zunächst bestimmt, um welchen Gewebetyp es sich handelt, und daraufhin ein passender Korrekturfaktor gewählt.

Bei einem alternativen, besonders bevorzugten Verfahren wird zur Reduzierung des Relaxationseinflusses für dieselbe Schicht mehrfach eine Flipwinkelverteilung ortsaufgelöst gemessen. Dabei werden durch die verwendeten Pulssequenzen jeweils unterschiedliche Soll-Flipwinkel vorgegeben. Die gemessenen Flipwinkelverteilungen bzw. Feldverteilungen in der betreffenden Schicht werden dann pixelweise kombiniert.

Hierbei reicht es grundsätzlich aus, wenn bei den Messungen nur die im zentralen Bereich des Fourier-Raums (auch k-Raum genannt) liegenden Zeilen mehrfach aufgenommen werden und die übrigen, außen liegenden Zeilen nur einmal für alle Messungen der betreffenden Schicht aufgenommen werden. Dabei ist zu beachten, dass – auch wenn nur die im Fourier-Raum im zentralen Bereich liegenden Zeilen aufgenommen werden – dennoch bei jeder Messung die gesamte Schicht im Ortsraum berücksichtigt wird. Bei dieser Vorgehensweise wird ausgenutzt, dass im mittleren Bereich des k-Raums die kleineren Ortsfrequenzen abgebildet sind, d.h. Stellen, die die Informationen über großflächige, relativ homogene Bereiche im Ortsraum kodieren. Dagegen werden insbesondere Kanten mit starken Intensitätswechseln durch die Fourier-Transformation in den äußeren k-Raumzeilen abgebildet. Durch mehrfache Messung nur der im zentralen Bereich liegenden Zeilen des k-Raums werden folglich in erster Linie die Bereiche mehrfach gemessen, welche großflächig und relativ homogen sind. Ausgehend von einer zu meist räumlich langsam variierenden Verteilung des transmittierten B₁-Feldes genügt die Aufnahme dieser Informationen zur Ermittelung einer B₁-Karte, die benötigte Messzeit reduziert sich dabei erheblich.

Für eine Kombination der in den verschiedenen Messungen derselben Schicht aufgenommenen Flipwinkelverteilung bzw. Feldverteilung gibt es verschiedene Möglichkeiten.

Bei einer bevorzugten Alternative wird unter den in den verschiedenen Messungen an dem betreffenden Ort jeweils gemessenen Flipwinkeln genau derjenige ausgewählt, der die geringste Differenz zu einem 90°-Flipwinkel aufweist, da bei einem Flipwinkel nahe 90° der T₁-Einfluss am geringsten ist. Zusätzlich wird berücksichtigt, ob zumindest eines der zur Ermittlung des betreffenden Flipwinkels an diesem Ort gemessenen Signale eine ausreichend hohe Intensität aufweist. Vorzugsweise wird dabei auf die Amplitude des Spin-Echos geachtet, da dieses Echo ohnehin stärker ist. Es kann prinzipiell aber auch die Amplitude des stimulierten Echos oder eine Summe der Amplituden etc. berücksichtigt werden. Es wird dann der ausgewählte Flipwinkel in normierter Form für den betreffenden Pixel in der korrigierten Flipwinkelverteilung herangezogen. Die Normierung erfolgt dabei auf Basis des Verhältnisses des bei der zugehörigen Messung eingestellten Soll-Flipwinkels (im Folgenden Mess-Flipwinkel genannt) zu einem bestimmten vorgegebenen Soll-Flipwinkel. Es bietet sich an, hierfür einen Soll-Flipwinkel von 90° auszuwählen.

Alternativ kann bei der Kombination der gemessenen Flipwinkelverteilungen auch aus den in den verschiedenen Messungen gemessenen Flipwinkeln pixelweise ein vorzugsweise mit der Intensität und/oder der Differenz des gemessenen Flipwinkels zu einem 90°-Flipwinkel gewichteter Mittelwert gebildet werden. Bei dieser Mittelwertbildung werden sinnvollerweise auch wieder die auf einen ausgewählten Soll-Flipwinkel normierten Flipwinkel herangezogen.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten und Pulse mit identischen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
1 ein Pulsschema zur ortsaufgelösten Vermessung einer einzelnen Schicht,
2 eine Darstellung der Amplitude eines Spin-Echosignals und eines zugehörigen stimulierten Echosignals in Abhängigkeit vom Flipwinkel,
3 ein Pulsschema zur parallelen ortsaufgelösten Vermessung mehrerer Schichten,
4 ein Flussdiagramm zur Darstellung des Ablaufs eines Korrekturverfahrens zur Kompensation des T₁-Relaxationseinflusses,
5 eine detailliertere schematische Darstellung einer ersten Variante des letzten Verfahrensschritts in 4,
6 eine detailliertere schematische Darstellung einer zweiten Variante des letzten Verfahrensschritts in 4,
7 eine detailliertere schematische Darstellung einer dritten Variante des letzten Verfahrensschritts in 4.
8 eine schematische Darstellung der Kombination dreier gemessener ortsaufgelöster Flipwinkelverteilun gen in einer kombinierten Verteilung gemäß der Variante nach den 4 und 5,
9 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Flipwinkels in Abhängigkeit vom korrekten Flipwinkel im Vergleich mit einem theoretischen Idealwert,
10 eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgenommene B₁-Feldverteilung einer Phantom-Flasche im sagittalen Schnitt,
11 eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgenommene B₁-Feldverteilung einer Phantom-Flasche im transversalen Schnitt,
12 eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgenommene B₁-Verteilung im Kopf eines Probanden im sagittalen Schnitt,
13 eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgenommene B₁-Verteilung im Kopf eines Probanden im transversalen Schnitt.
14 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Magnetresonanz-Messeinrichtung.
In dem in 1 dargestellten Pulssequenzschema sind in üblicher Weise auf parallelen Zeit-Achsen die von der Hochfrequenzsendeantenne ausgesendeten Pulse und die in zeitlicher Abhängigkeit von den Hochfrequenzpulsen passend geschalteten verschiedenen Gradienten dargestellt.
Die von der Hochfrequenzsendeantenne ausgesendeten Hochfrequenzpulse sind dabei auf der mit RF (Radio Frequency) bezeichneten obersten Achse dargestellt. Der darunter dargestellte Gradient Gs ist der sogenannte Schichtselektions- oder Slice-Selection-Gradient, welcher in z-Richtung angelegt wird und für eine Selektion einer bestimmten Schicht beim Anregen der Spins sorgt. Darunter befindet sich der sogenannte Phasenkodierungsgradient (Phase-Encoding-Gradient) Gp, welcher für eine Phasen-Kodierung sorgt. Dieser Phasenkodierungsgradient wird während einer Messung sehr schnell auf verschiedene Werte durchgeschaltet. Der dritte Gradient Gr ist der sogenannte Read-Out- oder Frequency-Encoding-Gradient, welcher angelegt wird, um in einer bestimmten Schicht frequenzkodiert Signale auszulesen. Insgesamt kann durch entsprechende Schaltung des Phasenkodierungsgradienten Gp und Read-Out-Gradienten Gr eine ortsaufgelöste Messung von Signalen innerhalb der durch den Schichtselektionsgradienten Gs (mit-)bestimmten Schicht erfolgen. Der genaue Ablauf der Phasenkodierung und Frequenzkodierung zur ortsauflösenden Messung innerhalb einer Schicht sowie die Darstellung in einem solchen Sequenzschema sind dem Fachmann bekannt und werden daher hier nicht weiter erläutert. Auf der untersten Zeitachse ist das vom ADC (Analog Digital Converter; Analog-Digital-Wandler) tatsächlich gemessene Signal dargestellt.
Wie das in 1 dargestellte Hochfrequenzpulssequenzschema zeigt, wird zur ortsaufgelösten Vermessung zunächst über die Hochfrequenzantenne des Magnetresonanzgeräts schichtselektiv ein erster Anregungspuls HFA ausgesendet, welcher dafür sorgt, dass in einer genau definierten Schicht z. B. senkrecht zur Feldrichtung des B₀-Feldes (z-Richtung) die Spins um einen Flipwinkel β verkippt werden. Die Schichtselektion wird dadurch erreicht, dass zum einen parallel zur Aussendung des Hochfrequenzpulses HFA ein in z-Richtung wirkender Gradientenpuls GSP ausgesendet wird und die Frequenz und die Form des Anregungspulses HFA in geeigneter Weise gewählt wird. Vorzugsweise wird wie dargestellt eine Sinc-Funktion-Pulsform gewählt.
Der zweite Puls innerhalb der Doppelecho-Hochfrequenzpulssequenz HFS, welcher über die Hochfrequenzantenne ausgesendet wird, ist ein Refokussierungspuls HFR₁, dessen Amplitude und Zeitdauer so gewählt sind, dass ein Flipwinkel von 2α erreicht würde. Anschließend erfolgt nach einer definierten Zeitspanne die Aussendung eines weiteren Refokussierungspulses HFR₂, welcher von der Amplitude und der Zeitdauer so gewählt ist, dass ein Flipwinkel α erreicht würde.
Wie das Diagramm zeigt, sind die Refokussierungspulse HFR₁ und HFR₂ – anders als der Anregungspuls HFA – einfache Rechteckpulse. Eine parallele Schaltung des Slice-Selection-Gradienten Gs erfolgt nicht, so dass die Refokussierungspulse HFR₁, HFR₂ nicht-schichtselektiv ausgesendet werden. Es wird im Schichtgradienten Gs lediglich unmittelbar nach dem ersten Schichtgradientenpuls GSP, welcher zur Schichtselektion für den Anregungspuls HFA erforderlich ist, ein kurzer negativer Gradientenpuls gesendet, um die durch den Schichtgradientenpuls GSP zwangsläufig erzeugte, unerwünschte Dephasierung der Magnetisierung wieder zurückzusetzen.
Zwischen dem Anregungspuls HFA und dem ersten Rephasierungspuls HFR₁ wird der Phasenkodierungsgradient geschaltet, wobei der Gradientenpuls bei aufeinanderfolgenden Repetitionen der Pulsfolge mit unterschiedlichen Amplituden wiederholt wird. Dies ist durch die mehrfach überlagerten Pulse zu einem einzigen Puls GPP dargestellt.
Nach dem ersten Refokussierungspuls HFR₁ wird dann ein erster Frequenzkodierungsgradientenpuls GPF₁ geschaltet, um das erste Echo, das Spin-Echosignal SE, zu generieren. Ein zweiter frequenzkodierter Gradientenpuls GPF₂ erfolgt dann nach dem zweiten Refokussierungspuls HFR₂, um das zweite Echo, das stimulierte Echosignal STE, zu generieren. Der den beiden frequenzkodierten Gradientenpulsen GPF₁, GPF₂ vorgeschaltete Gradientenpuls, welcher zum Teil zeitgleich mit dem phasenkodierten Gradientenpuls GPP geschaltet wird, dient hier lediglich dazu, um die Spins in Richtung des Lesegradienten Gr vorab zu dephasieren und damit eine Refokussierung der Echos während der Auslesezeit bei Anliegen der Frequenzcodierungs- Gradientenpulse GPF₁, GPF₂ zu erreichen. Dieser Puls ist in der Regel nur halb so lang wie die eigentlichen frequenzcodierten Gradientenpulse GPF₁ und GPF₂.
Wie aus 1 zu ersehen ist, ist die Amplitude des stimulierten Echosignals STE kleiner als die des Spin-Echosignals SE. Die Amplituden A_STE und A_SE in Abhängigkeit vom Flipwinkel α sind in 2 dargestellt. Die in 2 gezeigte Funktion gilt für eine Hochfrequenzpulssequenz, bei der der Wert des Flipwinkels β des Anregungspulses HFA mit dem Flipwinkel α der Refokussierungspulse HFR₁, HFR₂ übereinstimmt.
Wie eingangs bereits erläutert, lässt sich aufgrund dieser Flipwinkelabhängigkeit aus dem Verhältnis der Echo-Amplituden A_SE, A_STE der Flipwinkel α gemäß den Gleichungen (5a), (5b), (6a), (6b) und (3) bestimmen.
Mit der Pulssequenz gemäß 1 und der entsprechenden Auswertung der Amplitudenverhältnisse lässt sich daher relativ einfach der Flipwinkel α und somit die Verteilung des B₁-Feldes in einer einzelnen Schicht bestimmen.
Die Sequenz kann dann für jede einzelne Schicht wiederholt werden. Um die Zeitdauer für die Messung eines größeren Volumens zu verringern, können auch zunächst nacheinander mehrere Hochfrequenz-Anregungspulse unter Schaltung eines entsprechenden schichtselektiven Gradienten Gs ausgesendet werden. Ein solches „Multi-Slice-Verfahren" ist in 3 für die gleichzeitige Messung dreier Schichten schematisch dargestellt. Hier werden zunächst über die Hochfrequenzsendeantenne nacheinander drei Anregungspulse HFA₁, HFA₂, HFA₃ ausgesendet, während parallel dazu über die Aussendung aller drei Hochfrequenz-Anregungspulse HFA₁, HFA₂, HFA₃ hinweg ein Schichtgradientenpuls GSP ausgesendet wird.
Unmittelbar anschließend an den Schichtgradientenpuls GSP erfolgt dann die Aussendung der phasenkodierenden Gradienten pulse GPP, wie bei der Messsequenz nach 1. Anschließend wird über die Hochfrequenzsendeantenne ein erster nichtschichtselektiver Hochfrequenz-Refokussierungspuls HFR₁ ausgesendet.
Dann erfolgt die Schaltung eines ersten frequenzkodierten Gradientenpulses GPF₁. Während dieser Gradientenpuls GPF₁ ausgesendet wird, können am ADC drei aus den verschiedenen Schichten ankommende Spin-Echosignale SE₃, SE₂, SE₁ gemessen werden. Dabei kommt das erste Spin-Echosignal SE₃ aus der Schicht, welche zuletzt angeregt wurde. Zum Schluss wird das Spin-Echosignal SE₁ aus der Schicht aufgefangen, welche zuerst mittels des ersten Hochfrequenz-Anregungspulses HFA₁ angeregt wurde.
Anschließend wird wieder ein zweiter Hochfrequenz-Refokussierungspuls HFR₂ ausgesendet und ein zweiter frequenzkodierter Gradientenpuls GPF₂ geschaltet, um die Signale STE₃, STE₂, STE₁ der stimulierten Echos zu messen.
Die in 3 nicht bezeichneten Gradientenpulse im schichtselektiven Gradienten Gs und im frequenzkodierten Gradienten Gr dienen dazu, Rephasierungs- bzw. Dephasierungseffekte zu eliminieren.
Das Anregungsschema gemäß 3 lässt sich auch auf eine gleichzeitige Messung von mehr als drei Schichten erweitern.
Wie bereits eingangs erläutert, beeinflusst die Längsrelaxationszeit T₁ insbesondere die Höhe der Amplitude A_STE des stimulierten Echosignals STE. Dies kann zu einem systematischen Messfehler führen. Um diesen Einfluss der Relaxationszeit T₁ auch soweit wie möglich zu minimieren, wird eine Reihe von Messungen mit verschiedenen Soll-Flipwinkeln (Mess-Flipwinkeln) durchgeführt. Aus den dabei gemessenen einzelnen Flipwinkelverteilungen bzw. Feldverteilungen (im Folgenden auch B₁-Karten genannt) wird dann eine gemeinsame, vom Einfluss der Relaxationszeit so weit wie möglich befreite B₁-Karte für jede zu messende Schicht generiert.
Dieses Verfahren ist in den 4 bis 7 anhand von Ablaufplänen dargestellt, wobei 4 im Wesentlichen den Messvorgang beschreibt und die 5 bis 7 jeweils verschiedene Möglichkeiten zur Zusammensetzung einer B₁-Karte aus den verschiedenen, für dieselbe Schicht gemessenen B₁-Karten zeigen.
Bei einer Messung wird dabei zunächst gemäß 4 in einem ersten Verfahrensschritt ein Schätzwert U₀ für diejenige HF-Pulsspannung ermittelt, mit der im betrachteten Volumen mit einem definierten Hochfrequenzpuls ein mittlerer Soll-Flipwinkel α_soll von ungefähr 90° erreicht würde. In einem zweiten Verfahrensschritt wird dann auf Grundlage des Schätzwertes U₀ die Spannung U der Hochfrequenzpulse der Messsequenz mit einem Soll-Flipwinkel α berechnet, wobei im einfachsten Fall auch für α ein Wert von 90° gewählt werden kann. Da die Messsequenz mit mehreren HF-Pulsen arbeitet, die verschiedene Pulsamplituden haben können, wird dabei für jeden Puls individuell die Spannung bzw. der Soll-Flipwinkel passend eingestellt.
Anschließend werden in einer Schleife, welche mehrere Verfahrensschritte umfasst, mehrfach Messungen mit verschiedenen Mess-Flipwinkeln durchgeführt. Laufvariable ist bei der Darstellung in 4 die Variable i, die zunächst vor Beginn der Schleife auf 1 gesetzt wird und von 1 bis i_max, beispielsweise bei drei Messungen bis i_max = 3 läuft.
Innerhalb der Schleife wird zunächst im ersten Verfahrensschritt die Spannung U mit einem vorgegebenen Skalierungsfaktor SF_i skaliert, d. h. es wird die aktuell in dieser Messung zu verwendende Spannung U_i = SF_i·U berechnet. Da der Flipwinkel linear von der verwendeten Pulsspannung abhängt, ist dementsprechend der aktuelle Mess-Flipwinkel α_i' = SF_i·α. Der Faktor SF_i wird mit jedem Durchlauf verändert. So könnte z. B. bei einer dreifachen Messung zunächst eine Messung mit einem Faktor SF_i = 0,5 erfolgen, d. h. es wird mit halber Pulsspannung gemessen. Der Mess-Flipwinkel der ersten Messung beträgt dementsprechend 0,5·α. Anschließend wird beispielsweise eine Messung durchgeführt, bei der der Mess-Flipwinkel α_i' dem Soll-Flipwinkel α = 90° entspricht. Hierzu wird ein Skalierungsfaktor von 1,0 gewählt. Anschließend wird eine dritte Messung mit einem Skalierungsfaktor SF_i = 1,5 durchgeführt. Dementsprechend gilt dann für den Mess-Flipwinkel α_i'= 1,5·α. Dabei werden vorzugsweise alle Flipwinkel der Messung, zumindest aber diejenigen der Refokussierungspulse, mit dem gewählten Faktor skaliert.
Im darauffolgenden Schritt erfolgt dann jeweils die Messung der B₁-Karte mit der betreffenden Pulsspannung U_i, wobei der jeweilige Ist-Flipwinkel α_i'(r) am Ort r mit einer Intensität I_i(r) gemessen wird. Diese B₁-Karte wird dann im nächsten Verfahrensschritt auf die ursprüngliche Hochfrequenzpulsspannung U, mit der der Soll-Flipwinkel α erreicht würde, wieder umskaliert, d.h. die gemessenen Flipwinkel werden auf den Soll-Flipwinkel α normiert. Dies erfolgt durch eine Umrechnung der Werte gemäß der Gleichung α_i(r) = α_i'(r)·1,0/SF_i.
Am Ende der Schleife erfolgt dann eine Abfrage der Laufvariablen i, um zu klären, ob die maximale Anzahl der Messungen bereits durchgeführt wurde. Ist dies nicht der Fall, so wird im nächsten Verfahrensschritt die Laufvariable i um 1 erhöht und die nächste Messung durchgeführt.
Andernfalls werden im darauffolgenden Verfahrensschritt die B₁-Karten, welche jeweils für jeden Ort bzw. jeden Pixel r den entsprechenden Flipwinkel α_i(r) enthalten, zu einer gemeinsamen B₁-Karte zusammengesetzt, welche an einem bestimmten Pixel r einen bestimmten, auf Basis der einzelnen α_i(r) erzeugten Flipwinkel α(r) enthält.
Ein Entscheidungskriterium ist dabei jeweils, dass α_i'(r), d. h. der tatsächlich gemessene Flipwinkel an dem jeweiligen Ort, möglichst nah bei 90° liegt und dass außerdem bei der betreffenden Messung eine ausreichende Signalintensität I_i(r) vorlag. Die Kriterien sind deswegen so gewählt, weil bei Flipwinkeln in der Nähe von 90° der Einfluss der Relaxationszeit T₁ prinzipiell sehr gering ist und diese Flipwinkel folglich mit besonders hoher Genauigkeit bestimmt werden können. Da in den Bildern verschiedene Mess-Flipwinkel verwendet werden, liegen die Regionen, in denen die tatsächlich erreichten Ist-Flipwinkel nahe 90° liegen, in jedem der Bilder naturgemäß an einem anderen Ort.
Durch die Zusammenfassung der so mit verschiedenen Mess-Flipwinkeln gemessenen B1-Karten kann somit dafür gesorgt werden, dass an jedem Pixel der beste Messwert mit dem geringsten T₁-Einfluss verwendet wird. Das heißt, es wird aus z. B. drei B₁-Karten, in denen jeweils in bestimmten (aber unterschiedlichen) Bereichen die Messergebnisse durch die Relaxationszeit T₁ verfälscht sind, eine gemeinsame, weitgehend vom T₁-Einfluss befreite B₁-Karte generiert.
Eine Möglichkeit dieser pixelweisen Kombination wird in 5 gezeigt. In 5 wird der Einfachheit halber von nur drei verschiedenen Messungen ausgegangen. Das Verfahren lässt sich aber auch mit nur zwei Messungen durchführen oder auf eine beliebige Anzahl von Messungen erweitern.
Im dort dargestellten Verfahren wird für jeden einzelnen Ort bzw. Pixel r zunächst festgestellt, ob der in der ersten Messung gemessene Ist-Flipwinkel α₁'(r) näher an 90° liegt als der in der zweiten Messung gemessene Ist-Flipwinkel α₂'(r) und der in der dritten Messung gemessene Ist-Flipwinkel α₃'(r). Zusätzlich wird geprüft, ob die in der ersten Messung an diesem Ort gemessene Intensität I₁(r) ausreicht. In diesem Fall wird der entsprechend normierte Flipwinkel α₁(r) als tatsächlich an diesem Ort gegebener Flipwinkel α(r) in die kombinierte B₁-Karte übernommen. Ist dies nicht der Fall, wird geprüft, ob der in der zweiten Messung gemessene Flipwinkel α₂'(r) kleiner ist als der in der dritten Messung gemessene Flipwinkel α₃'(r) und ob die in der zweiten Messung gemessene Intensität I₂(r) ausreichend ist. Ist dies der Fall, wird der entsprechend normierte Flipwinkel α₂(r) als der tatsächlich an dem betreffenden Ort r vorliegende Flipwinkel α(r) verwendet. Andernfalls wird schließlich der entsprechend normierte Wert α₃(r) aus der dritten Messung übernommen.
Dieses Verfahren ist auch noch einmal schematisch in 8 dargestellt. Jedes der Felder in der obersten Zeile von 8 stellt dabei eine Messung von 3 × 3 Pixeln in einer Schicht dar.
Der Soll-Flipwinkel α beträgt 90°. Die mit der entsprechenden Spannung U durchgeführte Messung ist in der mittleren Spalte dargestellt.
Außerdem wird eine Messung gezeigt, bei der der Skalierungsfaktor SF₁ = 0,5 und der Mess-Flipwinkel dementsprechend α₁' = 0,5·90°, d. h. 45°, beträgt. Diese Messung ist in der linken Spalte dargestellt. In der dritten Messung beträgt der Skalierungsfaktor SF₃ = 1,5 und der Mess-Flipwinkel α₃' = 135° (rechte Spalte).
In der obersten Zeile sind jeweils die Originalmessungen dargestellt. Mit den stärkeren Linien sind jeweils die Bereiche umrandet, die später in die kombinierte B₁-Karte eingehen.
Nach den Messungen werden die gemessenen B₁-Karten jeweils entsprechend dem zuvor gewählten Skalierungsfaktor umskaliert. D. h. es werden sämtliche Messwerte der ersten Messung mit einem Faktor 1,0/0,5 skaliert. Dadurch wird die in der zweiten Reihe der linken Spalte dargestellte B₁-Karte erzeugt. Ebenso wird die dritte Messung mit dem Mess-Flipwinkel von 135° mit einem Skalierungsfaktor von 1,0/1,5 umskaliert. Dadurch wird die in der rechten Spalte in der zweiten Zeile dargestellte Karte erzeugt. Da die zweite Messung mit dem hier vorgegebenen Soll-Flipwinkel von 90° erzeugt wurde, erübrigt sich hier eine Umskalierung. Eine Auswahl eines Soll-Flipwinkels von 90° und die Durchführung einer Messung mit einem dem Soll-Flipwinkel entsprechenden Mess-Flipwinkel bietet sich der Einfachheit halber an, ist aber nicht zwingend notwendig.
Mit dem in 5 dargestellten Verfahren werden dann alle drei Karten, wie in 8 dargestellt, kombiniert, so dass schließlich die in 8 unten dargestellte Gesamtkarte erzeugt wird, bei der der Einfluss der Relaxationszeit T₁ relativ gering ist.
6 zeigt ein alternatives Verfahren zur Kombination der B₁-Karten. Hierbei wird der Einfachheit halber wieder davon ausgegangen, dass drei Messungen durchgeführt werden. Auch dieses Verfahren ist aber beliebig mit nur zwei Messungen oder mit einer höheren Anzahl von Messungen durchführbar. Es wird dabei zunächst für jeden Pixel r und für alle Messungen ein Gewichtungswert W_i(r) berechnet. In diesen Gewichtungswert W_i(r) geht zum einen die Abweichung des gemessenen Ist-Flipwinkels α_i'(r) von einem 90°-Flipwinkel ein. Zum anderen wird in diesem Gewichtungswert W_i(r) eine normierte Intensität I_i(r) des bei der Messung des betreffenden Ist-Flipwinkels α_i'(r) aufgefangenen Signals berücksichtigt. Die genaue Berechnung Gewichtungswert W_i(r) erfolgt hierbei gemäß
Die Gewichtung der Intensität erfolgt dabei auf den Maximalwert aller in den verschiedenen Messungen am selben Ort r gemessenen Intensitäten I₁(r), I₂(r), I₃(r). Als Intensität I_i(r) wird der Einfachheit halber einfach die Amplitude des Spin-Echo-Bildes angenommen.
In den nachfolgenden Schritten wird dann geprüft, ob der Gewichtungswert W₁(r) aus der ersten Messung am Ort r größer ist als der Gewichtungswert W₂(r) aus der zweiten Messung und als der Gewichtungswert W₃(r) aus der dritten Messung am selben Ort. Ist dies der Fall, so wird der an diesem Ort gemessene und normierte Flipwinkel α₁(r) aus der ersten Messung als Flipwinkel α(r) für die kombinierte B₁-Karte verwendet. Ist dies nicht der Fall, wird geprüft, ob der Gewichtungswert W₂(r) am Ort r aus der zweiten Messung größer ist als der Gewichtungswert W₃(r) aus der dritten Messung. Ist dies der Fall, so wird der normierte Flipwinkel α₂(r) aus der zweiten Messung herangezogen, andernfalls der normierte Flipwinkel α₃(r) aus der dritten Messung.
7 zeigt eine weitere Alternative (wiederum der Einfachheit halber für drei Messungen), bei der ein mittlerer Flipwinkel α(r) für jeden Ort wie folgt bestimmt wird: α(r) = W0·ΣWi(r)αi(r) (8)mit
Der Gewichtungswert W_i(r) wird hierbei wieder gemäß Gleichung (7) berechnet. Bei dieser Methode gehen alle in den verschiedenen Messungen gemessenen und normierten Flipwinkel α_i(r) mit entsprechender Gewichtung in die gemeinsame B₁-Karte ein.
Zum Nachweis, dass das Verfahren sehr gut in der Lage ist, einen tatsächlich eingestellten Ist-Flipwinkel richtig zu bestimmen, wurde zunächst ein Öl-Phantom, in dem Hochfrequenz-Eindringeffekte vernachlässigbar sind und bei dem daher von einem konstanten B₁-Feld im Objekt auszugehen ist, mit verschiedenen Soll-Flipwinkel vermessen. Die gemessenen Flip winkel in Abhängigkeit von dem eingestellten Soll-Flipwinkel sind in 9 dargestellt. Die gerade, durchgehende Linie zeigt die theoretischen Werte. Die mit einem Sternchen markierten Werte sind die gemessenen Werte ohne eine Korrektur bezüglich der T₁-Relaxation. Bei den durch Kästchen dargestellten Werte handelt es sich um dieselben Messwerte, jedoch nach einer simplen T₁-Relaxationskorrektur mit einem konstanten Faktor von 1,07. Eine solche einfache T₁-Korrektur ist hier ohne weiteres möglich, da das gesamte Phantom aus dem gleichen Material besteht. Die Graphik in 9 zeigt deutlich, dass im Intervall von 0 bis 140° eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der Theorie und den experimentellen Messungen mit dem neuen Verfahren erreicht werden. Somit ist das Verfahren auch gut geeignet, B₁-Feldverteilung zweidimensional ortsaufgelöst zu vermessen.
Die 10 und 11 zeigen exemplarisch bei einer Grundfeldstärke von 3 Tesla vermessene B₁-Verteilung in einem Wasserphantom. Die Aufnahmedauer betrug jeweils in etwa 45s. 10 zeigt dabei einen sagittalen Schnitt und 11 einen transversalen Schnitt.
Die 12 und 13 zeigen exemplarisch bei der gleichen Grundfeldstärke von 3 Tesla in-vivo vermessene B₁-Verteilung vom Kopf eines Probanden. Die Aufnahmedauer betrug jeweils 15s. 12 zeigt einen sagittalen Schnitt und 13 einen transversalen Schnitt. Auch diese Messungen zeigen sehr deutlich, dass sich das Verfahren gut zur ortsaufgelösten Messung einer B₁-Verteilung eignet.
14 zeigt ein einfaches Prinzip-Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel einer Magnetresonanz-Messeinrichtung 1, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
Kernstück dieser Magnetresonanz-Messeinrichtung 1 ist ein Tomograph 2, in welchem ein Patient O auf einer Liege in einem ringförmigen Grundfeldmagneten 13 positioniert wird. Inner halb des Grundfeldmagneten 13 befindet sich eine Hochfrequenzantenne 12 zur Aussendung der MR-Hochfrequenzpulse. Es handelt sich hierbei um einen handelsüblichen Tomographen 2, welcher für das erfindungsgemäße Verfahren keine besonderen zusätzlichen Erfordernisse erfüllen muss.
Angesteuert wird der Tomograph 2 von einer Steuereinrichtung 3, welche hier separat dargestellt ist. An die Steuereinrichtung 3 sind ein Terminal 4 sowie ein Massenspeicher 5 angeschlossen. Das Terminal 4 dient als Benutzerschnittstelle, über die ein Bediener die Steuereinrichtung 3 und damit den Tomographen 2 bedient. Der Massenspeicher 5 dient dazu, um beispielsweise mittels der Magnetresonanzmesseinrichtung aufgezeichnete Bilder zu speichern. Das Terminal 4 und der Speicher 5 sind über eine Schnittstelle 6 mit der Steuereinrichtung verbunden. Die Steuereinrichtung 3 ist wiederum über Schnittstellen 11, 10 mit dem Tomographen 2 verbunden. Sowohl die Steuereinrichtung 3 als auch das Terminal 4 und der Speicher 5 können auch integraler Bestandteil des Tomographen 2 sein.
Die gesamte Magnetresonanz-Messeinrichtung 1 weist darüber hinaus auch alle weiteren üblichen Komponenten bzw. Merkmale, wie z. B. Schnittstellen zum Anschluss an ein Kommunikationsnetz, beispielsweise ein Bildinformationssystem (Picture Archiving and Communication System, PACS), auf. Diese Komponenten sind jedoch der besseren Übersichtlichkeit wegen in 14 nicht dargestellt.
Über das Terminal 4 und die Schnittstelle 6 kann der Bediener mit einer Ansteuereinheit 7 kommunizieren, welche über die Schnittstelle 11 den Tomographen 2 ansteuert und beispielsweise für eine Aussendung der gewünschten Hochfrequenzpuls-Sequenzen durch die Antenne 12 sorgt und die Gradienten in geeigneter Weise schaltet, um die gewünschten Messungen durchzuführen.
Über die Schnittstelle 10 werden die vom Tomographen 2 kommenden Messdaten akquiriert und in einer Signalauswerteeinheit 9 zu Bildern zusammengesetzt, welche dann beispielsweise über die Schnittstelle 6 auf dem Terminal 4 dargestellt und/oder im Speicher 5 hinterlegt werden.
Die erfindungsgemäße Magnetresonanz-Messeinrichtung 1 weist hier als Teil der Steuereinrichtung 3 eine Feldverteilungsmesseinrichtung 8 auf. Diese Feldverteilungsmesseinrichtung 8 sorgt nach entsprechendem Befehl durch das Terminal 4 und/oder vollautomatisch innerhalb eines Untersuchungsprogrammablaufs dafür, dass von der Ansteuereinheit 7 die erforderlichen Doppelecho-Hochfrequenzpulssequenzen zur Messung des B₁-Feldes gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren über die Antenne 12 ausgesendet und die Gradienten passend geschaltet werden. Die dabei gemessenen Magnetresonanzsignale werden von der Signalauswerteeinheit 9 an die Feldverteilungsmesseinrichtung 8 übergeben, welche gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren die Daten auswertet und durch Aufnahme mehrerer zweidimensionaler Schichten ein „dreidimensionales" Bild für die Verteilung der Feldstärke B₁ bzw. des Flipwinkels innerhalb des Messvolumens, beispielsweise hier innerhalb eines Teils des Patienten O, wiedergibt. Diese Daten können dann an die Ansteuereinheit 7 übergeben werden, damit die ermittelten Werte bei weiteren Messungen berücksichtigt werden. Beispielsweise kann die Ansteuereinheit 7 dann auf Basis der gemessenen Verteilung ein geeignetes Anregungsprofil berechnen und bei einer nachfolgenden Messung aussenden. Ebenso können diese Daten auch am Terminal 4 ausgegeben oder im Speicher 5 hinterlegt werden.
In der Regel sind die Feldverteilungsmesseinrichtung 8, die Signalauswerteeinheit 9 und die Ansteuereinheit 7 in Form von Softwaremodulen auf einem Prozessor der Steuereinrichtung 3 realisiert. Die rein softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch bereits bestehende Magnetresonanzeinrichtungen durch ein entsprechendes Software-Upgrade nachgerüstet werden können, um gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eine in-vivo-Messung der B₁-Feldstärkeverteilung durchführen zu können. Hierbei ist es auch möglich, dass die in 14 als ein Block dargestellte Feldverteilungsmesseinrichtung 8 bzw. ein entsprechendes „Feldverteilungsmess-Modul" aus mehreren Komponenten bzw. Unterroutinen besteht. Dabei können diese Unterroutinen auch bereits von anderen Komponenten der Steuereinrichtung 3 verwendet werden, d. h. es wird ggf. auch auf bereits bestehende Unterroutinen anderer Programmeinheiten zugegriffen, um den Aufwand bei der Implementierung des Feldverteilungsmess-Moduls so gering wie möglich zu halten.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine sehr schnelle Methode zur Verfügung gestellt, um sowohl die Sendeprofile von Hochfrequenzspulen zu vermessen als auch das Hochfrequenzeindringverhalten in vivo zu untersuchen. Das Verfahren funktioniert auch bei relativ hohen Grundmagnetfeldern zuverlässig bei Verwendung von Soll-Flipwinkeln im Bereich von ca. 0° bis 140°. Das Verfahren kann somit sowohl für den Herstellungsprozess als auch für die Qualitätskontrolle von Sendespulen eingesetzt werden.
Darüber hinaus eignet es sich hervorragend für die Optimierung der patientenabhängigen Justage des B₁-Feldes in einem definierten räumlichen Bereich innerhalb eines Probanden. Vorzugsweise wird zu Beginn einer Messung eine nichtauflösende allgemeine Transmitterjustage – d. h. eine B₁-Grundjustage nach dem eingangs beschrieben herkömmlichen Verfahren – durchgeführt, um den angestrebten mittleren Anregungsflipwinkel a priori einstellen zu können.
Es kann dann vor Beginn der Messung zusätzlich eine dreidimensionale B₁-Aufnahme mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden und so der verwendete Flipwinkel innerhalb eines bestimmten interessierenden Volumens optimiert werden.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei dem vorhergehend detailliert beschriebenen Verfahren sowie bei der dargestellten Magnetresonanz-Messeinrichtung lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können anstelle der konkret beschriebenen Anregungspulses auch andere Formen von Anregungspulsen oder Sequenzen von Anregungspulsen verwendet werden.
Die Erfindung wurde überwiegend anhand eines Einsatzes in einem medizinisch genutzten Magnetresonanz-Messeinrichtung erläutert. Sie ist jedoch nicht auf derartige Einsätze beschränkt, sondern kann auch in wissenschaftlichen und/oder industriellen Einsätzen genutzt werden.

Claims

Verfahren zur ortsaufgelösten Messung der magnetischen Hochfrequenzfeldverteilung von von einer Hochfrequenzantenne (12) einer Magnetresonanz-Messeinrichtung (1) ausgesandten Hochfrequenzpulsen, bei dem über die Hochfrequenzantenne (12) eine Doppelecho-Hochfrequenzpulssequenz (HFS) mit einem ersten Anregungspuls (HFA) und zumindest zwei dahinter folgenden Refokussierungspulsen (HFR₁, HFR₂) zur Erzeugung eines ersten Echos und eines nachfolgenden zweiten Echos ausgesendet wird, wobei zumindest der Anregungspuls (HFA) schichtselektiv ausgesendet wird, dann in einer mittels des schichtselektiv ausgesendeten Anregungspulses (HFA) festgelegten Anregungsschicht mittels Aussendung von geeigneten Gradientenpulsen (GPP, GPF₁, GPF₂) zur Phasen- und/oder Frequenzcodierung ein erstes Echo-Bild und ein zweites Echo-Bild ortsaufgelöst gemessen wird, und anhand der Verhältnisse der Amplituden (A_SE, A_STE) des ersten Echo-Bilds und des zweiten Echo-Bilds an den verschiedenen Orten jeweils die Feldstärke an den betreffenden Orten in der betreffenden Schicht repräsentierende Flipwinkel (α) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Refokussierungspulse (HFR₁, HFR₂) nicht-schichtselektiv ausgesendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Doppelecho-Hochfrequenzpulssequenz (HFS) mehrere aufeinander folgende Anregungspulse (HFA₁, HFA₂, HFA₃) schichtselektiv ausgesendet werden, durch welche jeweils Spins in unterschiedlichen Schichten angeregt werden, und den Anregungspulsen (HFA₁, HFA₂, HFA₃) folgend für alle Schichten gemeinsam nicht-schichtselektiv Refokussierungspulse (HFR₁, HFR₂) zur Erzeugung von ersten Echos und zweiten Echos in den verschiedenen Schichten ausgesendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Ermittlung des Flipwinkels (α) die Amplitude des an dem betreffenden Ort gemessenen stimulierten Echos mit einem Korrekturfaktor zur Reduzierung des Relaxationseinflusses gewichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturfaktor in Abhängigkeit von einem an dem betreffenden Ort befindlichen Materialtyp eines untersuchten Untersuchungsobjekts gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung des Relaxationseinflusses für dieselbe Schicht mehrfach eine Flipwinkelverteilung ortsaufgelöst gemessen wird, wobei durch die dabei verwendeten Hochfrequenzpulssequenzen jeweils unterschiedliche Soll-Flipwinkel vorgegeben werden und die gemessenen Flipwinkelverteilungen zur Ermittlung einer korrigierten Flipwinkelverteilung in der betreffenden Schicht pixelweise kombiniert werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der mehrfachen Messung einer Schicht mit verschiedenen Soll-Flipwinkeln nur die im Fourier-Raum in einem zentralen Bereich liegenden Zeilen mehrfach aufgenommen werden und die übrigen Zeilen nur einmal für alle Messungen der betreffenden Schicht aufgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Kombination der gemessenen Flipwinkelverteilungen für die einzelnen Pixel unter den in den verschiedenen Messungen an dem betreffenden Ort gemessenen Flipwinkeln derjenige ausgewählt wird, der die geringste Differenz zu einem 90°-Flipwinkel aufweist und bei dem zumindest eines der zur Ermittlung des betreffenden Flipwinkels an diesem Ort gemessenen Signale eine ausreichend hohe Intensität aufweist, und der ausgewählten Flipwinkel auf Basis des Verhältnisses des bei der zugehörigen Messung eingestellten Soll-Flipwinkels zu einem bestimmten vorgegeben Soll-Flipwinkel normiert für den betreffenden Pixel in der korrigierte Flipwinkelverteilung herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Kombination der gemessenen Flipwinkelverteilungen zur Ermittlung einer korrigierten Flipwinkelverteilung aus den in den verschiedenen Messungen gemessenen Flipwinkeln pixelweise ein Mittelwert gebildet wird.
Verfahren zur Justage der Feldstärke von Hochfrequenzpulsen, welche bei einer Magnetresonanz-Messung von einer Antenne einer Magnetresonanz-Messeinrichtung ausgesendet werden, bei dem die Feldstärke in einem bestimmten Volumenbereich eines Untersuchungsobjekts optimiert wird, wobei zunächst eine Feldverteilung bzw. Flipwinkelverteilung in dem bestimmten Volumenbereich mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Ermittlung der Feldverteilung bzw. Flipwinkelverteilung auf Grundlage dieser gemessenen Verteilung ein Hochfrequenzpulsanregungsprofil ermittelt wird, bei dem die Hochfrequenzfeldverteilung eine bestimmte Form aufweist und dann eine Anregung in einer späteren Messung gemäß dem ermittelten Hochfrequenzpulsanregungsprofil erfolgt.
Magnetresonanz-Messeinrichtung (1) mit einer Hochfrequenzantenne (12) und mit einer Feldverteilungsmesseinrichtung (8), welche zur ortsaufgelösten Messung der magnetischen Hochfrequenzfeldverteilung von von der Hochfrequenzantenne (12) ausgesandten Hochfrequenzpulsen die Aussendung einer Doppelecho-Hochfrequenzpulssequenz (HFS) mit einem ersten Anregungspuls (HFA) und zumindest zwei dahinter folgenden Refokussierungspulsen (HFR₁, HFR₂) zur Erzeugung eines ersten Echos und eines nachfolgenden zweiten Echos über die Hochfrequenzsendeantenne (12) veranlasst, wobei zumindest der Anregungspuls (HFA) schichtselektiv ausgesendet wird, und dann in einer mittels des schichtselektiven Anregungspulses (HFA) festgelegten Anregungsschicht unter Aussendung von geeigneten Gradientenpulsen (GPP, GPF₁, GPF₂) zur Phasen- und/oder Frequenzkodierung ein erstes Echo-Bild und ein zweites Echo-Bild ortsaufgelöst misst, und anhand der Verhältnisse der Amplituden (A_SE, A_STE) des ersten Echo-Bilds und des zweiten Echo-Bilds an den verschiedenen Orten jeweils die Feldstärke an den betreffenden Orten in der betreffenden Schicht repräsentierende Flipwinkel (α) bestimmt.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen, wenn das Programm in einer rechnergestützten Steuereinrichtung (3) einer Magnetresonanz-Messeinrichtung (1) ausgeführt wird.