DE19546178C2 - Diffusions-sensibilisiertes MRI-Verfahren und -Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Diffusions-sensibilisiertes Imaging-Verfahren und eine MRI-Vorrichtung (Magnetresonanz- Imaging-Vorrichtung), insbesondere ein Diffusions- sensibilisiertes Imaging-Verfahren und eine MRI-Vorrichtung zum Erzeugen eines stabilen diffusionssensibilisierten (diffusion sensitized) Bilds unter Minderung von durch Bewegung und Atmung des untersuchten Patienten verursachten Artefakten.

Fig. 6 zeigt in einem Ablaufdiagramm ein Beispiel des Diffusions-sensibilisierten Imaging-Verfahrens bei einer herkömmlichen MRI-Vorrichtung.

In einem Schritt B1 gibt ein(e) Bedienungsperson oder Operator den zu untersuchenden Bereich und die Zahl n der Phasenkodierung vor.

In einem Schritt B2 wird eine Pulssequenz auf der Grundlage des Spinechoverfahrens bzw. -schemas, mit darauf angewandtem IVIM-(Intra-Voxel Incoherent Motion-)Schema, für den durch den Operator bezeichneten Untersuchungsbereich erzeugt.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel der Pulssequenz auf der Grundlage des Spinechoschemas mit angewandtem IVIM-Schema.

In dieser Pulssequenz wird ein Hochfrequenz- oder HF-Puls R90 von 90° so an den Untersuchungsbereich angelegt, dass darin Spins erzeugt werden; ein HF-Puls Rl80 von 180° wird nach Ablauf einer Zeitspanne TE/2 angelegt, um die Spins umzuklappen; ein Echo wird abgebildet, und dass Bild wird abgetastet. Vor und nach der Anlegung des HF-Pulses R180 werden starke MP- bzw. BA-(Bewegungsabtast-)Gradienten Gl und und G2 für Diffusions-Sensibilisierung auf einer willkürlichen Gradientenachse angelegt. Mit S1 und S2 sind Scheibenwahlgradienten, mit RD der Auslesegradient, mit PH der Phasenkodierungsgradient und mit TE die Echozeit bezeichnet.

Die Pulssequenz des Spinechoschema mit angewandtem IVIM- Schema ist z. B. in der JP-OS Nr. Hei 6-121781 offenbart.

Gemäß Fig. 6 wird in einem Schritt B3 die genannte Pulssequenz für die Häufigkeitszahl n der Phasenkodierung wiederholt, wahrend der Phasenkodierungsgradient PH variiert wird, so dass sequentiell Zeilendaten (im folgenden als "MR- (Magnetresonanz-)Daten" bezeichnet) mit NMR- (Kernmagnetresonanz-)Information längs Zeilen L1, . . ., Ln im k-Raum S gemäß Fig. 8 gewonnen werden.

In einem Schritt V10 werden die zweidimensionale Fourier- Transformation für die MR-Daten im k-Raum S durchgeführt und ein diffusionssensibilisiertes Bild des Untersuchungsbereichs erzeugt.

In einem Schritt V11 wird das erhaltene diffusions­ sensibilisierte Bild wiedergegeben.

Beim beschriebenen herkömmlichen Diffusions-sensibilisiertes Abbildungsverfahren ist die Wiederholung der erwähnten Pulssequenz (Fig. 7) für die bzw. mit der Häufigkeitszahl n der Phasenkodierung erforderlich. Die oftmals angewandte Häufigkeitszahl n der Phasenkodierung ist eine Größe zwischen 128 und 256; in diesem Fall dauert eine Bildaufnahme 2-4 min.

Eine Bildaufnahmezeit von 2-4 Minuten ist jedoch zu lang; dabei können leicht Artefakte auftreten, die auf die Körperbewegung (z. B. Atmung) des Patienten zurück zuführen sind. Die Häufigkeitszahl n der Phasenkodierung hängt unmittelbar mit der Auflösung des k-Raums S in dessen ky- Richtung (Fig. 7) zusammen; wenn daher diese Größe zur Verkürzung der Bildaufnahmezeit verkleinert wird, ist die resultierende Auflösung nicht an die Auflösung in der kx- Richtung des k-Raums S angepasst (durch die Abtast- oder Abgreiffrequenz bestimmt), so daß sich ein neues Problem einer verschlechterten Bildgute ergibt.

Aus "Single-Shot Diffusion Imaging at 2.0 Tesla", von R. Turner und D. Le Bihan, JOURNAL OF MAGNETIC RESONANCE, Band 86, Seiten 445-452, aus 1990 ist eine NMR-Echo-Planar- Imaging-Pulsfolge (EPI-Pulsfolge) bekannt, mit der der k-Raum durch eine Meander-förmige Bahn abgetastet wird, wobei zusätzlich Difussions-sensibilisierende Gradienten vor und nach dem 180° Puls dieser Sequenz angewandt werden. Bei EPI- Pulsfolgen wird eine Vielzahl von Punkten einer Schicht des k-Raums während eines einzigen Echo-Signals abgetastet.

Aus "High-Speed Spiral Scan Echo Planar NMR Imaging-I" von C. B. Ahn u. a., IEEE TRANSACTIONS ON MEDICAL IMAGING, Band MI-5, S. 2-7, Nr. 1, März 1986 ist eine NMR-Echo-Planar-Imaging- Pulsfolge (EPI-Pulsfolge) bekannt, mit der der k-Raum durch eine Spiralförmige Bahn abgetastet wird (SEPI-Pulsfolge).

Aus DE 35 44 595 A1 ist eine NMR-Imaging-Vorrichtung bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Diffusions-sensibilisiertes Imaging-Verfahren und eine MRI-Vorrichtung bereitzustellen, mit denen ohne Beeinträchtigung der Bildgute bei kurzer Bildaufnahmezeit auf die Körperbewegung des Patienten zurückzuführende Artefakte unterdrückt werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und durch eine anspruchsgemäße Vorrichtung gelöst. Die abhängigen Verfahrens- und Vorrichtungsansprüche betreffen weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung.

Beim Diffusions-sensibilisierten Imaging-Verfahren der Erfindung und der zugehörigen Vorrichtung werden MR-Daten mit Diffusionsinformation mittels einer Pulssequenz mit darauf angewandtem IVIM-Schema (IVIM scheme) gesammelt; dabei werden MR-Daten in der Mitte des k-Raums - entsprechend dem Bereich des erwarteten Echozentrums - und MR-Daten längs Spiralbahnen, die in einer Spiralform von der Mitte zum Ende des k-Raums verlaufen, für den Bereich nach dem erwarteten Echozentrum sequentiell gesammelt.

Auf der Grundlage der MR-Daten längs Spiralbahnen im k-Raum ist es möglich, die Häufigkeitszahl der Abtastung in einem Vorgang (inducement) auf das 4- bis 16-fache derjenigen beim (bei der) herkömmlichen Verfahren und Vorrichtung ohne EPI- Pulsfolge zu vergrößern, die keine EPI-Pulsfolge verwenden. Somit ist es möglich die Häufigkeitszahl des Vorgangs, d. h. die Häufigkeitszahl n der Wiederholung der Pulssequenz, auf 1/4 bis 1/16 derjenigen beim (bei der) herkömmlichen Verfahren und Vorrichtung zu verkleinern. Beispielsweise kann eine herkömmliche Häufigkeitszahl n der Phasenkodierung im Bereich von 128-256 erfindungsgemäß auf eine solche im Bereich von 8-64 verringert werden. Infolgedessen kann eine herkömmliche, im Bereich von z. B. 2-4 min liegende Bildaufnahmezeit erfindungsgemäß auf eine solche im Bereich von 7,5 s bis 1 min verkürzt werden; folglich können Bewegungsartefakte unterdruckt werden. Aufgrund der isotropen Verteilung der Positionen von MR-Daten im k-Raum wird die Bildgute nicht beeinträchtigt.

Beim erfindungsgemäßen Diffusions-sensibilisierten Imaging- Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung werden MR-Daten mit Diffusionsinformation mittels einer Pulssequenz mit darauf angewandtem IVIM-Schema gesammelt; dabei werden MR-Daten in der Mitte des k-Raums - entsprechend dem erwarteten Echozentrum - gesammelt, und MR-Daten werden längs Spiralbahnen, die in einer Spiralform von der Mitte zum Ende des k-Raums verlaufen, für den Bereich nach dem erwarteten Echozentrum sequentiell gesammelt. Anschließend wird die Phase der MR-Daten auf der Grundlage der Phase der MR-Daten in der Mitte des k-Raums oder der gemittelten Phase der MR- Daten in dem Bereich um die Mitte des k-Raums herum modifiziert.

Obgleich durch dass Sammeln bzw. die Gewinnung von MR-Daten längs Spiralbahnen im k-Raum, wie erwähnt, Bewegungsartefakte gegenüber dem herkömmlichen Verfahren ohne EPI-Pulsfolge gemildert bzw. unterdruckt werden, erscheinen einige unvermeidbare Artefakte als Phasenverschiebung in den MR- Daten. Der Einfluss der Körperbewegung kann durch Modifizieren der MR-Daten in der Weise weiter reduziert werden, dass die Phase der MR-Daten in der Mitte des k-Raums, wo die Phase unter den einzelnen Pulssequenzen gleich sein soll, korrigiert wird.

Zweckmäßig wird, wenn dass Signal/Rauschverhältnis, d. h. der Rauschabstand, gut ist, die Phase der MR-Daten in der Mitte des k-Raums verwendet. Wenn der Rauschabstand nicht gut ist, kann alternativ die gemittelte Phase von MR-Daten in einem Bereich um die Mitte des k-Raums herum benutzt werden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung naher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer MRI-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm für das Diffusions- sensibilisierter Imaging-Verfahren bei der MR- Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der beim Diffusions-sensibilisierten Imaging-Verfahren gemäß der Erfindung angewandten Pulssequenz,

Fig. 4 eine schaubildliche Darstellung einer Spiralbahn entsprechend der Pulssequenz nach Fig. 3,

Fig. 5 eine schaubildliche Darstellung von Spiralbahnen, die mit einer Häufigkeitszahl der Durchführung (inducement) der Pulssequenz gemäß Fig. 3 erhalten werden,

Fig. 6 ein Ablaufdiagramm des Diffusions-sensibilisierten Imaging-Verfahrens bei der herkömmlichen MR- Vorrichtung ohne EPI-Pulsfolge,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der beim herkömmlichen Imaging-Verfahren nach Fig. 6 benutzten Pulssequenz und

Fig. 8 eine schaubildliche Darstellung eines Zeilenförmigen Bahnverlaufs entsprechend der Pulssequenz gemäß Fig. 6.

Bei der MRI-Vorrichtung 100 nach Fig. 1 weist eine Magnetanordnung 1 eine Bohrung bzw. Öffnung für das Einführen eines Prüflings in ihr Inneres auf. Um die Öffnung herum sind eine Magnetspule für eine statisches Feld zum Beaufschlagen des Prüflings mit einem konstanten statischen Magnetfeld, Gradientenmagnetfeldspulen (mit Spulen entlang der Scheibenachse, der Frequenzachse und der Phasenachse) zum Erzeugen von Gradientenmagnetfeldern, eine Sende- bzw. Übertragungsspule zum Erzeugen eines HF-Pulses zum Induzieren von Atomkernspin-Zustandsänderungen im Prüfling und eine Empfangsspule zum Detektieren bzw. Abgreifen des NMR-Signals vom Prüfling angeordnet. Die Magnetspule für das statische Magnetfeld, die Gradientenmagnetfeldspule, die Übertragungsspule und die Empfangsspule sind jeweils an eine Hauptmagnetfeldstromversorgung 2, einen Gradientenmagnetfeld- Treiberkreis 3, einen Hochfrequenz- bzw. HF- Leistungsverstärker 4 bzw. einen Vorverstärker 5 angeschlossen.

Eine Folgespeicherschaltung 8 arbeitet nach Maßgabe von Befehlen von einem Rechner 7 zur Aktivierung des Gradientenmagnetfeld-Treiberkreises 3 in Übereinstimmung mit der abgespeicherten Pulssequenz in der Weise, dass die Gradientenmagnetfeldspulen in der Magnetanordnung 1 die Gradientenmagnetfelder erzeugen, zur Aktivierung einer Tormodulationsschaltung 9 zum Modulieren des Hochfrequenz- Ausgangssignals von einem HF-Schwingkreis 10 zu einem gepulsten Signal eines vorgeschriebenen Takts (timing) und einer vorgeschriebenen Hüllkurve, zum Leiten des resultierenden HF-Pulses zum HF-Leistungsverstärker 4 und zum Anlegen des verstärkten Pulses an die Übertragungsspule der Magnetanordnung 1 zwecks Übertragung des HF-Pulses.

Der Vorverstärker 5 verstärkt das durch die Empfangsspule der Magnetanordnung 1 vom Prüfling abgegriffene NMR-Signal und liefert das Ausgangssignal zu einem Phasendetektor 12, der seinerseits das Ausgangssignal des HF-Schwingkreises 10 als Referenz- bzw. Bezugssignal abnimmt, die (den) Phasendetektion bzw. -abgriff für das NMR-Signal vom Vorverstärker 5 durchführt und das Ergebnis zu einem A/D- Wandler 11 liefert. Letzterer wandelt das analoge phasendetektierte Signal in ein Digitalsignal um und liefert dieses zum Rechner 7.

Der Rechner 7 führt den Bildumformierprozess an dem vom A/D- Wandler 11 gelieferten Digitalsignal durch, um damit ein Objektbild (ein Protonendichtebild des Objektbereichs) zu erzeugen. Das Objektbild wird auf einer Anzeigevorrichtung 6 wiedergegeben.

Der Rechner 7 bewirkt die Gesamtsteuerung, einschließlich Empfang der an einem Bedienpult 13 eingegebenen Information(en).

Die für die Erfindung wesentliche Spiralabtastung und die Phasenmodifizierung werden als Funktionen der MRI-Vorrichtung 100 durchgeführt.

Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm der erfindungsgemäßen Diffusionsaktivierungs-Abbildungsverfahrens.

In einem Schritt V1 gibt der Operator den zu untersuchenden Bereich und die Häufigkeitszahl M der Durchführung bzw. Vorgänge (inducement) vor.

In einem Schritt V2 wird eine auf dem Spinechoschema mit darauf angewandtem IVIM-Schema basierende Pulssequenz für den durch den Operator vorgegebenen (oder bezeichneten) Untersuchungsbereich erzeugt. Für den Auslesegradienten und den Wrap-Gradienten sei vorausgesetzt, dass eine in einer Spiralform von der Mitte zum Ende des k-Raums verlaufende Spiralbahn geformt oder erzeugt wird.

Fig. 3 veranschaulicht ein Beispiel der auf dem Spinechoschema mit darauf angewandtem IVIM-Schema basierenden Pulssequenz.

In dieser Pulssequenz werden ein HF-Puls R90 von 90° an den Untersuchungsbereich angelegt, um darin "Spins" zu erzeugen bzw. die Spinzustände anzuregen. Nach Ablauf einer Zeitspanne TE/2 wird ein HF-Puls R180 von 180° angelegt, um die Spinzustände umzuklappen, wobei ein Echo-Signal entsteht, das abgebildet wird. Das Bild wird nach dem Echozentrum abgetastet. Dabei erfolgt die HF-Pulsanlegung in der Weise, dass die Gradienten H1 und H2 der Ausleseachse Gx und der Wölbungsachse Gy eine Spiralbahn EΦ bilden, die gemäß Fig. 4 in einer Spiralform von der Mitte zum Ende des k-Raums S verläuft. Vor und nach Anlegung des HF-Pulses R180 werden starke MP- bzw. BA-Gradienten Gl und G2 für die Diffusions- Sensibilisierung auf einer willkürlichen Gradientenachse angelegt. Die Gradienten S1 und S2 auf der Scheibenachse Gz sind Scheibenwahlgradienten.

Gemäß Fig. 2 wird in einem Schritt V3 die genannte Pulssequenz mit der Häufigkeitszahl M für die Vorgangs- oder Durchführungszahl (oder auch Induktionszahl) m = l bis m = M wiederholt, während (dabei) die Lage der Spiralbahn α variiert wird, und es werden MR-Daten Sm(kx, ky) im k-Raum gesammelt. Fig. 5 zeigt Spiralbahnen für Vorgangs- oder Durchführungszahlen m = 1, 2, 3 und 4, wobei M mit 4 vorgegeben ist. Die MR-Daten Sm(kx, ky) sind MR-Daten an Positionen oder Stellen längs der Spiralbahnen mit Vorgangs- oder Durchführungszahlen m.

In einem Schritt V4 wird der Phasenmodifizierzähler bzw. - zählstand m auf "1" initialisiert.

In einem Schritt V5 wird die Phase Θm von MR-Daten Sm(O, O) in der Mitte des k-Raums nach folgender Formel (Gleichung) berechnet:

Θm = arg{Sm(0, 0)}

In einem Schritt V6 werden die Phasen von MR-Daten Sm(kx, ky) an Stellen längs der Spiralbahnen für Vorgangs- oder Durchführungszahlen m nach folgender Formel berechnet:

Sm(kx, ky) = Sm(kx, ky).exp(-iΘm)

In Schritten V7 und V8 werden die genannten Schritte V5 und V6 für m = 2 bis M wiederholt, um die Phasen aller MR-Daten Sm(kx, ky) zu modifizieren.

In einem Schritt V9 werden MR-Daten an den Gitterpunkten im k-Raum durch Interpolation der phasenmodifizierten MR-Daten Sm(kx, ky) ausgewertet.

In einem Schritt V10 erfolgt eine zweidimensionale Fourier- Transformation der MR-Daten an den Gitterpunkten des k-Raums, und es wird ein Diffusions-sensibilisiertes Bild des Untersuchungsbereichs erzeugt.

In einem Schritt V11 wird das erhaltene Diffusions- sensibilisierte Bild wiedergegeben.

Im folgenden ist die Grundlage der Phasenmodifizierung der Schritte V5 und V6 erläutert.

Wenn für Signalquellen ρ(x, y) in reellen Raumpositionen (x, y) die Bewegung aller Signalquellen eindeutig als R(t) ausgedrückt wird, lassen sich die MR-Daten Sm(kx, ky) durch folgende Formel ausdrücken:

Darin bedeutet: γ = Gyromagnetischeverhältnis.

Die Größe θm repräsentiert die Phasenverschiebung in den MP- bzw. BA-Gradienten GI und G2 im Fall des Auftretens von Körperbewegung. Im Fall von GI = G2 und ohne Körperbewegung ist θm gleich Null.

In der Mitte des k-Raums, d. h. (kx, ky) = (0, 0) gilt die folgende Formel:

Sm(0, 0) = exp(iΘm)∫∫ρ(x, y)dxdy

Dies bedeutet, dass die Phase arg{Sm(O, O)} der MR-Daten Sm(O, O) in der Mitte des k-Raums von der der Körperbewegung zuzuschreibenden Phasenverschiebung θm dominiert wird.

Durch Herleiten von θm aus arg{Sm(O, O)} und Vorsehen der entgegengesetzten Rotation θm für MR-Daten Sm(kx, ky) ist es somit möglich, die durch Körperbewegung verursachte Phasenverschiebung θm auszugleichen.

Beim Diffusions-sensibilisierten Imaging-Verfahren und bei der MRI-Vorrichtung gemäß der Erfindung werden MR-Daten längs Spiralbahnen am (im) k-Raum gewonnen; damit ist es möglich, die Häufigkeitszahlen der Abtastung bei einem Vorgang oder Durchführung im Vergleich zum (zur) herkömmlichen Verfahren und Vorrichtung zu verkleinern. Infolgedessen wird es möglich, die Bildaufnahmezeit zu verkürzen und daher Bewegungsartefakte zu unterdrucken. Zudem werden der Zeitaufwand und die Belastung des Patienten herabgesetzt. Aufgrund der isotropen Verteilung der Positionen von MR-Daten am (im) k-Raum verschlechtert sich die Bildgüte nicht. Auch wenn ein gewisser Einfluss von Körperbewegung vorliegt, kann dieser bezüglich der Phasenverschiebung von MR-Daten beseitigt werden.

Claims (4)

1. Verfahren zum Erzeugen eines diffusionssensibilisier­ ten Bildes durch Sammeln oder Gewinnen von Magnetresonanz- Daten mit Diffusionsinformation mittels einer Spinecho- Pulssequenz nach dem IVIM-Verfahren (intra-voxel incoherent motion), wobei die Pulssequenz HF-Pulse (R90, R180) zur Anre­ gung von Spinechosignalen in einem Diagnosebereich und Gradienten (G1, G2) zur Diffusionssensibilisie­ rung, die an eine beliebige Gradientenachse angelegt werden, aufweist,
mit folgenden Schritten:
Sammeln von MR-Daten für den Bereich um die Mitte des k- Raums, und
sequentielles Sammeln von MR-Daten längs einer Anzahl M von Spiralbahnen, die jeweils in einer Spiralform von der Mitte zum Rand des k-Raums verlaufen,
Modifizieren der Phase der MR-Daten einer jeden Spiral­ bahn basierend auf der Phase der MR-Daten dieser Spiralbahn in der Mitte des k-Raums, um den Einfluss einer Körperbewegung zu reduzieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Modifizieren der Phase der MR-Daten auf der Durchschnittsphase von mehre­ ren MR-Daten einer Spiralbahn im Bereich der Mitte des k- Raums beruht.

3. MRI-Vorrichtung zum Erzeugen eines diffusionssensibilisierten Bildes mit dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprü­ che.

4. MRI-Vorrichtung nach Anspruch 3 mit einer Einrichtung (7) zum Modifizieren der Phase der MR-Daten.