DE19730122A1

DE19730122A1 - Echtzeit-Hochfrequenz-Impuls-Herstellung für kernmagnetische Resonanz-Messungsabfolgen

Info

Publication number: DE19730122A1
Application number: DE19730122A
Authority: DE
Inventors: Patrick L Leroux
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-07-15
Filing date: 1997-07-14
Publication date: 1998-01-22
Also published as: US5821752A; JPH1094531A

Description

Das Gebiet der Erfindung sind kernmagnetische Resonanzverfah ren und -systeme. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf den Entwurf von bei einer kernmagnetischen Resonanz ("NMR")- Spektroskopie und Magnetresonanz-Abbildungs ("MRI") Impulsab folgen verwendeten Hochfrequenz(RF)-Impulsen.

Wenn eine Substanz, wie beispielsweise menschliches Gewebe, einem einheitlichen Magnetfeld (Polarisationsfeld B0) unterwor fen wird, neigen die einzelnen magnetischen Momente der Spins in dem Gewebe da zu, sich entsprechend diesem Polarisationsfeld auszurichten, aber präzedieren darum in zufälliger Ordnung mit ihrer charakteristischen Larmorfrequenz. Wenn die Substanz oder das Gewebe einem Hochfrequenz (RF)-Magnetfeld(Erregungs feld B₁) unterworfen wird, das sich in der x-y Ebene befindet und nahe der Larmorfrequenz ist, kann das Netz-ausgerichtete Moment M_z in der x-y Ebene gedreht oder "geneigt" werden, um ein Netz-transversales magnetisches Moment M_t zu erzeugen. Ein Signal wird von den erregten Spins emittiert und nach der Be endung des Hochfrequenz-Erregungssignals B₁ kann dieses Signal empfangen und verarbeitet werden, um ein Bild zu erzeugen.

Wenn diese Signale zur Erzeugung von Bildern verwendet werden, werden Magnetfeldgradienten (G_x, G_y und G_z) verwendet. Typi scherweise wird der abzubildende Bereich durch eine Abfolge von Meßzyklen abgetastet, in denen sich diese Gradienten ent sprechend dem besonderen verwendeten Lokalisierungsverfahren verändern. Der sich ergebende Satz von empfangenen kernmagne tischen Resonanz(NMR)-Signalen wird digitalisiert und verar beitet, um das Bild unter Verwendung einer vieler wohlbekann ter Rekonstruktionstechniken zu rekonstruieren.

Es gibt zahlreiche bei der Magnetresonanzabbildung (MRI) und der kernmagnetischen Resonanz (NMR)-Spektroskopie verwendete Impulsabfolgen. Diese Impulsabfolgen verwenden zumindest ei nen, und gewöhnlich mehr als einen Hochfrequenz-Impuls nahe der Larmorfrequenz. Zusätzlich zum vorstehend erwähnten Hoch frequenz-Erregungsimpuls können derartige Hochfrequenz- Erregungsimpulse beispielsweise eine Spinmagnetisierung umkeh ren, eine Spinmagnetisierung sättigen, eine Spinmagnetisierung stabilisieren oder eine Spinmagnetisierung wieder fokussieren. Wenn sie in Kombination mit einem Magnetfeldgradienten verwen det werden, beeinflussen die Hochfrequenz-Impulse ausgewählt die Spinmagnetisierung über einen bestimmten Frequenzbereich, der einem bestimmten Ort innerhalb des abzutastenden Objekts entspricht. Derartige "ausgewählte" Hochfrequenz-Impulse wer den somit durch den Grad bestimmt, in dem sie eine Magnetisie rung über einen Frequenzbereich neigen ("Kipp-Winkel").

Im US-Patent Nr. 4 940 940 ist ein Verfahren zum Entwurf von Hochfrequenz-Impulsen offenbart, die einen gewünschten Kipp- Winkel in einem bestimmten Frequenzbereich erzeugen wird. Die ses Verfahren, das im Stand der Technik als das "SLR"- Verfahren bekannt ist, beginnt mit einem gewünschten Frequenz bereich-Impulsprofil (beispielsweise einem 90°. Kippwinkel über eine bestimmte Schnittdicke/einen bestimmten Frequenzbereich) und berechnet die Amplitude eines Hochfrequenz-Impulses, der, wenn er über die Zeit "abgespielt" wird, das gewünschte Ergeb nis erzeugen kann. Diese Berechnungen enthalten die Annäherung des gewünschten Frequenzbereich-Impulsprofils mit zwei Polyno men A und B hoher Ordnung, die dann direkt in einen Hochfre quenz-Impuls umgewandelt werden, der in einem kernmagnetischen Resonanzsystem "abgespielt" wird. Der Schritt der Erzeugung der Polynmome A und B verwendet einen bzw. ein Remez(Park- McClellan)-Algorithmus bzw. Rechenverfahren, das in einem ite rativen Vorgang ausgeführt wird. Zur Berechnung der notwendi gen A und B Polynome (in folgenden als die "SLR-Polynome" be zeichnet) wird dieser iterative Vorgang durchgeführt, bis das gewünschte Frequenzbereich-Impulsprofil auf einen bestimmten Genauigkeitsgrad angenähert ist. Dies ist zeitaufwendig und berechnungs-intensiv.

Es gibt Beispiele, in denen es wünschenswert ist, Hochfre quenz-Impulse zu entwerfen, die für die vorbestimmte Impulsab folge individuell hergerichtet sind. Eine derartige Situation tritt auf, wenn sogenannte "Vorsättigungs"-Hochfrequenz- Impulse zu verwenden sind, um Spins auf beiden Seiten eines interessierenden Bereichs zu sättigen, wie im US-Patent Nr. 4 715 383 beschrieben. Es kann ein einzelner Hochfrequenz- Sättigungsimpuls erzeugt werden, der auf gegenüberliegenden Seiten des "Bild-Schnitts" angeordnet ist, aber die genaue An ordnung dieser zwei Sättigungsbereiche wird durch den Ort und die Dicke des Bildschnitts bestimmt, die nur zum Zeitpunkt der Abtastung bekannt ist, wenn der Bediener diese Informationen eingibt. Es ist wünschenswert, den Hochfrequenz- Sättigungsimpuls zu entwerfen, nachdem der Bediener den genau en Bildschnittort und die Dicke eingegeben hat, so daß die Sättigungsbereiche im wesentlichen benachbart zum Bildschnitt sind, aber nicht mit der Spinmagnetisierung in dem Bildschnitt interferieren bzw. in Wechselwirkung stehen.

Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen eines Hochfrequenz-Impulses ansprechend auf ein bestimmtes Hochfre quenz-Impulsprofil. Insbesondere wird das gewünschte Im pulsprofil des(ω) eingegeben, eine Gewichtsfunktion W(ω) wird berechnet, ein Satz von SLR-Polynomen wird unter Verwendung eines gewichteten Vorgangs der kleinsten mittleren Quadrate mit dem gewünschten Impulsprofil des(ω) und der Gewichtsfunk tion W(ω) als Eingangssignale und die SLR-Polynome werden bei einem inversen SLR-Verfahren verwendet, um einen bzw. eine Hochfrequenz-Impuls-Signalverlauf bzw. -Wellenform R(t) zu er zeugen. Der Hochfrequenz-Impuls kann in dem Magnetresonanzab bildungs(MRI)-System ansprechend auf ein durch einen Bediener vor einer Abtastung, die den Hochfrequenz-Impuls verwendet, bestimmtes Hochfrequenz-Impulsprofil erzeugt werden.

Zusätzlich zur Bestimmung der Größe der Erregung als eine Funktion der Frequenz kann die Hochfrequenz- Impulsprofilbestimmung auch eine Phasenbestimmung enthalten. In einem derartigen Fall wird die Phasenbestimmung auch bei dem gewichteten Vorgang der kleinsten mittleren Quadrate ein gegeben und dieser Vorgang kann ein oder mehrmals wiederholt werden, um die gewünschte Größenbestimmung zu erfüllen.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung offensichtlich.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Magnetresonanzabbil dungs(MRI)-Systems, das die vorliegende Erfindung verwendet,

Fig. 2 ein elektrisches Blockschaltbild der Sen de/Empfangseinrichtung, die einen Teil des Magnetresonanzab bildungs(MRI)-Systems gemäß Fig. 1 bildet,

Fig. 3 eine graphische Darstellung eines Beispiels für ein in das Magnetresonanzabbildungs(MRI)-System gemäß Fig. 1 eingege benes Vorsättigungs-Hochfrequenz-Impulsantwortprofil,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der mit der Hochfrequenz- Hüllkurve erreichten Spinsättigung,

Fig. 5 ein Flußdiagramm eines durch das Magnetresonanzabbil dungs(MRI)-System gemäß Fig. 1 ausgeführten Programms zur Er zeugung einer Hochfrequenz-Impulshüllkurve ansprechend auf ein durch einen Bediener eingegebenes Hochfrequenz- Impulsantwortprofil und

Fig. 6 ein Flußdiagramm, das eine Modifikation des in Fig. 5 veranschaulichten Programms zeigt.

Allgemeine Beschreibung der Erfindung

Das Problem, auf das sich die vorliegende Erfindung richtet, ist der "Entwurf" eines Paars von komplexen SLR-Polynomen, die ein Kipp-Winkel-Größenprofil ergeben, das das gewünschte Pro fil am besten annähert, während ein minimales Ausmaß an Wellen sowohl in den ausgewählten als auch in den nichtausgewählten Bereichen ausgebildet wird. Die Hauptaufgabe besteht im schnellen Entwurf derartiger SLR-Polynome und, wenn möglich, auf einem nicht-iterativen Weg.

Es wird erkannt, daß der Entwurf von SLR-Polynomen in Einklang mit dem Entwurf von finiten Impulsantwort("FIR")-Filtern ste hen kann, wobei die Frequenzantwort der FIR-Filter dem ge wünschten Frequenzbereich-Impulsprofil entspricht und die Fil terkoeffizienten den SLR-Polynomen entsprechen. Ein Verfahren zum Entwurf der FIR-Filterkoeffizienten wird im Stand der Technik als die gewichtete Technik der kleinsten mittleren Quadrate ("WLMS") bezeichnet.

Wenn (ω) und H(ω) die gewünschte Frequenzantwort bzw. die ge genwärtige Frequenzantwort eines FIR-Filters sind, dann ist der Annäherungsfehler bei einer Frequenz ω gegeben durch:

E(ω) = H(ω) - (ω). (1)

Ein Min(imum)-Max(imum)-Entwurf entspricht einer Minimierung des gewichteten Spitzenwertfehlers E(ω)/W(ω) über alle ω, wobei W(ω) eine vorbestimmte Gewichtsfunktion ist. Der Entwurf der kleinsten Quadrate entspricht einer Minimierung von

Der Entwurf von digitalen Filtern, die optimal im Min(imum)- Max(imum)-Sinn sind, erfordert die Verwendung von komplizier ten Optimierungswerkzeugen, wie beispielsweise dem Remez- Austausch-Algorithmus oder linearer Programmierung. Anderer seits ist das gewichtete Verfahren der kleinsten Quadrate wohlbekannt und kann leicht in kurzen Computercodes geschrie ben werden. Weiterhin kann für irgendeine gegebene Gewichts funktion der kleinsten mittleren Quadrate die optimale Lösung in einem nicht-iterativen Vorgang erhalten werden. Die gewich tete Technik der kleinsten Quadrate wird einen gleichwelligen Entwurf erzeugen, wenn eine geeignete Frequenzantwort- Gewichtsfunktion der kleinsten Quadrate verwendet wird. Es wurde auch bewiesen, daß die gewichtete Technik der kleinsten mittleren Quadrate zum Entwurf von FIR-Filtern hoher Ordnung in dem diskreten Koeffizientenraum verwendet werden kann.

Der Erfolg eines gleichwelligen Entwurfs unter Verwendung der gewichteten Technik der kleinsten mittleren Quadrate hängt von der Verfügbarkeit der Gewichtsfunktion der kleinsten mittleren Quadrate W(ω) ab. Unter Verwendung des durch Y. C. Lins et al. in "A Weighted Least Squares Algorithm for Quasi-Equiripple FIR und IIR Digital Filter Design", IEEE Transactions on Si gnal Processing, Vol. 40, Nr. 3, März 1992, beschriebenen Ver fahrens wurde die folgende Gewichtsfunktion abgeleitet:

(δ(ω) ist der gewünschte Min(imum)-Max(imum)-Fehler, der für eine bestimmte "verringerte" Winkelfrequenz gesucht wurde, und ω_0i bezeichnet die Position der Mitten der Übergangsbänder. Diese Gewichtsfunktion W(ω) kann dann in dem WLMS-Algorithmus verwendet werden:

wobei

wobei des(ω) das gewünschte Impulsprofil ist.

Wenn die Phase ϕ des gewünschten Impulsprofils auch bestimmt ist (ϕ(ω)), ist das gewünschte Impulsprofil wie folgt definiert:

des(ω) = ampli (ω) e^j ^ϕ ⁽ ^ω ⁾ (4)

Die Ergebnisse sind enttäuschend, wenn diese Bestimmung direkt in den Gleichungen (3) verwendet wird, jedoch wurden gute Am plituden- und Phasenergebnisse erhalten, wenn die Phase auf die folgende Weise bestimmt wurde:

-n/2 < τ_d(ω) < n/2 in Durchgangsbändern
τ_d = 0 sonst
n = Länge des FIR-Filters
t = Gruppenverzögerung
* = Umwandlungsoperator
t₀ = Gruppenverzögerung einer Null beim Radius γ

Der verwendete Wert von γ ist der Radius, in dem die Nullen eines FIR-Filters der Länge n näherungsweise immer stehen. Die Gesamtfunktion von Gleichung (5) besteht darin, die gewünschte Gruppenverzögerung τ_d durch die typische Gruppenverzögerung ei nes Null zu glätten, so daß die Phase eines FIR-Filters der Länge n angenähert wird.

Wenn die Phase auch für das gewünschte Impulsprofil bestimmt wird, kann die WLMS-Annäherung gemäß Gleichung (3) unter Ver wendung einer Iteration nicht genau genug sein. In diesem Fall werden ein iterativer Vorgang, in dem die bestimmte Phase ϕ(ω) in Gleichung (4) durch die bei der letzten Iteration gemäß Gleichung (3) erhaltene Phase von B(ω) ersetzt wird, und die WLMS-Berechnung gemäß Gleichung (3) wiederholt. Die Lösung er zeugt SLR-Polynome, die schnell in einem Impulsentwurf konver gieren, der gleichwellig ist und dessen Phase nahe der anfäng lich gewünschten Phase ϕ(ω) ist.

Eine Anwendung der Erfindung, bei der die Phase bestimmt ist, ist die Erzeugung eines sogenannten Hochfrequenz-Impulses "quadratischer Phase". Wenn sich die Phase ϕ(ω) als eine qua dratische Funktion der Frequenz über das bestimmte Impulspro fil verändert, wird die im sich ergebenden Hochfrequenz-Impuls erforderliche Hochfrequenzleistung über seine Dauer gleichmä ßiger verteilt. Als ein Ergebnis wird die erforderliche Spit zenwert-Hochfrequenz-Leistung der Hochfrequenz- Leistung bei einigen Magnetresonanzabbildungs-Systemen ein be schränkender Faktor ist, ist die Fähigkeit zum Entwurf von Hochfrequenz-Impulsen, die das gewünschte Impulsprofil ohne Überschreiten der Spitzenwertleistungsfähigkeit des Magnetre sonanzabbildungssystems erzeugen, wichtig.

Die Polynome können dann erhöht werden, um die für den endgül tigen Hochfrequenz-Impuls erforderliche Ordnung der SLR- Polynome zu erzeugen. Dies kann durch Verwendung eines Inter polationsvorgangs erreicht werden, der den Entwurf von Polyno men mit einer typischen Ordnung von 32 erlaubt, um Polynome der Ordnung 256 oder mehr zur Verwendung in der SLR-Inversion zu erzeugen.

B′(ω) = B(ω) _* Spline(ω) (6)

Der Einfluß der Splineinterpolation kann berücksichtigt werden und in den Durchlaßbändern durch Vormultiplikation des (ω) mit 1/spline(ω) vor dem WLMS-Entwurf korrigiert werden.

Die SLR-Polynome werden dann bei einem inversen SLR- Transformationsvorgang zur Erzeugung der Hochfrequenz- Impulsabtastwerte R(t) verwendet werden, die durch das Magne tresonanzabbildungs-System "abgespielt" werden, um den ge wünschten Hochfrequenz-Impuls zu erzeugen. Die SLR- Transformation ist im US-Patent Nr. 4 940 940, erteilt am 10. Juli 1990, beschrieben, die durch Bezugnahme darauf hierin aufgenommen ist. Der letzte Nutationswinkel θ_n (R(nT), wobei T die Abtastperiode ist) wird erhalten durch:

TANG(0,5_*θ_n) = t_n = b_n°/a_n°

wobei:
b_n° der Koeffizient der Ordnung 0 des Polynoms B_n
a_n° der Koeffizient der Ordnung 0 des Polynoms A_n ist
und

A_n-1 = A_n + t_nB_n
B_n-1 = Z(-t_nA_n + B_n) (7).

A_n-1 und B_n-1 sind Polymone der Ordnung (n-1), die die durch die Hochfrequenz-Impulsfolge bis zum (n-1)-ten Impuls induzierte Drehung darstellt. Durch Rekursion kann man alle Nutationswin kel der Impulse in der Hochfrequenz-Impulsfolge R(t) finden.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Zuerst wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in der die Hauptkompo nenten eines bevorzugten Magnetresonanzabbildungs-Systems ge zeigt sind, das die vorliegenden Erfindung enthält. Die Funk tion des Systems wird von einer Bedienerkonsole 100 gesteuert, die eine Tastatur und eine Steuertafel 102 und eine Anzeige einrichtung 104 enthält. Die Konsole 100 steht über eine Ver bindungseinrichtung 116 mit einem separaten Computersystem 107 in Verbindung, das dem Bediener eine Steuerung und Anzeige von Bildern auf dem Bildschirm bzw. der Anzeigeinrichtung 104 er möglicht. Das Computersystem 107 enthält eine Anzahl von Ein heiten, die miteinander über eine Rückwandplatine in Verbin dung stehen. Diese enthält eine Bildverarbeitungseinrichtung 106, eine Zentraleinheit bzw. CPU-Einrichtung 108 und eine Speichereinrichtung 113, die im Stand der Technik als eine Bildpuffereinrichtung zur Speicherung von Bilddatenfeldern be kannt ist. Das Computersystem 107 ist mit einer Plattenspei chereinrichtung 111 und einer Bandlaufwerkseinrichtung 112 zur Speicherung von Bilddaten und Programmen verbunden und steht mit einer separaten Systemsteuereinrichtung 122 über eine se rielle Hochgeschwindigkeitsverbindungseinrichtung 115 in Ver bindung.

Die Systemsteuereinrichtung 122 enthält einen Satz von mitein ander über eine Rückwandplatine verbundenen Einrichtungen.

Diese enthalten eine CPU-Einrichtung bzw. Zentraleinheit 119 und eine Impulserzeugungseinrichtung 121, die über eine seri elle Verbindungseinrichtung 125 mit der Bedienerkonsole 100 verbunden sind. Über diese Verbindungseinrichtung 125 empfängt die Systemsteuereinrichtung 122 Befehle von dem Bediener, die die durchzuführende Abtastfolge anzeigen. Diese Befehle ent halten den Ort, die Dicke und den Kippwinkel irgendwelcher Hochfrequenz-Impulse, die in der Impulsabfolge verwendet wer den sollen.

Die Impulserzeugungseinrichtung 121 betätigt die Systemkompo nenten zur Ausführung der gewünschten Abtastabfolge. Sie er zeugt Daten, die den Zeitablauf, die Stärke und die Form der zu erzeugenden Hochfrequenz-Impulse und den Zeitablauf und die Länge des Datenerfassungsfensters anzeigen. Die Impulserzeu gungseinrichtung 121 ist mit einem Satz von Gradientenverstär kereinrichtungen 127 verbunden, um den Zeitablauf und die Form der während der Abtastung zu erzeugenden Gradientenimpulse an zuzeigen. Die Impulserzeugungseinrichtung 121 empfängt auch Patientendaten von einer physiologischen Erfassungssteuerein richtung 129, die Signale von einer Anzahl von verschiedenen, mit dem Patienten verbundenen Sensoren, wie beispielsweise EKG-Signale von Elektroden oder Atemsignale von einem Blase balg, empfängt. Und schließlich ist die Impulserzeugungsein richtung 121 mit einer Abtastraumschnittstellenschaltung 133 verbunden, die Signale von zahlreichen mit dem Zustand des Pa tienten und des Magnetsystems verbundenen Sensoren empfängt. Über die Abtastraumschnittstellenschaltung 133 empfängt auch ein Patientenpositionierungssystem 134 Befehle zum Bewegen des Patienten auf eine gewünschten Abtastposition.

Die von der Impulserzeugungseinrichtung 121 erzeugten Gradien tensignalverläufe werden an ein Gradientenverstärkereinrich tungssystem 127 mit G_x-, G_y- und G_z-Verstärkereinrichtungen an gelegt. Jede Gradientenverstärkereinrichtung erregt eine ent sprechende Gradientenspule in einer allgemein mit 139 bezeich neten Anordnung, um die zur Positionskodierung erfaßter Signa le verwendeten Magnetfeldgradienten zu erzeugen. Die Gradien tenspulenanordnung 139 bildet einen Teil einer Magnetanordnung 141, die einen Polarisationsmagneten 140 und eine Ganzkörper spule 152 enthält. Eine Sende/Empfangseinrichtung 150 in der Systemsteuereinrichtung 122 erzeugt Impulse, die durch eine Hochfrequenz-Verstärkereinrichtung 151 verstärkt werden und über einen Sende/Empfangsschalter 154 mit der Hochfrequenz- Spule 152 verbunden sind. Die sich ergebenden, durch die er regten Kerne in dem Patienten abgestrahlten Signale können durch dieselbe Hochfrequenz-Spule 152 erfaßt werden und sind über eine Vorverstärkereinrichtung 153 mit dem Sen de/Empfangsschalter 154 verbunden. Die verstärkten kernmagne tischen Resonanz(NMR)-Signale werden in dem Empfangsabschnitt der Sende/Empfangseinrichtung 150 demoduliert, gefiltert und digitalisiert. Der Sende/Empfangsschalter 154 wird mittels ei nes Signals von der Impulserzeugungseinrichtung gesteuert, um die Hochfrequenz-Verstärkereinrichtung 151 während der Sende betriebsart mit der Spule 152 und während der Empfangsbe triebsart mit der Vorverstärkereinrichtung 153 elektrisch zu verbinden. Der Sende/Empfangsschalter 154 ermöglicht auch ei ner Verwendung einer separaten Hochfrequenz-Spule (beispiels weise einer Kopfspule oder einer Oberflächenspule) entweder in der Sende- oder der Empfangsbetriebsart.

Die durch die Hochfrequenz-Spule 152 aufgenommenen kernmagne tischen Resonanz(NMR)-Signale werden mittels der Sen de/Empfangseinrichtung 150 digitalisiert und zu der Spei chereinrichtung 160 in der Systemsteuereinrichtung 122 über tragen. Wenn die Abtastung beendet ist und ein gesamtes Daten feld in der Speichereinrichtung 160 erfaßt wurde, funktioniert eine Feldverarbeitungseinrichtung 161, um die Daten in ein Feld von Bilddaten zu Fourier-transformieren. Diese Bilddaten werden über die serielle Verbindungseinrichtung 115 zum Compu tersystem 107 zugeführt, wo sie in der Plattenspeichereinrich tung 111 gespeichert werden. Ansprechend auf von der Bediener konsole 100 empfangene Befehle können diese Bilddaten auf der Bandlaufwerkseinrichtung 112 archiviert werden oder durch die Bildverarbeitungseinrichtung 106 weiterverarbeitet und der Be dienerkonsole 100 zugeführt und auf der Anzeigeeinrichtung 104 dargestellt werden.

Insbesondere gemäß den Fig. 1 und 2 erzeugt die Sen de/Empfangseinrichtung 150 das Hochfrequenz-Erregungsfeld B1 über eine Leistungsverstärkereinrichtung 151 an einer Spule 152A und empfängt das in einer Spule 152B induzierte, sich er gebende Signal. Wie vorstehend angezeigt, können die Spulen 152A und 152B getrennt sein, wie in Fig. 2 gezeigt, oder sie können eine einzelne Ganzkörperspule sein, wie in Fig. 1 ge zeigt. Die Grund- oder Trägerfrequenz des Hochfrequenz- Erregungsfelds wird unter Steuerung einer Frequenzsyntheti siereinrichtung 200 erzeugt, die einen Satz von digitalen Si gnalen von der Zentraleinheit 119 und der Impulsgeneratorein richtung 121 empfängt. Diese digitalen Signale zeigen die Fre quenz und Phase des an einem Ausgang 201 erzeugten Hochfre quenz-Trägersignals an. Der befohlene Hochfrequenz-Träger wird an eine Modulations- und Abwärtswandlereinrichtung 202 ange legt, wobei seine Amplitude ansprechend auf ein auch von der Impulsgeneratoreinrichtung 121 empfangenes Signal R(t) modu liert wird. Das Signal R(t) definiert die Hüllkurve des zu er zeugenden Hochfrequenz-Erregungsimpulses und wird in der Ein richtung 121 durch aufeinanderfolgendes Auslesen einer Reihe von gespeicherten digitalen Werten erzeugt. Der Gegenstand dieser Erfindung ist die Berechnung dieser gespeicherten digi talen Werte R(t). Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorlie genden Erfindung, die Hochfrequenz-Impulshüllkurve R(t) in Echt zeit nach der Eingabe der Impulsabfolgenbestimmung von der Bedienerkonsole 100 zu erzeugen.

Die Größe des an einem Ausgang 205 erzeugten Hochfrequenz- Erregungsimpulses wird durch eine Erregungsdämpfungseinrich tung 206 gedämpft, die einen digitalen Befehl von der Rück wandplatine 118 empfängt. Die gedämpften Hochfrequenz- Erregungsimpulse werden an die Leistungsverstärkereinrichtung 151 angelegt, die die Hochfrequenz-Spule 152A ansteuert. Hin sichtlich einer genaueren Beschreibung dieses Teils der Sende- Empfangs-Einrichtung 122 wird auf das US-Patent Nr. 4 952 877 Bezug genommen, das hierin durch die Bezugnahme darauf ange nommen ist.

Weiterhin gemäß den Fig. 1 und 2 wird das von dem Objekt er zeugten Signal mittels der Empfangsspule 152B aufgenommen und über die Vorverstärkereinrichtung 153 an den Eingang einer Empfangsdämpfungseinrichtung 207 angelegt. Die Empfangsdämp fungseinrichtung 207 verstärkt das Signal um ein durch ein von der Rückwandplatine 118 empfangenes digitales Dämpfungssignal bestimmtes Ausmaß weiter.

Das empfangene Signal ist bei oder nahe der Larmorfrequenz und dieses Frequenzsignal wird in einem Zwei-Schritt-Vorgang mit tels einer Abwärtswandlereinrichtung 208 abwärts gewandelt, die zuerst das kernmagnetische Resonanz-Signal mit dem Träger signal auf Leitung 201 und dann das sich ergebende Differenz signal mit dem 2,5 MHz Bezugssignal auf Leitung 204 mischt. Das abwärts gewandelte kernmagnetische Resonanz-Signal wird an den Eingang einer Analog/Digital(A/D)-Wandlereinrichtung 209 angelegt, die das analoge Signal abtastet und digitalisiert und es an eine digitale Erfassungs- und Signalverarbeitungs einrichtung 210 anlegt, die 16-Bit gleichphasige (I-) Werte und 16-Bit Quadratur(Q)-Werte entsprechend dem empfangenen Si gnal erzeugt. Der sich ergebende Strom von digitalisierten I- und Q-Werten des empfangenen Signals wird über die Rückwand platine 118 an die Speichereinrichtung 160 ausgegeben, in der sie zur Rekonstruktion eines Bilds verwendet werden.

Das 2,5 MHz Bezugssignal so wie das 250 kHz Abtastsignal und die 5, 10 und 60 MHz Bezugssignale werden mittels einer Be zugsfrequenzerzeugungseinrichtung 203 aus einem gemeinsamen 20 MHz Haupttaktsignal erzeugt. Für eine genauere Beschreibung der Empfangseinrichtung wird Bezug auf das US-Patent Nr. 4 992 736 genommen, das hierin durch Bezugnahme darauf aufgenommen ist.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der durch den Bediener vorgeschriebene gewünschte Hoch frequenz-Impuls von dem Konsole 100 der Systemsteuereinrich tung 122 zugeführt. Die Vorschrift ist in der Form eines ge wünschten Kippwinkels an bestimmten Orten gegeben. Ansprechend darauf führt die Zentraleinheit 119 ein Programm entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren aus, um die Werte R(t) zu be rechnen, die von der Impulserzeugungseinrichtung 121 und der Sende-Empfangs-Einrichtung 150 zur Erzeugung der gewünschten Hochfrequenz-Impulshüllkurve verwendet werden.

Insbesondere gemäß Fig. 3 kann die Impulsabfolge beispielswei se ein Paar von 90° Kippwinkel-Sättigungs-Spins erfordern, die sich auf jeder Seite eines dünnen Schnitts 252 befinden, aus dem Bilddaten zu erfassen sind. Idealerweise legen die Sätti gungsimpulse 250 und 251 einen 90° Kippwinkel an Spins an, die sich in 10mm dicken Schnitten befinden (d. h. über einen Fre quenzbereich von 2 kHz und einen Gradienten von 0,5 Gauss/cm), während Spins in dem Abbildungsschnitt 252 unbeeinflußt blei ben.

Die zur Erfüllung dieser Beschreibung erforderliche Hochfre quenz-Impulshüllkurve R(t) wird unter Verwendung der vorlie genden Erfindung berechnet. Wie vorstehend erklärt, wird die ser Signalverlauf R(t) von der Impulserzeugungseinrichtung 121 zu den geeigneten Zeitpunkten während der Abtastung abge spielt, um die bei 256 und 257 in Fig. 4 gezeigten Schnitte von gesättigten Spins zu erzeugen.

Insbesondere gemäß Fig. 5 besteht der erste Schritt im Vorgang darin, die Frequenz- und Kippwinkelinformationen einzugeben, die den vorbeschriebenen Hochfrequenz-Impuls definieren, wie durch den Verarbeitungsblock 260 angezeigt. Diese Informatio nen definieren die Funktion des(ω) in den vorstehenden Glei chungen. Die anfänglichen Bedingungen werden dann im Verarbei tungsblock 262 entsprechend der vorstehend diskutierten Glei chung (2) berechnet. Wie im Verarbeitungsblock 264 angezeigt, werden dann die Werte für die SLR-Polynome unter Verwendung des gewichteten Verfahrens der kleinsten mittleren Quadrate berechnet, wie vorstehend in Gleichung (3) dargelegt. Im be vorzugten Ausführungsbeispiel werden in allen Fällen Polynome 32-ter Ordnung berechnet und dann wird eine Spline- Interpolation entsprechend Gleichung (6) im Verarbeitungsblock 266 verwendet, um die gewünschte Anzahl von Werten entspre chend der Anzahl von Inkrementen in der Hochfrequenz- Impulshüllkurve R(t) zu erzeugen. Die A- und B-Polynome werden dann verwendet, um die inkrementellen Werte in der Hochfre quenz-Impulshüllkurve R(t) durch Durchführung einer inversen SLR-Transformation zu erzeugen, wie im Verarbeitungsblock 268 angezeigt und in dem US-Patent Nr. 4 940 940, auf das vorste hend Bezug genommen wurde, und in Gleichung (7) beschrieben. Die Hochfrequenz-Impulshüllkurve R(t) wird dann bei der Abta stung entsprechend den Bedienerbefehlen verwendet, um das vor beschriebene Frequenz-selektive oder räumlich-selektive Hoch frequenzprofil zu erzeugen.

In vielen Fällen kann die Berechnung der SLR-Polynome in einer Näherung erreicht werden. Beispielsweise wurde herausgefunden, daß die vorstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 be schriebenen Vorsättigungsimpulse in einer einzelnen Näherung bzw. Iteration genau synthetisiert werden. Jedoch sind in an deren Fällen die anfänglichen Bedingungen nicht ausreichend, um mit den durch eine einzelne Näherung bzw. Iteration erzeug ten SLR-Polynomen eine genaue Hochfrequenz-Impulshüllkurve zu erreichen. Wie in Fig. 6 gezeigt, ist in derartigen Fällen ein maximal erlaubter Fehler aufgestellt und nach einer Berechnung der SLR-Polynome in dem Verarbeitungsblock 264 wird der sich ergebende Fehler berechnet und mit dem Maximalwert im Ent scheidungsblock 265 verglichen. Wenn der Fehler zu groß ist, werden die SLR-Polynome im Verarbeitungsblock 264 nach Anpas sung der Phase des B(ω)-Terms in Gleichung (3) unter Verwen dung der Ergebnisse aus der vorhergehenden Näherung bzw. Ite ration neu berechnet. Zwei oder drei Näherungen bzw. Iterati onen durch die Verarbeitungseinrichtung 264 erzeugten in fast allen Fällen zufriedenstellende Ergebnisse. Das gewünschte Am plitudenprofil konvergiert zu einer annehmbaren gleichwelligen Lösung und das Phasenprofil nähert sich dem gewünschten Pha senprofil. Unter Verwendung dieses Vorgangs kann das gewünsch te Amplitudenprofil zusammen mit einem quadratischen Phasen profil beispielsweise in zwei oder drei Näherungen bzw. Itera tionen erhalten werden.

Während bestimmte Beispiele beschrieben wurden, sollte für den Fachmann offensichtlich sein, daß die vorliegende Erfindung zum Entwurf einer breiten Anzahl von Hochfrequenz-Impulsen, die bei der Magnetresonanzabbildung (MRI) oder der kernmagne tischen Resonanz (NMR)-Spektroskopie verwendet werden, verwen det werden können. Bei vielen Anwendungen können anfängliche Bedingungen berechnet werden, die eine Berechnung der SLR- Polynome direkt unter Verwendung eines gewichteten Verfahrens der kleinsten mittleren Quadrate ermöglicht. Bei anderen An wendungen, beispielsweise, wenn auch das Phasenprofil bestimmt ist, kann eine Anzahl von Näherungen bzw. Iterationen eines WLMS-Verfahrens bzw. -vorgangs erforderlich sein, um einen zu friedenstellenden Satz von SLR-Polynomen zu konvergieren. In irgendeinem Fall werden die SLR-Polynome in eine Hochfrequenz- Impulshüllkurve transformiert, die zur Steuerung der Hochfre quenz-Sendeeinrichtung auf einem kermagnetischen Reso nanz(NMR)-Instrument oder einer Magnetresonanzabbildungs(MRI)- Abtasteinrichtung geeignet ist.

Ein Hochfrequenz-Impuls für eine kernmagnetische Resonanz- Impulsab folge wird in dem kernmagnetischen Resonanz-System un ter Verwendung eines inversen SLR-Transformations-Verfahrens entworfen. Die für die SLR-Transformation erforderlichen Poly nome werden unter Verwendung eines gewichteten Vorgang der kleinsten mittleren Quadrate ("WLMS") berechnet, in dem eine anfängliche Gewichtsfunktion zusammen mit dem gewünschten Im pulsprofil verwendet wird, das von dem Bediener des kernmagne tischen Resonanz-Systems eingegeben wird. Der Bediener kann auch das Phasenprofil bestimmen, so wie es in den WLMS-Vorgang eingegeben wird.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen einer Hochfrequenz-Impulshüllkurve R(t) zur Verwendung beim Steuern der Hochfrequenz- Sendeeinrichtung eines kernmagnetischen Resonanz (NMR)- Systems, mit den Schritten:

(a) Eingeben von Daten des(ω), die ein gewünschtes Im pulsprofil angeben,
(b) Berechnen einer anfänglichen Gewichtsfunktion W(ω),
(c) Berechnen eines Satzes von SLR-Polynomen unter Verwen dung eines gewichteten Vorgangs der kleinsten mittle ren Quadrate, des gewünschten Impulsprofils des(ω) und der anfänglichen Gewichtsfunktion W(ω) und
(d) Erzeugen der Hochfrequenz-Impulshüllkurve R(t) durch Durchführung einer inversen SLR-Transformation unter Verwendung der berechneten SLR-Polynome.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Hochfrequenz-Impulshüllkurve R(t) sofort in einer Im pulsfolge verwendet wird, die von kernmagnetischen Reso nanz-System zum Erfassen von kernmagnetischen Resonanz- Daten von einem Objekt durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem Schritt Bestimmens eines Fehlers und Wiederholen von Schritt (c) bis der Fehler unter einen gegenwärtigen Maximalwert ver ringert ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gewichtsfunktion W(ω) wie folgt berechnet wird: W(ω) = (1+10 × Wcor(ω))/δ² (ω)wobei: δ(ω) = gesuchter Min-Max-Fehler für eine bestimmte Frequenz und
ω₀₁ = Frequenz der Mitten von Übergangsbändern in dem gewünschten Impulsprofil des (ω)
ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der gewichtete Vorgang der kleinsten mittleren Quadrate wie folgt durchgeführt wird: wobei: ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem Schritt:
Eingeben von Daten, die das gewünschte Phasenprofil ϕ (ω) anzeigen,
wobei Schritt (c) unter Verwendung dieser Phasenprofil ϕ (ω) Daten durchgeführt wird