DE19616403C2

DE19616403C2 - Verfahren zur Ermittlung des zeitlichen Verlaufs des Grundfelds eines Kernspintomographiegerätes unter geschalteten Gradienten

Info

Publication number: DE19616403C2
Application number: DE19616403A
Authority: DE
Inventors: James W Goldfarb
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-04-24
Filing date: 1996-04-24
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2016-04-25
Also published as: DE19616403A1; JPH1033501A; US5914601A

Description

Die zeitliche Stabilität des Grundmagnetfelds ist bei der Kernspintomographie von entscheidender Bedeutung. Schwankun gen während der Datenakquisition führen zu Artefakten bis hin zur völligen Unbrauchbarkeit des Bildes. Supraleitende Ma gnetsysteme weisen a priori eine hohe Feldstabilität auf. Da bei werden auch Störungen von außen gut abgeschirmt. Aller dings erzeugen geschaltete Gradienten Wirbelströme, die unter gewissen Umständen auch B₀-Feld-Komponenten aufweisen und so mit das Grundfeld verändern. Diese Problematik ist beispiels weise in der US-Patentschrift 5,289,127 ausgeführt. Dabei wird der Verlauf des B₀-Feldes für bestimmte Gradienten sequenzen durch Proben ausgemessen und gespeichert. Bei einer Messung von Bilddaten werden entweder die Anregepulse oder die empfangenen Kernresonanzsignale derart phasenmoduliert, daß die Zeitabhängigkeit des Grundmagnetfeldes kompensiert wird. In dieser Patentschrift ist auch die Möglichkeit er wähnt, anstelle dieser hardwaremäßig durchgeführten Korrektur eine Softwarekorrektur der empfangenen Signale durchzuführen.

In dem Artikel H. Bruder et al "Image Reconstruction for Echo-Planar Imaging with Non-Equidistant k-Space Sampling", Magnetic Resonance in Medicine, 23, S. 311-323, (1992), wird eine Möglichkeit erläutert, beim Echoplanar-Verfahren eine Phasenkorrektur in Richtung des Auslesegradienten durchzufüh ren, um Einflüsse von Grundfeldinhomogenitäten zu beseitigen.

In der Publikation T. Onodera et al "A Method for Measuring Field-Gradient Modulation Shapes. Application to High-Speed Spectroscopic Imaging", SMRM Abstracts, 1986, Seiten 1398 bis 1399, wird ein Verfahren vorgeschlagen, den Verlauf eines Ma gnetfeldgradienten zu messen. Dem auszumessenden Gradienten wird ein Gradient in derselben Richtung vorangestellt. Der Zeitpunkt des Maximums eines Kernresonanzsignals wird erfaßt und abgespeichert. Diese Messung wird mit unterschiedlichen Amplituden des vor angestellten Gradienten wiederholt. Die Einhüllende der Echomaxima repräsentiert dann das Zeitintegral des Gradien tenverlaufs.

Ein ähnliches Verfahren zur Messung des zeitlichen Verlaufs von Magnetfeldgradienten ist in der deutschen Offenlegungs schrift 37 27 055 dargestellt. Dabei wird aus der Lage der Maxima die k-Raum-Trajektorie gebildet. Durch zeitliche Ab leitung der k-Raum-Trajektorie erhält man den zeitlichen Gradientenverlauf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ermittlung des zeitlichen Verlaufs des Grundfeldes eines Kernspintomographiegerätes unter geschalteten Gradienten so auszugestalten, daß spezielle Meßsonden nicht erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird für einen Auslesegradienten durch ein Ver fahren nach Anspruch 1, für mehrere Auslesegradienten in un terschiedlichen Richtungen durch ein Verfahren nach Anspruch 2 gelöst. Durch die in den Ansprüchen 5 bis 7 angegebenen Verfahren wird die über den Zeitverlauf des Grundmagnetfeldes gewonnene Information zur Korrektur von Kernresonanzsignalen bzw. der Hochfrequenz-Anregepulse herangezogen.

Wenn man Relaxationseffekte vernachlässigt, so erhält man un ter dem Einfluß eines einzelnen Magnetfeldgradienten Gx(t) und einer zeitabhängigen Feldinhomogenität ΔB₀ (x, y, z, t) folgenden Verlauf des MR-Signals s(t):

Dabei ist ρ(x, y, z) die Kernspindichte am Ort x, y, z. Im folgenden wird nun eine Pulssequenz nach den Fig. 1 bis 4 näher betrachtet. Dabei wird nach Fig. 1 ein frequenzselekti ver Hochfrequenzpuls RF eingestrahlt, der unter der Wirkung eines Schichtselektionsgradienten Gz nach Fig. 2 schichtse lektiv wirkt. Anschließend folgt ein negativer Teilpuls Gz des Schichtselektionsgradienten Gz, so daß die durch den po sitiven Teilpuls bewirkte Dephasierung wieder rückgängig ge macht wird. Anschließend wird eine Sequenz eines Gradienten Gx in Ausleserichtung geschaltet. Diese besteht aus einem Phasencodiergradienten in Form eines vorangestellten varia blen Teils Gvx und Auslesegradienten in Form eines oszillie renden Teil Gox. Unter dem oszillierenden Gradiententeil Gox wird in einem in Fig. 4 mit AQ bezeichneten Meßfenster das anstehende Kernresonanzsignal ausgelesen.

Bekanntlich weist jedes Kernresonanzsignal dann ein Maximum auf, wenn es vollständig rephasiert ist. Unter der Wirkung eines Gradienten Gx muß also gelten:

Auf die Pulssequenz nach den Fig. 1 bis 4 übertragen, be deutet dies, daß folgende Bedingung erfüllt sein muß:

∫Gvx dτ = -∫Gox dτ (3)

Wenn diese Bedingung erfüllt ist, fällt ein Term aus der Gleichung 1 weg, so daß man zum Zeitpunkt der Signalmaxima folgendes komplexes Signal s(t) erhält:

Die Phase entlang der Signalmaxima beträgt also (unter der Annahme, daß ρ(x, y, z) real ist):

Die zeitliche Position der Signalmaxima in Abhängigkeit vom Integral über den Gradienten Gvx ist in Fig. 5 dargestellt. Die Phase der Signalmaxima entlang dieser Kurve ist also pro portional zum Integral über die Grundfeldinhomogenität.

Ein tatsächlich gemessener Phasenverlauf der Signalmaxima über vier Perioden eines rein sinusförmigen Auslesegradienten Gox ist in Fig. 6 dargestellt. Fig. 7 zeigt die daraus ermit telte Abweichung ΔB₀(t) des Grundmagnetfeldes.

Die damit gewonnene Information über den Phasengang der Si gnalmaxima bzw. die daraus ermittelte Magnetfeldinhomogenität ist spezifisch für den angewandten Auslesegradienten Gox und die durch diesen verursachte Störung des Grundmagnetfeldes. Diese Information kann man nun dazu benutzen, bei der Erfas sung von Bilddaten Kernresonanzsignale, die unter eben diesem Gradienten gewonnen wurden, bezüglich der Phasenfehler zu korrigieren. Ein entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 dargestellter sinusförmiger Gradient wird z. B. beim EPI (Echo-Planar Imaging)-Verfahren angewandt, wie es in den Fig. 8 bis 13 dargestellt ist. Dabei wird zur Gewinnung von Bilddaten gemäß Fig. 8 unter einem frequenzselektiven Hochfrequenzpuls RF bei gleichzeitiger Einwirkung eines Schichtselektionsgradienten Gz zunächst eine Schicht des Un tersuchungsobjektes angeregt. Nachfolgend wird ein negativer Schichtselektionsgradientenpuls Gz^- zur Rephasierung der durch den positiven Teil des Schichtselektionsgradienten G_Z verursachten Dephasierung eingeschaltet sowie ein Vorphasier gradient Gyv in Phasencodierrichtung nach Fig. 10 bzw. 11. Ferner wird in Ausleserichtung ein Vorphasiergradient Gxv eingeschaltet. Schließlich wird gemäß Fig. 12 ein Auslesegra dient Gx mit wechselndem Vorzeichen geschaltet, wobei unter jedem Teilpuls durch Rephasierung ein Kernresonanzsignal S gemäß Fig. 13 entsteht. Zusätzlich müssen die Kernresonanzsi gnale in y-Richtung phasencodiert werden. Dies kann durch eine kontinuierlich eingeschalteten Phasencodiergradienten Gy nach Fig. 10 erfolgen, der einen kontinuierlichen Anstieg der Phasencodierung bewirkt. Alternativ kann zwischen zwei Kern resonanzsignalen S jeweils ein "Blip" eines Phasencodiergra dienten Gy nach Fig. 11 geschaltet werden, der die Phasenco dierung stufenweise weiterschaltet. Die Kernresonanzsignale werden in Meßfenstern AQ erfaßt, phasenempfindlich demodu liert, digitalisiert und nach Real- und Imaginärteil in eine Rohdatenmatrix eingetragen. Aus dieser Rohdatenmatrix gewinnt man dann durch zweidimensionale Fourier-Transformation ein Bild. Nähere Angaben zu diesem Verfahren finden sich in dem bereits eingangs genannten Artikel in "Magnetic Resonance in Medicine", 23, S. 311-323, (1992).

Die soweit gewonnenen Signale unterliegen Phasenfehlern auf grund der eingangs erläuterten Schwankungen des Grundmagnet feldes, die ohne weitere Maßnahmen zu starken Artefakten füh ren würden. Wenn man allerdings für den hier angewandten si nusförmigen Gradienten Gx aufgrund des oben erläuterten Ver fahrens den Phasengang ϕ(t) bzw. die Feldinhomogenität ΔB₀(t) ermittelt, so kann man damit die gemessenen Daten kor rigieren. Dies ist schematisch in Fig. 14 dargestellt. Die gewonnenen Daten über Phasenfehler bzw. Feldinhomogenität sind in einem Korrekturspeicher abgespeichert. Die in einem Empfänger aufgenommenen Kernresonanzsignale werden in einem Demodulator demoduliert. Dabei kann, wie in der US-Patent schrift 5,289,127 ausgeführt, der Phasenfehler des Empfangssignals dadurch korrigiert werden, daß man die Referenzfre quenz entsprechend steuert bzw. das Empfangssignal entspre chend moduliert. Es ist aber auch möglich, nach dem Demodu lator aufgrund der Daten im Korrekturspeicher eine Phasen korrektur durch entsprechende Software durchzuführen. Durch einen Interpolator werden die korrigierten Werte wieder auf ein vorgegebenes, äquidistantes Raster gebracht. Anschließend wird durch zweidimensionale Fourier-Transformation ein Bild erzeugt.

Bisher wurde die Korrektur von durch geschaltete Gradienten verursachten Grundfeldschwankungen für das EPI-Verfahren dar gestellt. Es ist jedoch zu betonen, daß sich dieses Verfahren für jede Gradientenform, d. h. jede Auslesesequenz eignet. Das Problem der Grundfeldschwankungen wird natürlich um so gravierender, je schneller die Gradienten geschaltet werden, da dann Wirbelstromeffekte stärker werden.

Als weiteres Ausführungsbeispiel wird im folgenden die Er mittlung des Grundmagnetfeldverlaufs bei der Spiralabtastung erläutert. Das Verfahren der Spiralabtastung ist in der US- Patentschrift 4,651,096 dargestellt und zeichnet sich dadurch aus, daß im zweidimensionalen Fall zwei, im dreidimensionalen Fall drei Gradienten wechselnder Polarität gleichzeitig wir ken. Diese Gradienten sind sinusförmig ausgeführt und in ih rer Phasenlage zueinander sowie in ihrer Amplitudenentwick lung so dimensioniert, daß man eine spiralförmige Abtastung des k-Raums erhält.

Zur Messung des Zeitverlaufs des Grundmagnetfeldes B₀ wird zunächst gemäß den Fig. 15 und 16 wieder eine schichtse lektive Anregung vorgenommen. Den sinusförmigen, gegeneinan der um 90° versetzten Auslesegradienten Gox bzw. Goy ist je weils wieder ein Phasencodiergradient Gvx bzw. Gvy in dersel ben Richtung vorangestellt, wobei beide Phasencodiergradien ten schrittweise fortgeschaltet werden. In diesem Fall tritt ein Signalmaximum des Kernresonanzsignals dann auf, wenn die Rephasierungsbedingung sowohl in x- als auch in y-Richtung erfüllt ist, wenn also gilt:

Wie im vorhergehenden Beispiel erhält man den zeitlichen Ver lauf des Phasencodiergradienten, wenn man entlang der Signal maxima die Phasenlage des Kernresonanzsignals mißt.

Phasenfehler aufgrund von Schwankungen des Grundmagnetfeldes B₀ können nicht nur in der Auslesephase, sondern auch bei der Anregung auftreten. Dies gilt insbesondere denn, wenn während der Anregung ein oszillierender Gradient wirksam ist, der Wirbelströme verursacht. Als Beispiel für solche Pulssequen zen seien genannt: SPAMM (Spacial Modulation of Magnetiza tion, beschrieben in der US-Patentschrift 5,054,489), Anre gungssequenzen, die gleichzeitig räumlich und spektral selek tiv wirken (z. B. beschrieben in Magnetic Resonance in Medi cine, Bd. 15, S. 287-304, 1990) und zwei- bzw. dreidimensio nale Anregung. Aber auch bei konventionellen Hochfrequenz-An regepulsen kann es zu den obengenannten Problemen kommen, wenn durch steile Flanken des Schichtselektionsgradienten Wirbelströme induziert werden, die während der Anregung das B₀-Feld beeinflussen. Das beschriebene Verfahren kann auch zur Korrektur von Phasenfehlern bei der Anregung eingesetzt werden. Dazu wird ebenfalls für denselben Gradientenverlauf, der bei der Anregung wirksam ist, der zeitliche Verlauf des Grundfeldes ermittelt. Aufgrund der damit gewonnenen Informa tion werden die Hochfrequenz-Anregepulse (z. B. ähnlich wie in der US-Patentschrift 5,289,127 beschrieben) derart phasen moduliert, daß der Einfluß des variierenden Grundmagnetfeldes kompensiert wird.

Mit dem dargestellten Verfahren gelingt es also, den zeitli chen Verlauf des Grundmagnetfeldes unter Einwirkung von ge schalteten Gradienten zu messen, und dessen störenden Einfluß bei der Anregung bzw. beim Auslesen von Kernresonanzsignalen zu kompensieren. Dabei ist keine gesonderte Probe erforderlich, so daß der Meßaufwand reduziert wird.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung des zeitlichen Verlaufs des Grundfeldes eines Kernspintomographiegerätes unter geschalte ten Gradienten mit folgenden Schritten:

a) Ein Kernresonanzsignal (S) wird angeregt.
b) Ein Phasencodiergradient (Gvx) in einer ersten Richtung (x) wird eingeschaltet.
c) Ein Auslesegradient (Gox) in der ersten Richtung mit in vertierter oder alternierender Polarität wird eingeschaltet.
d) Unter dem Auslesegradienten (Gox) wird ein Kernresonanzsi gnal (S) ausgelesen.
e) Die zeitliche Lage mindestens eines Signalmaximums des Kernresonanzsignals (S) wird gespeichert.
f) Die Schritte a) bis e) werden n-mal mit unterschiedlichen Gradienten-Zeitflächen des Phasencodiergradienten (Gvx) wiederholt.
g) Der Verlauf der Phasenlage der abgespeicherten Signalma xima über der Zeit wird bestimmt als Maß für die zum Zeit punkt des jeweiligen Signalmaximums herrschende Magnetfeldabweichung.

2. Verfahren zur Ermittlung des zeitlichen Verlaufs des Grundfeldes eines Kernspintomographiegerätes unter geschalte ten Gradienten mit folgenden Schritten:

a) Ein Kernresonanzsignal (S) wird angeregt.
b) In einer ersten und einer dazu senkrechten zweiten Rich tung (x, y) wird jeweils ein Phasencodiergradient (Gvx, Gvy) eingeschaltet.
c) In der ersten und der zweiten Richtung (x, y) sowie ggf. einer dritten Richtung (z) werden jeweils Auslesegradienten (Gox, Goy) wechselnden Vorzeichens eingeschaltet.
d) Unter den Auslesegradienten (Gox, Goy) wird ein Kernreso nanzsignal (S) ausgelesen.
e) Die zeitliche Lage mindestens eines Signalmaximums des Kernresonanzsignals (S) wird abgespeichert.
f) Die Schritte a) bis e) werden n-mal mit unterschiedlichen Gradienten-Zeitflächen des Phasencodiergradienten (Gvx) der ersten Richtung (x) und m-mal mit unterschiedlichen Gradienten-Zeitflächen des Phasencodiergradienten (Gvy) der zweiten Richtung (y) wiederholt.
g) Der Verlauf der Phasenlage der abgespeicherten Signalma xima über der Zeit wird bestimmt als Maß für die zum Zeit punkt des jeweiligen Signalmaximums herrschende Magnetfeldabweichung.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auslesegra dienten nach Schritt c) denselben Zeitverlauf haben wie zu einer Bildmessung angewandte Auslesegradienten.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Aus lesegradienten nach Schritt c) denselben Zeitverlauf haben wie die bei der Einstrahlung von Hochfrequenz-Anregepulsen im Rahmen einer Bildmessung angewandten Gradienten.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der in Schritt g) ermittelte zeitliche Verlauf der Phasenlage für einen bestimmten Verlauf der Auslesegradienten (Gox, Goy) ab gespeichert und bei nachfolgenden Bildmessungen mit denselben Auslesegradienten zur Phasenkorrektur von gemessenen Kernre sonanzsignalen herangezogen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der in Schritt g) ermittelte zeitliche Verlauf der Phasenlage für einen bestimmten Verlauf der Auslesegradienten abgespeichert und bei nachfolgenden Bildmessungen mit denselben Auslesegra dienten zur Steuerung der Bezugsfrequenz eines beim Empfang eines Kernresonanzsignals angewandten Demodulators herangezo gen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der in Schritt g) ermittelte zeitliche Verlauf der Phasenlage für einen bestimmten Verlauf der Auslesegradienten abgespeichert und bei Bildmessungen, bei denen die bei der Einstrahlung von Hochfrequenz-Anregepulsen angewandten Gradienten mit diesen Auslesegradienten übereinstimmen, zur Phasenkorrektur der Hochfrequenz-Anregepulse herangezogen wird.