DE19649699C2 - Pulssequenz für ein diagnostisches Magnetresonanzgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Pulssequenz für ein diagnosti­ sches Magnetresonanzgerät mit einem Untersuchungsvolumen, worin ein Vorgängergradientenfeld und ein Nachfolgergradien­ tenfeld erzeugt werden, die räumlich nicht-orthogonal zuein­ ander ausgerichtet sind.

In der diagnostisch Magnetresonanztechnik kann wegen der kom­ plexen Meßverfahren eine Vielzahl von Artefakten auftreten. Patientenbewegungen, ob beabsichtigt oder unbeabsichtigt, sind ein sehr häufiger Grund für Artefakte in der Magnetreso­ nanz-Bildgebung. Besonderen Einfluß auf die Bildgebung haben die Herztätigkeit, Blutfluß oder allgemein strömende Körper­ flüssigkeiten, Atembewegungen, nicht beabsichtigte Bewegun­ gen, wie Peristaltik, Schlucken oder Augenbewegungen, sowie zufällige Patientenbewegungen. Alle diese Bewegungen erzeugen Bildstörungen, zusätzlich verursachen periodische Bewegungen Geisterbilder in der Phasencodierrichtung. Zur Minimierung der Bewegungsartefakte wurden mehrere Verfahren entwickelt, wozu eine Vorsättigung mit zusätzlichen Pulsen in der Pulsse­ quenz gehört. Dabei werden sich bewegende Partien durch zu­ sätzliche Hochfrequenzpulse gesättigt, so dass sie im Verlauf der eigentlichen diagnostischen Pulssequenz keine Magnetreso­ nanzsignale aussenden. So können z. B. Bewegungsartefakte ei­ ner sich bewegenden Bauchdecke unterdrückt werden. Da die Sättigungsschichten im allgemeinen nicht die gleiche Orien­ tierung wie die Bildschicht besitzen, sind z. B. ein Vorgän­ gergradientenfeld, mit dessen Hilfe eine zu sättigende Schicht bestimmt wird und ein Nachfolgergradientenfeld, das zu einer weiteren Sättigungsschicht oder zur eigentlichen diagnostischen Pulssequenz gehört, räumlich zueinander ver­ dreht. Bei herkömmlichen Pulssequenzen wird wegen nicht zu vernachlässigender Anstiegs- und Abfallzeiten der Gradienten­ felder das Nachfolgergradientenfeld erst dann erzeugt, wenn das Vorgängergradientenfeld vollständig abgeklungen ist.

In der EP 0 637 756 A ist ein Verfahren und ein Gerät be­ schrieben, womit quasi-gleichzeitig eine Vielzahl von Schich­ ten für die Magnetresonanzbildgebung angeregt werden kann. Dazu werden mehrere Hochfrequenzpulse mit verschiedenen Fre­ quenzen quasi-gleichzeitig, d. h. mit einem kürzest möglichen zeitlichen Abstand, in ein Abbildungsvolumen gesendet, wäh­ rend dort ein Schichtselektionsgradientenfeld erzeugt wird. Durch die verschiedenen Frequenzen werden bei gleichem Schichtselektionsgradienten verschiedene Schichten angeregt, die alle parallel zueinander ausgerichtet sind. Die zur Bild­ erzeugung benötigte Ortscodierung der von den angeregten Schichten abgestrahlten Magnetresonanzsignale erfolgt in her­ kömmlicher Weise mittels eines Phasencodiergradienten und ei­ nes Auslesegradienten, die zueinander und zum Schichtselekti­ onsgradienten senkrecht ausgerichtet sind. Anwendung findet die quasi-gleichzeitige Anregung der Magnetresonanz in Spin- Echo-Sequenzen, zur Vorsättigung von Schichten und zur Inver­ sion. Das Verfahren ist jedoch beschränkt auf parallel zuein­ ander ausgerichtete Schichten, sei es zur Bildgebung oder zur Vorsättigung.

Die EP 0 567 194 A2 offenbart eine Magnetresonanz-Sequenz. In einer ersten Variante der dort beschriebenen Sequenz wird in Richtung des Hauptmagnetfeldes ein Schichtselektionsgradien­ tenfeld erzeugt zur Bildgebung einer Schicht. Bei einer zwei­ ten alternativen Variante erfolgt in Richtung des Hauptmag­ netfeldes eine Phasencodierung zur Bildgebung eines Volumens.

Verschiedene Ausführungsformen einer Magnetresonanz-Sequenz zur Erzeugung von mehrfachen MR-Antwortsignalen sind in der WO 94/04937 A1 beschrieben. In einer Ausführungsform werden mehrere sehr kurze Hochfrequenzpulse in ebenfalls sehr kurzen zeitlichen Lücken des Lesegradienten eingestrahlt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die eingangs angegebene Pulssequenz zeitlich zu verkürzen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Vorgängergradien­ tenfeld und das Nachfolgergradientenfeld teilweise überlap­ pend erzeugt werden. Da die Hochfrequenzpulse jeweils nur im zeitlich konstanten Plateau der Gradientenfelder ins Untersu­ chungsvolumen abgestrahlt werden, können insbesondere die Flanken der Gradientenfelder, ohne dass sich die Gradienten­ felder gegenseitig stören, zeitlich überlappend erzeugt wer­ den. Dadurch werden die Signalakquisition beschleunigt und die insgesamt benötigte Zeit der Pulssequenz verkürzt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im zeitlichen Überlappungsbereich des Vorgän­ gergradientenfeldes mit dem Nachfolgergradientenfeld dem Gra­ dientensystem Sollwerte zugeführt werden, die als eine Summe aus einer Addition von Sollwerten des Vorgängergradientenfel­ des mit Sollwerten des Nachfolgergradientenfeldes gebildet werden. Die Addition kann vom Steuerrechner durch Abarbeiten eines entsprechenden Steuerprogramms durchgeführt werden.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung werden die Sollwerte des Vorgängergradientenfeldes im Sinne eines ersten Ergebnisvektors als ein erstes Produkt aus einem Vektor von ersten Ursprungssollwerten multipliziert mit einer ersten Drehmatrix und die Sollwerte des Nachfolgergradientenfeldes im Sinne eines zweiten Ergebnisvektors als ein zweites Pro­ dukt aus einem Vektor von zweiten Ursprungssollwerten multip­ liziert mit einer zweiten Drehmatrix gebildet. Die beiden Er­ gebnisvektoren werden zu einem Sollvektor addiert. Der Sollvektor kann nun an das Gradientensystem ausgegeben wer­ den.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die Sollwerte in einen Ergebnispufferspeicher gelan­ gen und daraus mit einem DMA-Controller (Direct Memory Access Controller) oder einer Interrupt-Routine ausgelesen und dem Gradientensystem zugeführt werden. Durch die Zwischenschal­ tung eines Ergebnispufferspeichers ist sichergestellt, daß eine Realtime-Ausgabe der Sollwerte unabhängig von den zuvor durchzuführenden Drehmatrixmultiplikationen von einem Taktge­ nerator getriggert erfolgen kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung führt zu einer erheb­ lich vereinfachten Programmstruktur, wenn für jede Komponente der ersten und zweiten Ursprungssollwerte ein Zwischenpuffer­ speicher vorgesehen ist, wobei die Zwischenpufferspeicher je­ weils unabhängig voneinander mit mehreren zeitlich aufeinan­ derfolgenden Werten der zugeordneten Ursprungssollwertekompo­ nente geladen werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß mit Hilfe des Vorgängergradientenfeldes ein Sättigungsbereich und mit Hilfe des Nachfolgergradientenfel­ des ein vom Sättigungsbereich räumlich verschiedener Diagno­ sebereich oder ein weiterer Sättigungsbereich festgelegt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand von drei Figuren erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die wesentlichen Komponenten eines diagnostischen Magnetresonanzgeräts,

Fig. 2 eine Pulssequenz, bei der räumlich verschieden aus­ gerichtete und zeitlich teilweise überlappende Gra­ dientenfelder erzeugt werden und

Fig. 3 in einem Blockdiagramm die Hauptschritte zur Erzeu­ gung der Sollwerte für das Gradientensystem.

Fig. 1 zeigt in einem Übersichtsbild ein diagnostisches Ma­ gnetresonanzgerät, mit dem anatomische Schnittbilder und An­ giogramme des menschlichen Körpers erstellt oder auch funk­ tionelle Untersuchungen durchgeführt werden können. Das Ma­ gnetresonanzgerät umfaßt Spulen 1 bis 4, die in ihrem Innen­ raum in einem Untersuchungsvolumen 6 in axialer Richtung ein nahezu homogenes magnetisches Grundfeld hoher Feldstärke er­ zeugen. In dem Untersuchungsvolumen 6 befindet sich bei An­ wendung zur medizinischen Diagnostik eine zu untersuchende Partie eines Patienten 8. Dem Untersuchungsvolumen 6 zugeord­ net ist ein Gradientenspulensystem zur Erzeugung unabhängiger Zusatzmagnetfelder. Die Zusatzmagnetfelder besitzen als Gra­ dientenfelder zueinander senkrechte Magnetfeldgradienten in Richtungen x, y und z gemäß einem rechtwinkligen Koordinaten­ system 10. In Fig. 1 sind der Übersichtlichkeit halber nur Gradientenspulen 12 und 14 eingezeichnet, die zusammen mit einem Paar gegenüberliegender gleichartiger Gradientenspulen zur Erzeugung eines Gradienten in x-Richtung dienen. Gleich­ artige, hier nicht eingezeichnete Gradientenspulen zur Erzeu­ gung eines Gradientenfeldes in y-Richtung liegen parallel zum Patienten 8 und oberhalb sowie unterhalb von ihm. Gradienten­ spulen zur Erzeugung des Gradientenfeldes in z-Richtung lie­ gen quer zur Längsachse des Patienten 8 am Kopf- und am Fuß­ ende.

Weiterhin umfaßt das Magnetresonanzgerät noch eine zur Erzeu­ gung und Aufnahme von Magnetresonanzsignalen verwendete Hoch­ frequenzantenne 16.

Die von einer strichpunktierten Linie 18 umgrenzten Spulen 1 bis 4, das Gradientenspulensystem und die Hochfrequenzantenne 16 stellen das eigentliche Untersuchungsgerät dar, das weit­ gehend frei von Störsignalen sein muß und von einer Hochfre­ quenzabschirmung umgeben ist. Die strichpunktierte Linie 18 soll die Hochfrequenzabschirmung symbolisieren.

Die übrigen Komponenten des Magnetresonanzgeräts sind außer­ halb der Hochfrequenzabschirmung 18 angeordnet. Zum Betrieb der Magnetspulen 1 bis 4 ist ein Gleichstromnetzteil 20 vor­ gesehen. Eine Gradientenstromversorgung 22 speist das Gra­ dientenspulensystem mit den zum Aufbau und Abbau der Gradien­ tenfelder benötigten Strömen. Die Gradientenstromversorgung 22 und das Gradientenspulensystem bilden zusammen das Gra­ dientensystem des Magnetresonanzgeräts. Die Hochfrequenzan­ tenne 16 ist über eine Sende-Empfangsweiche 24 (hier als Um­ schalter dargestellt) mit einer Hochfrequenzeinrichtung 26 zur Signalerzeugung und Signalaufnahme verbunden. Die Hoch­ frequenzeinrichtung 26 umfaßt einen Empfangsverstärker 28 und einen Hochfrequenzsender 30. Der Betrieb des Magnetresonanz­ geräts wird gesteuert von einem Steuerrechner 32, an den ge­ gebenenfalls über einen hier nicht weiter dargestellten Bild­ rechner ein Monitor 34 angeschlossen ist. Der Steuerrechner 32 erzeugt unter anderem Sollwerte des Gradientenfeldes, die mit G_x, G_y und G_z bezeichnet sind.

Fig. 2 zeigt die zu einer Gradientenecho-Pulssequenz, hier eine FLASH-2D-Sequenz, gehörenden Hochfrequenzsignale und Ur­ sprungsgradientensollwerte in ihrer zeitlichen Zuordnung. Ei­ ne obere Zeitachse 40 zeigt in der Pulssequenz erzeugte und empfangene Hochfrequenzpulse bzw. deren Einhüllende. Entlang einer Zeitachse 42 ist der zeitliche Verlauf eines Schichtse­ lektionsgradienten G_S dargestellt. Entlang einer Zeitachse 44 ist im zeitlichen Verlauf ein Auslesegradient G_R dargestellt. Entlang einer Zeitachse 46 der zeitliche Verlauf eines Phasencodiergradienten G_P gezeigt. Die Gradienten G_S, G_R und G_P stehen senkrecht aufeinander, ihre Sollwerte liegen als soge­ nannte logische Gradientenwerte in einem ersten Koordinaten­ system (SRP-Koordinatensystem) als digitale Stützpunkte in äquidistanten Abständen von z. B. 10 µs vor. Die zu einem Zeitpunkt t gehörenden Ursprungsgradientensollwerte bilden jeweils einen Gradientenvektor mit den Komponenten G_S(t), G_R(t), G_P(t). Die tatsächlichen physikalischen Gradienten G_x, G_y und G_z erhält man aus den logischen Gradienten G_S, G_R, G_P nach einer Koordinatentransformation, die eine Drehung der beiden Koordinatensysteme zueinander bewirkt. Die Drehung wird - wie anhand von Fig. 3 noch beschrieben wird - durch eine Multiplikation der logischen Gradientenwerte G_S, G_R, G_P mit einer Drehmatrix, die die Richtungskosinusse der entspre­ chenden Koordinatenachsen enthält, erzeugt.

Ein erster Hochfrequenz-Sendeimpuls 50 wird zusammen mit ei­ nem Schichtauswahlgradientenimpuls 52, der mittels einer Drehmatrix D₁ in Sollwerte G_x, G_y und G_z für das Gradientensy­ stem transformiert wird, erzeugt. Damit soll eine vorgegebene Schicht gesättigt werden, so daß von ihr während der eigent­ lichen diagnostischen Pulssequenz keine Magnetresonanzsignale empfangen werden. Die diagnostische Pulssequenz beginnt zum Zeitpunkt t₁, nachdem der Hochfrequenz-Sendeimpuls 50 abge­ klungen ist. Dabei werden die Ursprungssollwerte G_S, G_R und G_P mit einer anderen Drehmatrix D₂, die durch die Drehung der tatsächlichen Abbildungsschicht vorgegeben ist, multipli­ ziert, um die entsprechenden Gradientensollwerte G_x, G_y und G_z zu erzeugen. Es ergibt sich ein Überlappungsbereich 51 vom Zeitpunkt t₁ bis zum Zeitpunkt t₂ des durch den Gradienten­ puls 52 und die Drehmatrix D₁ definierten Vorgängergradien­ tenfeldes mit dem durch die Gradientenimpulse 54 und 56 und der Drehmatrix D₂ definierten Nachfolgergradientenfeldes. Der erste Teil des Schichtselektionsgradientenimpulses 54 und des Auslesegradientenimpulses 56 dient zur Dephasierung der angeregten Spins in den entsprechenden Richtungen. Nachdem das Auslesegradientenfeld abgeschaltet ist, wird nun bei weiter eingeschaltetem Schichtselektionsgradienten G_S ein Hochfre­ qenzanregeimpuls 58 zur Anregung mit einem kleinen Flipwinkel gesendet. Nahezu gleichzeitig mit den negativen Impulsen 60 und 62 des Schichtselektionsgradienten G_S und des Auslesegra­ dienten G_R wird ein Phasencodiergradientenimpuls 64 aufge­ schaltet. Unter dem Auslesegradientenimpuls 66 wird dann ein Magnetresonanzsignal 68 empfangen. Die Gradientenimpulse 70, 72 und 74 schließen die Pulsfolge für eine erste Phasenco­ dierrichtung ab. Darauffolgend werden mit unterschiedlichen Phasencodiergradienten G_P symbolisiert durch die Pfeile 76 und 78 weitere Magnetresonanzsignale empfangen.

In Fig. 3 ist nun in einem Übersichtsdiagramm die Erzeugung der überlappenden Gradientenfelder gezeigt. Zwischenpuffer­ speicher 80, 82, 84, 86, 88, 90 werden jeweils mit den Ur­ sprungssollwerten der entsprechenden Gradienten aufgefüllt. Dabei steht der Index A für das Vorgängergradientenfeld und der Index B für das Nachfolgergradientenfeld. Der Index S steht für den logischen Schichtselektionsgradienten, der In­ dex R für den logischen Auslesegradienten und der Index P für den logischen Phasencodiergradienten. Da die Sollwerte soft­ waremäßig aus Formtabellen FORM mit einem entsprechenden Ska­ lierungsfaktoren SKAL erzeugt werden, ist es vorteilhaft, die Zwischenpufferspeicher 80, 82, 84, 86, 88 und 90 jeweils mit mehreren zeitlich aufeinanderfolgenden Werten desselben Gra­ dienten zu laden. So können z. B. jeweils 30 zeitlich aufein­ anderfolgende Stützpunkte, die eine Zeitdauer von 30 × 10 µs = 300 µs im zeitlichen Verlauf des Gradientenfeldes abdecken, in die Zwischenpuffer 80, 82, 84, 86, 88 und 90 eingelesen werden. Die Ursprungssollwerte im SRP-Koordinatensystem wer­ den dann jeweils für das Vorgängergradientenfeld (Index A) einer Multiplikation mit einer Drehmatrix D₁ in einer Multi­ plikationsstufe 92 und für das Nachfolgergradientensystem (Index B) einer Multiplikation mit einer Drehmatrix D₂ in ei­ ner Multiplikationsstufe 94 unterworfen. Das Ergebnis der Drehmatrixmultiplikation ist ein Vorgängergradientenfeld (Index A) und ein Nachfolgergradientenfeld (Index B) im tat­ sächlich vorhandenen x-, y-, z-Koordinatensystem. Die Werte für das Vorgängergradientenfeld und für das Nachfolgergra­ dientenfeld werden nun in entsprechenden Summationsstufen 96, 98, 100 addiert und ergeben die Sollwerte für die Gradienten­ felder G_x, G_y und G_z. Die Sollwerte G_x, G_y, G_z werden in je­ weils einem Ergebnispufferspeicher 102, 104, 106 abgelegt. Die Ergebnispufferspeicher können als Wechselpuffer oder als FIFO (First in - First out) realisiert werden. Damit kann z. B. ein DMA-Controller oder eine Interrupt-Routine im Gra­ dientenstützpunktraster von z. B. 10 µs jeweils drei Werte auslesen und die Gradientenverstärker 22 versorgen, während gleichzeitig neue Werte berechnet werden. Verwendet man zum Auslesen drei getrennte Lesezeiger, z. B. drei DMA-Controller, können unterschiedliche Laufzeiten der Gradientensignale in der Gradienten-Hardware ausgeglichen werden.

Wenn die Zwischenpufferspeicher 80, 82, 84, 86, 88 und 90 als Wechselpufferspeicher oder FIFO-Speicher realisiert werden, kann eine erste Task diese Zwischenpufferspeicher füllen und eine zweite Task die Matrizenmultiplikation und die Addition durchführen.

Das Verfahren ist hier so realisiert, daß bei Bedarf auch Gradientenfelder mit unterschiedlicher Ausrichtung völlig überlagert werden können, d. h., die physikalischen Gradien­ tenfelder werden aus logischen Gradientenfeldern mit unter­ schiedlichen Drehmatrizen mit anschließender Addition er­ zeugt.

Claims (10)

1. Pulssequenz für ein diagnostisches Magnetresonanzgerät mit einem Untersuchungsvolumen (6), worin ein Vorgängergra­ dientenfeld und ein Nachfolgergradientenfeld erzeugt werden, die räumlich nicht-orthogonal zueinander ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorgängergradientenfeld und das Nachfolgergradientenfeld zeitlich überlappend erzeugt werden.

2. Pulssequenz nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass sich eine Abschaltflanke im zeitlichen Verlauf des Vorgängergradientenfeldes mit einer Einschaltflanke im zeitlichen Verlauf des Nachfolgergradien­ tenfeldes zeitlich überlappt.

3. Pulssequenz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorgängergradien­ tenfeld und das Nachfolgergradientenfeld jeweils durch eine räumliche Überlagerung von bis zu drei jeweils senkrecht zu­ einander ausgerichteten Gradientenfeldkomponenten (G_x, G_y, G_z) gebildet wird.

4. Pulssequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, dass das Vor­ gängergradientenfeld und das Nachfolgergradientenfeld mit ei­ nem einzigen Gradientensystem erzeugt werden.

5. Pulssequenz nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass zumindest im zeitlichen Ü­ berlappungsbereich des Vorgängergradientenfeldes mit dem Nachfolgergradientenfeld dem Gradientensystem Sollwerte zuge­ führt werden, die als eine Summe aus einer Addition von Soll­ werten des Vorgängergradientenfeldes mit Sollwerten des Nach­ folgergradientenfeldes gebildet werden.

6. Pulssequenz nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Sollwerte (G_xA, G_yA, G_zA) des Vorgängergradientenfeldes im Sinne eines ersten Ergebnis­ vektors als ein erstes Produkt aus einem Vektor von ersten Ursprungssollwerten (G_SA, G_RA, G_PA) multipliziert mit einer ersten Drehmatrix (D₁) und die Sollwerte des Nachfolgergra­ dientenfeldes (G_xB, G_yB, G_zB) im Sinne eines zweiten Ergebnis­ vektors als ein zweites Produkt aus einem Vektor von zweiten Ursprungssollwerten (G_SB, G_RB, G_PB) multipliziert mit einer zweiten Drehmatrix (D₂) gebildet werden.

7. Pulssequenz nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die ersten und zweiten Ur­ sprungssollwerte (G_SA, G_RA, G_PA; G_SB, G_RB, G_PB) jeweils drei von­ einander unabhängige Ursprungssollwertkomponenten umfassen.

8. Pulssequenz nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Ursprungs­ sollwerte (G_SA, G_RA, G_PA) und die zweiten Ursprungssollwerte (G_SB, G_RB, G_PB) als Komponenten in einem ersten rechtwinkligen Koordinatensystem vorliegen.

9. Pulssequenz nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Sollwerte (G_x, G_y, G_z) in digitaler Form in einen Ergebnispufferspeicher (102, 104, 106) gespeichert werden und daraus mit einem DMA- Controller oder einer Interrupt-Routine ausgelesen und dem Gradientensystem zugeführt werden.

10. Pulssequenz nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Komponente der ersten und zweiten Ursprungssollwerte (G_SA, G_RA, G_PA; G_SB, G_RB, G_PB) ein Zwischenpufferspeicher (80, 82, 84, 86, 88, 90) vorgese­ hen ist, welche Zwischenpufferspeicher (80, 82, 84, 86, 88, 90) jeweils unabhängig voneinander mit mehreren zeitlich aufein­ anderfolgenden Werten der zugeordneten Ursprungssollwertkom­ ponenten geladen werden.