DE19713005A1

DE19713005A1 - Verfahren zur Kontrastmittelverfolgung mittels MR-Bildgebung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19713005A1
Application number: DE1997113005
Authority: DE
Inventors: Hubertus Dipl Phys Dr Fischer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 1998-10-01

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Bei der MR-Bildgebung eröffnen sich durch die Injektion von Kontrastmitteln in das Untersuchungsobjekt erweiterte diagno stische Möglichkeiten. Das Anreicherungsverhalten von parama gnetischen Kontrastmitteln wird z. B. in der Mammographie mit tels kernmagnetischer Resonanz untersucht. Dabei wird eine Messung vor der Gabe des Kontrastmittels durchgeführt und dann durch weitere Messungen die Ausbreitung des Kontrastmit tels festgestellt. Zur Messung wird dabei üblicherweise eine sogenannte "Flash"-Sequenz benutzt, wie sie z. B. im US-Patent 4 707 658 beschrieben wurde. Dabei können entweder zweidimen sionale oder dreidimensionale Datensätze gewonnen werden. Bei dieser Untersuchung werden hohe Anforderungen an die räumli che und zeitliche Auflösung des MR-Verfahrens gestellt. Zur Befundung der Morphologie eines Tumors ist eine hohe räumli che Auflösung mit Bildelementgrößen im Bereich von 1 mm³ ge wünscht. Andererseits ist auch eine schnelle Verfolgung der Kontrastmittelanreicherung erforderlich, da nach Kaiser eine schnelle Anreicherung ein Kriterium für Malignität ist. Lä sionen, die innerhalb der ersten Minute nach Injektion des Kontrastmittels über einen gewissen Prozentsatz anreichern, sind potentiell maligne. Bei den heute verfügbaren Kernspin tomographiegeräten beträgt jedoch die Meßzeit für die Erstel lung eines Bildes mit einer Auflösung in der Größenordnung von 1 mm³ deutlich länger als eine Minute. Damit kann das Kontrastmittel im Bild nicht mit der an sich gewünschten Ge schwindigkeit verfolgt werden.

Das Problem der zeitlichen Auflösung tritt auch bei anderen Anwendungen in der Kernspintomographie auf, z. B. wenn allge meine Bewegungsvorgänge in Form einer Filmbildgebung unter sucht werden sollen. Hierfür wurde als Lösung die sogenannte "Keyhole"-Technik vorgeschlagen, wie sie beispielsweise in der US Patentschrift 5 168 226 beschrieben ist. Dabei wird zunächst ein vollständiger Datensatz für das zu betrachtende Objekt gewonnen. Anschließend werden nur noch die zentralen Bereiche in der k-Raummatrix aktualisiert. Dieses Vorgehen geht von der Erkenntnis aus, daß der Kontrast eines MR-Bildes im wesentlichen durch die Daten bestimmt wird, die im zentra len Bereich des k-Raums eingetragen werden, während die Rand bereiche des k-Raums die Auflösung bestimmen. Dabei werden wie bei MR-Messungen üblich die einzelnen Zeilen in einer li nearen Reihenfolge von einem Ende des k-Raums zum anderen En de des k-Raums aufgenommen.

Mit dieser "Keyhole"-Technik läßt sich jedoch das spezielle Problem der Kontrastmittelverfolgung, nämlich die Verfolgung einer schnellen Anreicherung nicht lösen, da in jedem Fall zunächst ein vollständiger Datensatz aufgenommen wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Kon trastmittelverfolgung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu finden, wobei die Erfordernisse sowohl hin sichtlich der räumlichen Auflösung als auch der Verfolgbar keit der Kontrastmittelausbreitung erfüllt werden.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens dadurch gelöst, daß die Phasencodierung derart durchgeführt wird, daß Meßwer te im zentralen Bereich des k-Raums zu früheren Zeitpunkten nach der Anregung gewonnen werden als Meßwerte in Randberei chen des k-Raums. Da - wie bereits oben erwähnt - der Bild kontrast weitgehend vom zentralen Bereich des k-Raums be stimmt wird und dieser zentrale Bereich bereits kurz nach der Anregung erfaßt wird, erhält man ein Bild, dessen Kontrast sehr schnell durch die Kontrastmittelausbreitung bestimmt ist.

Vorteilhafterweise werden dabei beginnend vom Zentrum des k- Raums abwechselnd Meßwerte beidseitig des Zentrums mit zuneh mendem Abstand vom Zentrum gewonnen. Damit werden die sich aufgrund der Kontrastmittelausbreitung zeitlich ändernden Meßinformationen auf die obere und untere Hälfte des k-Raums relativ gleichmäßig verteilt, so daß Bildartefakte vermieden werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird in einer weiteren Meßfolge die Phasencodierung derart durchgeführt, daß Meßwer te in Randbereichen des k-Raums zu einem früheren Zeitpunkt nach der Anregung gewonnen werden als Meßwerte im zentralen Bereich des k-Raums. Damit wird der Bildkontrast weitgehend durch "späte" Messungen bestimmt, so daß man in dieser weite ren Meßfolge Aufschlüsse hinsichtlich der längerfristigen Kontrastmittelausbreitung gewinnt, die unter anderen Ge sichtspunkten ebenfalls von Bedeutung ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 17 näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1-6 eine Pulssequenz zur Gewinnung zweidimensionaler Bilddatensätze

Fig. 7-12 eine Pulssequenz zur Gewinnung dreidimensionaler Bilddatensätze

Fig. 13 schematisch eine Rohdatenmatrix

Fig. 14 die zeitlich linear ansteigende Anordnung der k-Raumdaten nach dem Stand der Technik

Fig. 15 ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der k-Raumpositionen, wobei der zentrale Bereich zuerst erfaßt wird

Fig. 16 ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der er faßten k-Raumpositionen, wobei Randbereiche zu erst erfaßt werden

Fig. 17 eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Zur Durchführung des Verfahrens kann z. B. eine Flash-Sequenz verwendet werden, wie sie in den Fig. 1 bis 6 dargestellt ist. Die Sequenz selbst entspricht im wesentlichen dem her kömmlichen Ablauf, wobei lediglich der Ablauf der Phasenco dierung in einer später erläuterten Weise abgewandelt wird. Wie bei jeder Flash-Sequenz wird zunächst unter dem positiven Teilpuls GS+ eines Schichtselektionsgradienten GS ein Hoch frequenzpuls RF eingestrahlt. In einer anschließenden Phase sind Gradienten in drei Richtungen gleichzeitig eingeschal tet:

- ein negativer Teil GS des Schichtselektionsgradienten GS, um die durch den positiven Teil GS verursachte Dephasie rung rückgängig zu machen
- ein Phasencodiergradient GP
- ein Vorphasierpuls GW in Ausleserichtung.

In der dritten Phase ist ein positiver Puls GR⁺ des Auslese gradienten GR eingeschaltet. Unter diesem entsteht ein Gra dientenechosignal S, das abgetastet wird. Die Abtastzeitpunk te sind in Fig. 6 mit AQ schematisch eingetragen. Die gesamte Pulssequenz wird N-mal mit einem zeitlichen Abstand TR wie derholt. Bei den einzelnen Wiederholungen wird der Phasenco diergradient GP geändert, was durch die einzelnen Linien in Fig. 3 angedeutet ist.

Die einzelnen Meßwerte werden nun je Signal S in eine Zeile einer in Fig. 13 schematisch dargestellten Rohdatenmatrix RD eingetragen. Diese Rohdatenmatrix kann man als Meßdatenraum betrachten, der im allgemeinen als k-Raum bezeichnet wird. Für den k-Raum gilt folgende Definition:

Dabei ist γ die Larmor-Konstante und Gx, Gy, Gz ein Magnet feldgradient in der Richtung x, y bzw. z eines kartesischen Koordinatensystems. Auf die Pulssequenz nach den Fig. 1 bis 6 übertragen könnte z. B. der Schichtselektionsgradient GS in z-Richtung, der Phasencodiergradient GP in y-Richtung und Aus lesegradient GR in x-Richtung liegen, so daß für diesen Fall also gilt:

Gz = GS, Gy = GP, Gx = GR.

Aus einem Rohdatensatz im k-Raum, also der Rohdatenmatrix RD nach Fig. 13 kann man nun ein Bild rekonstruieren, da zwischen dem Ortsraum (also dem Bild) und dem k-Raum mathematisch der Zusammenhang über folgende mehrdimensionale Fourier-Trans formation besteht:

Dabei ist p (x,y,z) die Spindichteverteilung und S das erhal tene Signal. Da die Meßwerte als diskrete numerische Werte vorliegen, wird die Fourier-Transformation als diskrete Fou rier-Transformation mittels FFT (Fast Fourier Transform)- Verfahren durchgeführt.

Wie bereits oben erwähnt, belegt jedes Signal S eine Zeile der Rohdatenmatrix. Die Zeilenposition ist dabei entsprechend der obigen Ausführungen durch den Wert k_y, also durch das Zeitintegral über den vorausgehenden Phasencodiergradienten GP festgelegt. Bei herkömmlichen Pulssequenzen wird dabei der Phasencodiergradient GP von einem negativen Maximalwert schrittweise bis zu einem positiven Maximalwert verändert, d. h. im k-Raum besteht ein zeitlich linearer Anstieg der k-Raumwerte von -k_max nach +k_max. Anders ausgedrückt wird zuerst die unterste Zeile der Rohdatenmatrix RD gewonnen und dann fortlaufend höhere Zeilen.

Es ist bekannt, daß der Bildkontrast im wesentlichen durch den zentralen Bereich der Rohdatenmatrix RD bestimmt wird, während die Randzonen im wesentlichen zur Bildauflösung bei tragen. Eine Betrachtung der konventionellen Abfolge nach Fig. 14 zeigt, daß die zentralen k-Raumwerte etwa in der Mitte der Gesamtsequenz gewonnen werden. Dies bedeutet, daß Vorgänge, die deutlich vor der Mitte der Pulssequenz ablaufen, sich kaum auf den Kontrast auswirken, also kaum den Bildeindruck bestimmen. Wenn man also z. B. eine Kontrastmittelanreicherung schnell verfolgen, so steht man vor dem Problem, daß Anrei cherungen, die deutlich vor der Mitte des Meßvorgangs ablau fen, sich im Bild kaum niederschlagen.

Der erfindungsgemäße Gedanke besteht nun darin, die Reihen folge der Datenakquisition bezüglich der k-Raumposition zu verändern, und zwar indem man den Phasencodiergradienten GP so steuert, daß man den zentralen Bereich des k-Raums inner halb eines Meßvorgangs sehr schnell erfaßt. Damit wird der Bildkontrast maßgeblich durch Vorgänge bestimmt, die in der Anfangsphase der Pulssequenz ablaufen. Die Randwerte des k-Raums, also die äußeren Zeilen der Rohdatenmatrix RD werden erst nachfolgend bestimmt. Dabei kann man - wie in Fig. 15 dargestellt - alternierend Werte aus der oberen und unteren Hälfte des k-Raums gewinnen. Damit wird vermieden, daß von Zeile zu Zeile größere Sprünge in der Zeitskala der Meßwert erfassung auftreten. Solche Sprünge könnten zu Bildartefakten führen.

Nun gibt es durchaus auch Fälle, in denen zusätzlich oder al ternativ zur schnellen Kontrastmittelausbreitung die länger fristige Kontrastmittelausbreitung einen diagnostischen Wert hat. Für die Beurteilung einer Läsion kann z. B. eine Erfas sung der Kontrastmittelausbreitung nach 10-15 Minuten von Bedeutung sein. Um eine Bewegung des Untersuchungsobjekts zwischen den Messungen möglichst zu vermeiden, ist ein konti nuierliches Protokoll wichtig, d. h. die gesamte Messung soll ohne längere Pausen erfolgen.

Hierzu wird zweckmäßigerweise eine zweite Meßfolge einge setzt, bei der die zentralen k-Raumzeilen am Ende einer Meß sequenz erfaßt werden, während die Randbereiche gleich zu Be ginn der Meßsequenz gewonnen werden. Ein entsprechender zeit licher Ablauf ist in Fig. 16 dargestellt. Damit wird der Bild kontrast im wesentlichen durch Vorgänge in einer späteren Zeitphase der Pulssequenz bestimmt. Dieses Kontrastverhalten könnte man natürlich auch erreichen, indem man eine Pulsse quenz mit dem üblichen linearen Ablauf zu einem späteren Zeitpunkt einsetzen läßt. Damit erhält man jedoch eine länge re Pause zwischen den einzelnen Messungen und die gesamte Un tersuchungszeit dauert länger.

In den Fig. 1 bis 6 wurde eine 2D-Pulssequenz dargestellt, d. h. mit dem Hochfrequenzpuls RF wird unter der Wirkung des Schichtsselektionsgradienten GS eine dünne Schicht des Unter suchungsobjekts ausgewählt, aus der nachfolgend zweidimensio nale Bildinformationen gewonnen werden. Zur Beobachtung der Kontrastmittelausbreitung ist es aber zweckmäßig, ein dreidi mensionales Volumen zu betrachten. Dazu kann man eine 3D-Pulssequenz einsetzen, wie sie in den Fig. 7 bis 12 darge stellt ist. Im Unterschied zu der in den Fig. 1 bis 6 darge stellten Pulssequenz ist hierbei die Bandbreite des Hochfre quenzpulsen RF in Verbindung mit der Amplitude des während der Anregung eingeschalteten Gradienten GSP so gewählt, daß nicht nur eine dünne Schicht, sondern ein dreidimensionales Volumen angeregt wird. Innerhalb dieses Volumens wird in Richtung des Gradienten GSP eine Ortsauflösung dadurch durch geführt, daß man in der zweiten Phase auch in dieser Richtung eine Phasencodiertabelle schaltet. Einer Matrixgröße von M× N×O werden dann N×O Messungen mit unterschiedlichen Kom binationen des Phasencodiergradienten GSP und des Phasenco diergradienten GP durchgeführt.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist schema tisch in Fig. 17 dargestellt. Das MR-Gerät besteht aus einem ein homogenes Grundfeld erzeugenden Magnetsystem 1-4, das von einer Stromversorgung 11 gespeist wird. Im Magnetsystem sind Gradientenspulensysteme 7, 8 vorgesehen, die von einer Gra dientenansteuereinrichtung 12 angesteuert werden. Die Gra dientenspulensysteme sind zur Erzeugung von Magnetfeldgra dienten in drei Raumrichtungen x, y, z eines Koordinatensystems 6 ausgeführt. Das Untersuchungsobjekt 5 ist von einer Hoch frequenzantenne 9 umgeben, die mit einer Hochfrequenzsende einheit 14 sowie mit einer Hochfrequenzempfangseinheit 15 verbunden ist. Die Hochfrequenzsendeeinheit 14 und die Hoch frequenzempfangseinheit 15 sind Bestandteil eines Hochfre quenzsystems 16, in dem unter anderem die empfangenen Signale abgetastet und phasenempfindlich demoduliert werden. Aus den demodulierten Signalen wird mit einer Bildrechenheit 17 ein Bild erstellt, das auf einem Monitor 18 abgebildet wird. Die gesamte Einheit wird von einer Steuereinheit 20 angesteuert. Zur Realisierung der Pulssequenzen entsprechend der Erfindung werden die Gradientenansteuereinheit 12 und die Hochfre quenzeinheit 16 mit einer Steuerfolge angesteuert, die z. B. den Pulssequenzen nach den Fig. 1 bis 6 bzw. 7 bis 12 bei ei ner zeitlichen Abfolge der Phasencodierung nach den Fig. 15 bzw. 16 entspricht.

Claims

1. Verfahren zur Kontrastmittelverfolgung in einem Objekt mittels MR-Bildgebung mit folgenden Schritten:

a) in dem Objekt werden Kernresonanzsignale angeregt,
b) die Kernresonanzsignale werden nach ihrem räumlichen Ur sprung phasencodiert
c) aus den Kernresonanzsignalen werden durch phasenempfindli che Abtastung, Demodulation und Digitalisierung Meßwerte gewonnen
d) die Meßwerte werden nach ihren Phasenfaktoren im k-Raum sortiert in eine Rohdatenmatrix eingetragen
e) die Schritte a) bis d) werden so oft mit unterschiedlicher Phasencodierung wiederholt, bis der k-Raum der Rohdatenma trix mit Meßwerten belegt ist
f) aufgrund der Rohdatenmatrix wird eine Bildrekonstruktion durchgeführt,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Phasencodierung derart durchgeführt wird, daß Meßwer te im zentralen Bereich des k-Raums zu früheren Zeitpunkten nach der Anregung gewonnen werden als Meßwerte in Randberei chen des k-Raums.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beginnend vom Zentrum des k-Raums abwechselnd Meßwerte beidseitig des Zentrums mit zunehmendem Abstand vom Zentrum gewonnen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer weiteren Meßfolge die Phasencodierung derart durchgeführt wird, daß Meßwerte in Randbereichen des k-Raums zu einem früheren Zeitpunkt nach der Anregung gewonnen werden als Meßwerte im zentralen Bereich des k-Raums.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von Randbereichen des k-Raums abwechselnd Meß werte beidseitig des Zentrums mit abnehmendem Abstand vom Zentrum gewonnen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt b eine Phasencodierung in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es für MR-Mammographie eingesetzt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit

- einem Hochfrequenzsender (15) zur Einstrahlung von Anrege pulsen auf das Objekt
- mit Gradientenspulen (7, 8) und einer Gradientenansteuervor richtung (12) zur Ortscodierung der Kernresonanzsignale
- mit einer Empfangseinrichtung (14) für Kernresonanzsignale, einem nachgeschalteten Demodulator (16) sowie einer Ab tast- und Digitalisiervorrichtung und einer Speicher- und Bildrekonstruktionseinrichtung (17),
dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuervorrichtung (20) die Gradientenansteuervor richtung (12) und die Speicher- und Bildrekonstruktionsvor richtung (17) so ansteuert, daß der Betrag der Phasencodie rung mit zunehmendem Abstand von der Anregung zunimmt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (20) so ausgeführt ist, daß sie die Gradientenansteuervorrichtung (12) und die Speicher- und Bildrekonstruktionsvorrichtung (17) auch so ansteuern kann, daß der Betrag der Phasencodierung mit zunehmendem Abstand von der Anregung abnimmt.