DE19524184A1 - Pulssequenz zur schnellen Bildgebung in der Kernspintomographie - Google Patents

Description

In der Kernspintomographie sind im wesentlichen drei Methoden zur schnellen Bilderzeugung bekannt, nämlich das FLASH-Ver­ fahren, das FISP-Verfahren und das Echoplanar-Verfahren, je­ weils mit entsprechenden Varianten.

Das FLASH-Verfahren ist beispielsweise in der US-A-4 707 658 beschrieben. Dabei werden Gradientenechos mit kleinen Flip­ winkeln des Hochfrequenzpulses und Repetitionszeiten erzeugt, die wesentlich kleiner als die Spin-Gitter-Relaxationszeiten der zu untersuchenden Kernspins sind. Bei diesem Verfahren werden die Flipwinkel um so kleiner gewählt, je kürzer die Re­ petitionszeiten sind, je schneller also die Pulssequenz wird. Mit der Verkleinerung der Flipwinkel sinkt auch das Signal/ Rauschverhältnis.

In einer besonders schnellen Variante des FLASH-Verfahrens, dem sog. Turbo-FLASH-Verfahren mit extrem kurzen Repetitions­ zeiten wird vor jeder Meßsequenz die Magnetisierung inver­ tiert, um zu verhindern, daß der T1-Kontrast zusammenbricht. Durch die notwendige Spininversion muß dann allerdings für jede neue Meßsequenz die Einstellung eines Gleichgewichtes der Spins abgewartet werden. Daher ist keine kontinuierliche Messung im dynamischen Gleichgewicht möglich.

Das FISP-Verfahren, das in der US-PS 4,769,603 detailliert beschrieben ist, stellt ebenfalls ein schnelles Gradienten­ echo-Verfahren dar, bei dem im Unterschied zum FLASH-Ver­ fahren vor jedem Hochfrequenzpuls die Phasencodierung zu­ rückgesetzt wird.

In der Praxis hat sich bisher eine Variante dieses FISP-Ver­ fahrens durchgesetzt, bei dem in mindestens einer Raumrich­ tung keine vollständige Rephasierung der Kernspins erfolgt. Bei Sequenzen mit vollständiger Rephasierung, die auch als "True FISP" bezeichnet werden, treten nämlich bei längeren Repetitionszeiten im Bild schwarze Streifen auf, wenn nicht besonders hohe Anforderungen an die Magnetfeldhomogenität eingehalten werden.

Noch schneller als das FLASH-Verfahren oder FISP-Verfahren ist das sog. Echoplanar-Verfahren, wie es in der EP-A1 0 076 054 beschrieben ist. Dabei wird zu Beginn der Pulssequenz ein HF-Anregungspuls unter Einwirkung eines Schichtselektionsgra­ dienten in einer ersten Richtung auf ein Untersuchungsobjekt eingestrahlt. Damit werden Kernspins in einer Schicht des Un­ tersuchungsobjekt angeregt. Nach der Anregung wird ein Pha­ sencodiergradient in einer zweiten Richtung und ein Auslese­ gradient in einer dritten Richtung eingeschaltet. Erste, zweite und dritte Richtungen stehen senkrecht aufeinander. Der Auslesegradient besteht aus einem Vorphasierpuls sowie aus Teilpulsen wechselnder Polarität. Durch diese wechselnde Polarität des Auslesegradienten werden die Kernspins im Wech­ sel dephasiert und wieder rephasiert, so daß eine Folge von Kernspinresonanzsignalen entsteht. Dabei werden nach einer einzigen Anregung so viele Signale gewonnen, daß der gesamte Fourier-k-Raum abgetastet wird, d. h. daß die vorliegenden Informationen zur Rekonstruktion eines vollständigen Schnitt­ bildes ausreichen.

Die Kernresonanzsignale werden phasencodiert, im Zeitbereich abgetastet, digitalisiert und die so gewonnenen numerischen Werte in eine Rohdatenmatrix eingetragen. Aus dieser Roh­ datenmatrix wird dann aufgrund einer zweidimensionalen Fou­ rier-Transformation ein Bild des Untersuchungsobjektes re­ konstruiert.

Der Geschwindigkeitsvorteil des EPI-Verfahrens beruht im we­ sentlichen darauf, daß nach einer einzelnen Anregung eine Vielzahl von Signalen gewonnen wird, die zur Rekonstruktion eines vollständigen Schnittbildes ausreichen. Sämtliche Si­ gnale, die letztlich Gradientenechos darstellen, müssen in­ nerhalb des T2*-Zerfalls gewonnen werden. Daher muß der Aus­ lesegradient sehr schnell bipolar geschaltet werden, so daß eine entsprechende Anlage erhebliche Hardware-Anforderungen gestellt werden.

Ein Verfahren, bei dem in gewisser Weise die Vorteile des Echoplanar-Verfahrens mit den Vorteilen des EPI-Verfahrens verbunden werden, ist in der US-Patentschrift 5,337,000 be­ schrieben. Dabei werden mit einer Repetitionszeit, die klei­ ner als die Spin-Gitter-Relaxationszeit der betrachteten Kernspins ist, Hochfrequenzpulse eingestrahlt. Nach jedem Hochfrequenzpuls werden durch einen in der Polarität mehrfach wechselnden Auslesegradienten mehrere Echos gewonnen. Dabei erfolgt allerdings nicht, wie bei dem in der obengenannten US-Patent beschriebenen "True FISP"-Verfahren, eine Rephasie­ rung der Spins in allen Raumrichtungen. Vielmehr ist z. B. der Schichtselektionsgradient nicht symmetrisch zum zugeordneten Hochfrequenzpuls, so daß diese Pulssequenz zumindest bezüg­ lich der Schichtselektionsrichtung nicht rephasiert ist.

Ein ähnliches Verfahren für 3D-Bildgebung ist auch in dem Artikel "3D Steady State Echo Planar Imaging", A. M. Abduljalil et al, SMRM Abstracts 1994, Seite 472, beschrie­ ben. Auch hierbei wurde jedoch keine vollständige Rephasie­ rung in allen Raumrichtungen, also kein True FISP-Verfahren, angewandt. Bei der dort angegebenen Repetitionszeit von 54 bzw. 108 ms würden bei einem True FISP-Verfahren die Phasen der Kernresonanzsignale aus unterschiedlichen räumlichen Bereichen so weit auseinanderlaufen, daß es zu einer starken Signalmodulation käme. Daraus würden in der Praxis nicht to­ lerierbare Streifen im Bild entstehen. Dies wird wie beim üb­ lichen FISP-Verfahren dadurch vermieden, daß die Gradienten in mindestens einer Richtung nicht rephasiert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Vorteile des True FISP-Ver­ fahrens mit den Geschwindigkeitsvorteilen des EPI-Verfahrens zu verbinden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Dieses kombinierte Verfahren hat gegenüber True FISP folgende Vorteile: Die Summe der Auslesezeiten pro Repetitionszeit ist höher. Damit wird gegenüber True FISP ein besseres Signal- Rausch-Verhältnis bezogen auf die Meßzeit erzielt, d. h., das Verfahren ist effizienter.

Die Akquisition eines Bildes verläuft schneller, da die Tot­ zeiten prozentual geringer sind.

Das Verfahren ist bei gleichem Gradientensystem etwa so schnell wie EPI, es weist aber wegen des kürzeren Pulszuges nach jeder Anregung geringere Fett-Wasser-Probleme auf. Diese resultieren aus den Phasenunterschieden von Fett- und Wasser- Signalen aufgrund der unterschiedlichen Resonanzfrequenzen der jeweiligen Protonen.

Durch die Anwendung des True FISP-Verfahrens erzielt man ge­ genüber dem üblichen FISP-Verfahren fast das doppelte Signal und Flußartefakte werden geringer.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 7 erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 die Hochfrequenzpulse RF,

Fig. 2 den Auslesegradienten GR,

Fig. 3 den Phasencodiergradienten GP,

Fig. 4 den Schichtselektionsgradienten GS,

Fig. 5 die ausgelesenen Kernresonanzsignale S,

Fig. 6 die Akquisitionsphasen AQ,

Fig. 7 die Einsortierung der Kernresonanzsignale in eine Rohdatenmatrix.

Gemäß Fig. 1 wird auf das Untersuchungsobjekt eine Folge von Hochfrequenzpulsen RF mit der Repetitionszeit TR einge­ strahlt. Die Repetitionszeit TR ist - wie bei allen Steady State-Sequenzen - kleiner als die Spin-Gitter-Relaxationszeit der angeregten Spins. Um die bereits eingangs genannten Pro­ bleme mit der Signalmodulation und die dadurch entstehenden Streifen im Bild zu vermeiden, muß jedoch noch eine weitere Bedingung eingehalten werden. Innerhalb einer Repetitionszeit müssen die aus Grundfeldinhomogenitäten resultierenden Pha­ senunterschiede innerhalb des Betrachtungsfensters kleiner als 180° bleiben. Nach dem Stand der Technik kann das Grund­ magnetfeld so abgeglichen werden, daß es innerhalb des Unter­ suchungsvolumens eine Abweichung von maximal 5 ppm aufweist. Bei einer Magnetfeldstärke von z. B. 1 T entspricht dies einer Frequenzabweichung von 50 Hz. Damit ist die obengenannte Be­ dingung (Phasenabweichung < 180°) erfüllt, wenn die Repeti­ tionszeit kleiner als 10 ms ist.

Wie bei Steady State-Sequenzen üblich, wird der Flipwinkel α für die Hochfrequenzpulse RF zur Optimierung der Signalampli­ tude kleiner als 90° gewählt.

In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf des Auslesegradienten GR dargestellt. Dieser wird wie beim EPI-Verfahren mehrfach in­ vertiert, wobei im Ausführungsbeispiel unter den Teilpulsen GR2, GR3 und GR4 die Kernresonanzsignale S1, S2 und S3 gemäß Fig. 5 ausgelesen werden. Vor und nach jedem Hochfrequenz­ puls RF folgt ein negativer Teilpuls GR5 bzw. GR1, wobei zur vollständigen Rephasierung in Ausleserichtung über die Repe­ titionszeit TR betrachtet das Zeitintegral des Auslesegra­ dienten GR Null ist:

In Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf des Phasencodiergradien­ ten GP dargestellt. Aufgrund der kurzen Repetitionszeit TR kann innerhalb dieser Repetitionszeit nicht der vollständige k-Raum, sondern lediglich ein Segment desselben abgetastet werden. Typischerweise umfaßt die zur Bilddatengewinnung er­ stellte k-Raum- bzw. Rohdatenmatrix 256 bzw. 512 Zeilen, d. h., es müssen entsprechend viele Kernresonanzsignale mit unterschiedlicher Phasencodierung gewonnen werden. Im Ausfüh­ rungsbeispiel werden innerhalb einer Repetitionszeit TR drei Signale S1 bis S3 gewonnen, d. h., die Sequenz muß zur Gewin­ nung einer vollständigen Rohdatenmatrix entsprechend oft wie­ derholt werden.

Beim Ausführungsbeispiel wird entsprechend Fig. 3 den Signa­ len S1 bis S3 ein gemeinsamer Phasencodiergradient GP1 voran­ gestellt, der festlegt, welchem Segment der Rohdatenmatrix die nachfolgenden Kernresonanzsignale S1 bis S3 zuzuordnen sind und dessen Amplitude von Sequenzrepetition zu Sequenzre­ petition wechselt. Durch kurze Gradientenpulse GP2 und GP3 vor dem Kernresonanzsignal S2 bzw. S3 werden die drei Kernre­ sonanzsignale S1 bis S3 innerhalb einer Sequenzrepetition un­ terschiedlich phasencodiert. Durch einen Phasencodiergradien­ ten GP4 wird die Phase in Phasencodierrichtung wieder voll­ ständig zurückgesetzt, so daß gilt:

Die Kernresonanzsignale S1 bis S3 werden in Akquisitionspha­ sen AQ1 bis AQ3 gemäß Fig. 6 abgetastet und in einem Zeitra­ ster digitalisiert. Sie sind durch den Auslesegradienten GR in Ausleserichtung und durch den Phasencodiergradienten GP in Phasencodierrichtung codiert und werden gemäß der bekannten Beziehungen einer k-Raum-Matrix bzw. Rohdatenmatrix zugeord­ net:

Dabei ist mit t der Auslesezeitpunkt bezeichnet, der ab jeder Anregung (t=0) gezählt wird.

Die Rohdatenmatrix RD ist in Fig. 7 dargestellt. In jedem Segment SG1 bis SGn werden zeilenweise die Abtastwerte der drei Kernresonanzsignale S1 bis S3 eingeordnet. Dabei wird - wie oben bereits ausgeführt - die Zuordnung zum jeweiligen Segment SG1 bis SGn durch den Phasencodiergradienten GP1 und die Zuordnung zu den Zeilen innerhalb jedes Segmentes durch die Phasencodiergradienten GP2 bzw. GP3 festgelegt.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel für den Schichtselek­ tionsgradienten GS dargestellt. Durch den positiven Teil GS1 des Schichtselektionsgradienten GS1 wird in herkömmlicher Weise erreicht, daß jeder Hochfrequenzpuls RF nur Kernspins innerhalb einer bestimmten Schicht anregt. Dabei wird die Breite und die Lage der selektierten Schicht durch das Fre­ quenzspektrum des Hochfrequenzpulses RF in Verbindung mit dem Betrag des Schichtselektionsgradienten GS1 bestimmt. Auch in Schichtselektionsrichtung muß die Phase vor Einstrahlung des nächsten Hochfrequenzpulses RF wieder vollständig zurückge­ setzt werden, d. h., es muß gelten:

Hierzu wird vor und nach jedem positiven Teilpuls GS1 jedes Schichtselektionsgradienten ein negativer Teilpuls GS2 bzw. GS3 geschaltet, wobei diese Teilpulse jeweils die halbe Gra­ dientenzeitfläche des positiven Teilpulses aufweisen, so daß die obengenannte Bedingung erfüllt ist.

Aus der Rohdatenmatrix wird in herkömmlicher Weise, wie z. B. auch beim üblichen FISP-Verfahren, eine Bilddatenmatrix er­ stellt.

Claims (6)

1. Pulssequenz für ein Kernspintomographiegerät mit folgen­ den Merkmalen:

• a) auf einen Untersuchungsbereich wirkt ein homogenes Ma­ gnetfeld (B₀), das Kernspins in eine vorgegebene Rich­ tung (z) ausrichtet,
• b) die Kernspins werden durch Hochfrequenzpulse (RF) mit einer Repetitionszeit (TR) angeregt, die kürzer als die Spin-Gitter-Relaxationszeit ist, wobei die Repetitions­ zeit (TR) ferner so bemessen ist, daß die Phasenabwei­ chung zwischen Kernspins im Untersuchungsvolumen auf­ grund von Magnetfeldinhomogenitäten innerhalb einer Repetitionszeit (TR) kleiner als 180° bleibt,
• c) zwischen jeweils zwei Hochfrequenzpulsen (RF) wird ein Auslesegradient (GR) mit L Teilpulsen (GR2, GR3, GR4) wechselnder Polarität geschaltet, wobei unter jedem Teilpuls (GR) ein Kernresonanzsignal (S) in Form eines Echos entsteht und mindestens ein Teil dieser Signale in Ausleseintervallen (AQ) ausgelesen wird,
• d) alle zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hochfrequenzpul­ sen eingeschalteten Gradienten (GS, GR, GP) weisen ein Gradienten-Zeit-Integral Null auf.

2. Pulssequenz nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder Hochfrequenzpuls (RF) unter einem zum Zentrum des Hochfrequenzpulses (RF) symmetri­ schen Schichtselektionsgradienten (GSS1) eingestrahlt wird, der vor und nach dem Hochfrequenzpuls (RF) negative Teilpulse (GS2, GS3) und ein Gradienten-Zeit-Integral Null aufweist.

3. Pulssequenz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes zwischen zwei Hochfrequenzpulsen (RF) ausgelesene Kernresonanzsignal (S) unterschiedlich phasencodiert wird.

4. Pulssequenz nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Phase des Kernspins vor jedem Ausleseintervall (AQ) fortgeschaltet wird und daß vor dem nächsten Hochfrequenzpuls (RF) die Phase der Kernspins auf Null zurückgesetzt wird.

5. Pulssequenz nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß nach jedem Hochfrequenzpuls (RF) ein Vorphasiergradient (GP1) in Phasencodierrichtung ge­ schaltet wird, der von Sequenzrepetition zu Sequenzrepetition wechselt, so daß mit jeder Sequenzrepetition ein anderer Be­ reich eines k-Raumes abgetastet wird.

6. Pulssequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kernre­ sonanzsignale jeweils unter einem Teilpuls (GR2-GR4) in Aus­ leserichtung mit dem Gradienten-Zeit-Integral (I) ausgelesen werden und daß vor und nach jedem Hochfrequenzpuls (RF) ein Teilpuls (GR1, GRS) in Ausleserichtung mit der Gradienten- Zeit-Fläche I/2 geschaltet wird.