DE19529636A1

DE19529636A1 - Verfahren zur MR-Bildgebung aus mehreren Schichten und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19529636A1
Application number: DE19529636A
Authority: DE
Inventors: Richard Dr Rer Nat Hausmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-08-11
Filing date: 1995-08-11
Publication date: 1997-02-13
Anticipated expiration: 2015-08-12
Also published as: JPH09103419A; DE19529636C2; US5719498A

Description

Bei der zweidimensionalen MR-Bildgebung werden interessie rende Schichten des Untersuchungsobjekts angeregt und aus diesen Schichten einzelne Bilder gewonnen. Dabei ist es bei spielsweise aus der US-Patentschrift 4,871,966 bekannt, wäh rend einer Repetitionszeit der Pulssequenz in einer Schicht bereits mindestens eine weitere Schicht anzuregen. Wenn man - wie allgemein üblich - mehrere Schichten des Untersuchungsob jekts betrachten will, kann man damit entsprechend der Anzahl der innerhalb einer Repetitionszeit T_R angeregten Schichten Untersuchungszeit sparen.

Eine häufige Anwendung der MR-Bildgebung stellt die Untersu chung von Bandscheiben in transversalen Schichten dar. Wenn hierbei der Bereich der lumbalen Wirbelsäule untersucht wer den soll, sollten die jeweiligen Schichten entsprechend der Krümmung der Wirbelsäule zueinander geneigt sein. In der ein gangs genannten US-Patentschrift wurde daher vorgeschlagen, die während einer Repetitionszeit T_R angeregten Schichten ge geneinander zu neigen. Dabei wird die Position und Neigung der unterschiedlichen Schichten vor der Messung anhand einer sagittalen Übersichtsaufnahme, die z. B. einen Längsschnitt durch die lumbale Wirbelsäule darstellt, festgelegt. Dies erfolgt, indem man in der Bilddarstellung des sagittalen Schnittes mit einem Cursor Linien einzeichnet, die die nach folgend zu messenden Schichten bestimmen. Der Cursor wird typischerweise durch eine Maus gesteuert.

Mit diesem Verfahren können speziell im Bereich der lumbalen Wirbelsäule verhältnismäßig schnell mehrere transversale Schnittbilder gewonnen werden. Das Verfahren ist auch in der klinischen Routine einfach zu handhaben, da die Schichten anschaulich vorgegeben werden können und ein einleuchtender geometrischer Zusammenhang zwischen den Linien auf dem Über sichtsbild und den gemessenen Schichten besteht. Diese Art der Messung mehrerer Schichten unterliegt aber auch einer Reihe von Einschränkungen. Wenn sich beispielsweise der Pa tient zwischen der Erstellung der Übersichtsaufnahme und den nachfolgenden Schichtmessungen bewegt, entsprechen die gemes senen Schichtpositionen nicht mehr den Vorgaben. Die gesamte Messung muß dann neu durchgeführt werden. Dieses Risiko ist nicht unerheblich, da sich der Arzt nach Analyse der Über sichtsaufnahme Zahl, Position und Neigung der einzelnen Schichten überlegen und schließlich die graphische Schicht selektion durchführen muß. Daher verstreicht zwischen Über sichtsaufnahme und Messung der einzelnen Schichten eine nicht unerhebliche Zeit, in der sich der Patient unter Umständen nicht vollständig ruhig hält. Ferner kommt es vor, daß der Arzt nach der Messung feststellt, daß die Schichtwahl nicht optimal war. Auch in diesem Fall muß der gesamte Meßvorgang wiederholt werden, wobei der Patient unter Umständen schon aus dem Untersuchungsraum entfernt ist, wenn der Arzt solche Mängel feststellt.

Beispielsweise aus der US-Patentschrift 4,431,968 ist es fer ner bekannt, mittels magnetischer Resonanz einen dreidimen sionalen Bilddatensatz zu gewinnen. Dabei wird üblicherweise nicht der gesamte Objektraum umfaßt, sondern zunächst eine Scheibe ausgewählt, innerhalb derer dann eine dreidimensio nale Auflösung erfolgt. Sobald ein solcher dreidimensionale Datensatz erfaßt ist, eröffnet sich eine große Vielfalt von Bildrekonstruktionsmethoden. So können durch bekannte Nach verarbeitungsalgorithmen dreidimensionale Darstellungen er zeugt werden oder Oberflächenanalysen vorgenommen werden. Innerhalb des erfaßten Datensatzes können beliebige Schichten ausgewählt werden. Dabei ist besonders von Interesse, daß bei all diesen Nachverarbeitungen der Patient nicht mehr im Un tersuchungsraum sein muß. Die einmal gewonnenen dreidimensio nalen Datensätze können vielmehr zu einem beliebigen Zeit punkt und unabhängig vom eigentlichen Kernspintomographie gerät an einer Bildkonsole ausgewertet werden.

Aufgrund der wesentlich größeren Anzahl der für einen 3D-Da tensatz im Vergleich zu einzelnen 2D-Datensätzen erforderli chen Messungen wird die gesamte Meßzeit gegenüber dem Mehr schichtverfahren länger. Allerdings wird dieser Nachteil durch schnelle Bildgebungstechniken, wie z. B. EPI (Echo Pla nar Imaging), FLASH und Turbospinecho relativiert. Mit der ungleich größeren Anzahl von Möglichkeiten eines 3D-Daten satzes wird die Handhabung für einfache Anwendungen in der klinischen Routine aber auch unübersichtlicher.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens so auszugestal ten, daß für die dargestellte einfache Anwendung die Vorteile beider Verfahren miteinander verknüpft werden.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens durch die Merkma le des Anspruchs 1, bezüglich der Vorrichtung durch die Merk male des Anspruchs 6 gelöst.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spiels nach den Fig. 6 bis 13 erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 bis 5 zur Erläuterung des Standes der Technik eine Pulssequenz für ein herkömmliches Mehr schichtverfahren,

Fig. 6 die Darstellung einer Übersichtsaufnahme mit ausgewählten Schichten,

Fig. 7 bis 11 ein Beispiel für eine Pulssequenz zur Gewin nung von dreidimensionalen Datensätzen,

Fig. 12 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 13 schematisch einen dreidimensionalen Bildda tensatz.

Bei herkömmlichen Pulssequenzen werden Hochfrequenzpulse RF (Fig. 1) unter der Wirkung von Schichtselektionsgradienten G_S (Fig. 5) eingestrahlt. Anschließend erfolgt eine Repha sierung in Schichtrichtung, eine Phasencodierung mit einem Phasencodiergradienten G_P (Fig. 4) und eine Vorphasierung in Richtung des Auslesegradienten G_R (Fig. 3). Unter einem po sitiven Teilpuls des Auslesegradienten G_R wird ein Signal S (Fig. 2) ausgelesen. Diese Sequenz wird mit einer Repeti tionszeit T_R mit unterschiedlichen Phasencodiergradienten wiederholt. Dabei entspricht die Anzahl der Frequenzrepeti tionen und damit der Phasencodierschritte der räumlichen Auf lösung in Richtung des Phasencodiergradienten G_P.

In vielen Fällen werden bei einer Untersuchung mehrere räum lich getrennte Schichten untersucht. Dabei kann man bekann terweise Untersuchungszeit dadurch sparen, daß man bereits während der Repetitionszeit T_R mit einem zweiten Hochfre quenzpuls RF2 unter einem zweiten Schichtselektionsgradienten GS2 eine Anregung einer weiteren Schicht durchführt. Das Si gnal S2 aus der weiteren Schicht tritt zeitlich getrennt vom Signal S1 aus der ersten Schicht auf und kann daher problem los von diesem separiert werden. Dabei kann innerhalb einer Repetitionszeit T_R auch mehr als eine weitere Schicht ange regt werden. Dieses Verfahren wird als Multischicht-Verfahren bezeichnet.

Aus der bereits eingangs genannten US-Patentschrift 4,871,966 ist es bekannt, die einzelnen Schichten bei einem Multi schicht-Verfahren gegeneinander zu neigen. Dazu muß die Rich tung der Gradienten G_R, G_P und G_S entsprechend geändert wer den. Dies ist, wie in der genannten Patentschrift beschrie ben, durch Überlagerung mehrerer Gradienten in einem festge legten Koordinatensystem problemlos möglich.

Der Ablauf einer Untersuchung für den typischen Anwendungs fall beim relativ stark gekrümmten lumbalen Wirbelsäulenbe reich ist in Fig. 6 dargestellt. Es wird zunächst ein Sa gittalschnitt durch den entsprechenden Bereich der Wirbel säule 1 gewonnen und auf einem Monitor dargestellt. Wenn beispielsweise die Bandscheiben 1a bis 1e im Transversal schnitt dargestellt werden sollen, werden auf dem Monitor Linien L1 bis L5 angelegt, die diese Bandscheiben in diagno stisch möglichst aussagefähiger Weise schneiden. Die Linien L1 bis L5 werden durch ein Eingabeelement für den Bildrech ner, typischerweise z. B. eine Maus, festgelegt, beispiels weise, indem man durch Anklicken zweier Punkte die Linienpo sition festlegt.

Beim bekannten Mehrschicht-Verfahren wird die graphisch vor gegebene Information dahingehend umgesetzt, daß Schichten, deren Positionen durch die Linien L1 bis L5 definiert sind, gemessen werden.

Das im folgenden beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfin dung stellt sich für den Benutzer zunächst gleichartig dar. Entsprechend dem Blockschaltbild nach Fig. 12 wird zunächst ebenfalls eine Übersichtsaufnahme erstellt, und zwar in Form eines sagittalen Schnittes, i.a. aufgrund eines 2D-Datensat zes. Anschließend werden durch einen Cursor auf dem Bild schirm die abzubildenden Schichten bestimmt. Im Unterschied zum bekannten Verfahren wird nun jedoch ein dreidimensionaler Datensatz erstellt. Zweckmäßigerweise erstreckt sich dieser dreidimensionale Datensatz nicht auf den gesamten Objektbe reich, sondern erfaßt in etwa nur die abzubildenden Schichten 1a bis 1e. Dieser Objektbereich ist in Fig. 6 gestrichelt dargestellt. Er kann z. B. in seiner Ausrichtung in Längsrich tung durch verschiebbare graphische Markierungen auf dem Bildschirm vom Benutzer manuell festgelegt werden. Es kann aber auch ein Algorithmus eingesetzt werden, der anhand der vorgegebenen Linien L1 bis L5 automatisch erkennt, welcher Objektbereich erfaßt werden muß. Dabei muß der zu erfassende Objektbereich nicht zusammenhängend sein. Wenn man beispiels weise nur die Schichten 1b, 1c, 1e und 1f erfassen will, könnte man auch die beiden strichpunktiert dargestellten Ob jektbereiche O1 und O2 erfassen. Diese können wiederum manu ell oder automatisch festgelegt werden.

Nach diesen Vorgaben wird nun ein dreidimensionaler Datensatz erstellt. Dabei kann z. B. eine in den Fig. 7 bis 11 sche matisch dargestellte Pulssequenz verwendet werden. Dabei wer den Hochfrequenzpuls RF (Fig. 7) unter Schichtselektionsgra dienten GS (Fig. 11) eingestrahlt. In bekannter Weise wird dabei das Profil der angeregten Scheibe durch das Frequenz spektrum des Hochfrequenzpulses RF in Verbindung mit der Amp litude des Schichtselektionsgradienten GS bestimmt. Im Unter schied zur üblichen Schichtselektion ist hier das Frequenz spektrum wesentlich breiter, so daß nicht nur eine dünne Schicht, sondern ein Volumen definierter Ausdehnung in Schichtselektionsrichtung angeregt wird.

Die Ortsauflösung innerhalb des selektierten Volumens bzw. der selektierten Scheibe erfolgt, indem in Schichtselektions richtung nach der Anregung ein Phasencodiergradient GPS in Schichtselektionsrichtung folgt. Ferner sind gleichzeitig ein Phasencodiergradient GP (Fig. 10) und ein Vorphasiergradient GR⁻ (Fig. 9) eingeschaltet, die jeweils senkrecht aufeinan der stehen. Unter einem Auslesegradienten GR⁺ wird ein Kern resonanzsignal S (Fig. 8) ausgelesen, das anschließend abge tastet, digitalisiert und in eine Zeile einer Rohdatenmatrix eingetragen wird. Diese Pulssequenz wird so oft mit unter schiedlichen Wertekombinationen des Phasencodiergradienten GP und des Phasencodiergradienten GPS in Schichtselektionsrich tung wiederholt, bis ein vollständiger dreidimensionaler Roh datensatz des Untersuchungsbereichs gewonnen ist. Aus diesem dreidimensionalen Rohdatensatz wird in herkömmlicher Weise durch eine dreidimensionale Fourier-Transformation ein drei dimensionaler Bilddatensatz gewonnen. Dieser Bilddatensatz ist schematisch in Fig. 13 dargestellt.

Aus diesem dreidimensionalen Bilddatensatz werden nun ent sprechend den vorher eingestellten Schichten Bilder dieser Schichten rekonstruiert und auf einem Monitor M dargestellt. Zwei dieser Schichten (S1 und S2) sind in Fig. 13 schema tisch eingezeichnet.

Da Bilddaten für ein gesamtes Objektvolumen zur Verfügung stehen, können auf diese Weise auch gekrümmte Schichten aus gewählt werden. In diesem Fall wird der Cursor einfach ent lang der gewünschten (auch gekrümmten) Linie am Bildschirm bewegt und die dargestellte Schicht ist entsprechend dieser Linie gekrümmt.

Sollte sich bei der Betrachtung der gewonnenen Bilder heraus stellen, daß die Schichtpositionen nicht richtig sind, z. B., weil sich der Patient zwischen der Schichtauswahl und der Messung bewegt hat, kann die Schichtposition auch nachträg lich problemlos verändert werden, da innerhalb des ausgewähl ten Objektvolumens sämtliche erforderliche Bilddaten zur Ver fügung stehen. Das gleiche gilt auch, wenn sich während der Untersuchung herausstellen sollte, daß die Schicht nicht kor rekt gewählt wurde oder wenn es sich als zweckmäßig heraus stellt, weitere Schichten zu untersuchen. Da die benötigten Bilddaten im allgemeinen innerhalb des ausgewählten Objektvo lumens liegen werden, muß die Messung dazu nicht wiederholt werden. Der Patient kann vielmehr bereits aus dem Kernspin tomographiegerät entfernt sein und die Rekonstruktionen kön nen unabhängig vom Kernspintomographen an einer Bildkonsole vorgenommen werden.

Claims

1. Verfahren zur MR-Bildgebung aus mehreren Schichten mit folgenden Schritten:

a) Erstellung einer Übersichtsaufnahme senkrecht zu den ge wünschten Schichten (S1-S5)
b) graphische Positionierung der gewünschten Schichten an hand der Übersichtsaufnahme
c) Messung eines 3D-Datensatzes, der die vorgegebenen Schichten umfaßt
d) Rekonstruktion der gewünschten Schichten (S1-S5) aus dem 3D-Datensatz
e) Abbilden der gewünschten Schichten (S1-S5).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß in Schritt b) beliebig ge krümmte Schichten zugelassen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Eingabemittel vorhanden sind, die Schichtpositionierung nach der Messung bei der Re konstruktion zu verändern.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß der 3D-Datensatz aus einem Objektvolumen gewonnen wird, dessen Posi tion und Dicke automatisch so eingestellt wird, daß sie alle gewünschten Schichten umfaßt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß mehrere 3D-Datensätze erfaßt werden, die jeweils einen Teil der ge wünschten Schichten umfassen.

6. Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, beinhaltend:

- Mittel (1) zur Gewinnung und Darstellung einer Übersichtsaufnahme
- Eine Eingabeeinheit (3), mit der auf der Über sichtsaufnahme Linien darstellbar sind.
- Mittel zur Gewinnung eines 3D-Bilddatensatzes (2)
- Rekonstruktionsmittel (2) zur Rekonstruktion von Schnittbildern aus dem 3D-Bilddatensatz entspre chend den mit der Eingabeeinheit (3) vorgegebenen Linien.