DE19739777A1 - Volumen-Spektroskopie mit Bildartefaktverringerung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Magnetresonanz-Spek­ troskopie und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Volumen-Spektroskopie, in der ein örtlich bestimmtes bzw. lo­ kalisiertes Spektrum von einem Volumen bei einer einzelnen Ab­ tastung erhalten werden kann.

Volumen-lokalisierte Magnetresonanz-Spektroskopie wurde ein nützliches und klinisches Routinewerkzeug besonders für die Erfassung von Entartungen, die zu diffusen chemischen Verände­ rungen im Gehirn führen. Es sind zahlreiche Techniken zur di­ rekten Erregung von Spins in einem interessierenden Volumen und zum Erreichen einer dreidimensionalen Auswahl einschließ­ lich einer Verwendung von angeregten Echos und der Verwendung von Carr-Purcell-Echos bekannt. Diese Techniken erhalten ein örtlich bestimmtes bzw. lokalisiertes Spektrum in einer ein­ zelnen Abtastung. Beispielsweise verwendet eine Punkt­ aufgelöste-Spektroskopie (PRESS, siehe US-Patent Nr. 4 480 228) eine Drei-Impuls-Abfolge, bei der jeder Impuls Frequenz- auswählend ist.

Eine der schwierigsten Herausforderungen, die für diese Ver­ fahren verbleiben, ist die gesundheitsschädliche Wirkung von großen magnetischen Suszeptibilitätsgradienten, die natürlich in vielen Bereichen des Gehirns auftreten und in dem interes­ sierenden Bereich für einige Brennpunkt-Pathologien auftreten kann. Diese Gradienten führen zu einem Automatisierungsfehler oder können zu Artefakten führen, die die Daten nutzlos ma­ chen. Diese Artefakte treten sowohl bei Punkt-aufgelöster Spektroskopie als auch bei angeregten Echoerfassungen auf. Bei der Punkt-aufgelösten Spektroskopie beispielsweise führt ein Suszeptibilitätsgradient entlang der Achse der ersten Schnit­ tauswahl (P1) oder der dritten Schnittauswahl (P3) wahrschein­ licher zu Artefakten als derselbe Suszeptibilitätsgradient entlang der Achse des zweiten Schnittauswahlimpulses (P2). So­ mit kann eine Gradientenreihenfolge zur Verteidigung eines Suszeptibilitätsgradienten entlang einer einzelnen Achse ver­ wendet werden. Unglücklicherweise begrenzen Suszeptibilitäts­ gradienten sich nicht immer selbst auf eine einzelne Achse und eine allgemeiner Lösung für das Problem ist erforderlich.

Die vorliegende Erfindung verwendet eine Phasen-Kodierung bei oder größer als eine einzelne Volumenelementauflösung zur Auf­ lösung und somit werden irgendwelche Suszeptibilitätsartefakte aus diesen einzelnen Volumenelementspektren beseitigt.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet ei­ ne Phasenkodierung entlang den P1- und P3-Schnitt­ auswahlachsen, um eine Artefaktverringerung zu errei­ chen. Kurz gesagt, das abzubildende Objekt wird in einem sta­ tischen Magnetfeld angeordnet und dann wird eine Abfolge von drei Hochfrequenz(RF)-Impulsen an das Objekt in der Anwesen­ heit von Schnittauswahlgradienten entlang jeder der drei Hauptachsen angelegt, wobei jeder Hochfrequenz-Impuls eine Ebene senkrecht zu der angelegten Gradientenachse erregt. Die drei Hochfrequenz-Impulse regen gesammelt ein Echo von einem interessierenden Volumen an, das durch jede der erregten Ebe­ nen geschnitten wird. Bedeutsam ist, die Phasen-kodierenden Gradienten werden hinzugefügt, um irgendwelche Suszeptibili­ tätsartefakte von außerhalb des interessierenden Volumens auf­ zulösen und zu beseitigen. Normalerweise ist die P2-Schnitt­ auswahlachse frei von Artefakten und erfordert keine Phasenkodierung, um ein normales Spektrum zu ergeben. Zusätz­ lich wird eine Abfolge von Vernichtungsgradienten zum Außer- Phase-Bringen von Signalen auf dem interessierenden Volumen und zum Außer-Phase-Bringen von Wassermolekülspins durch das erregte Volumen angelegt. Ein örtlich bestimmtes bzw. lokali­ siertes Spektrumsignal wird dann aus dem durch jede erregte Ebene geschnittenen Volumen erfaßt.

Zusätzlich kann durch Wahl der Auflösung des Spektroskopie­ bilds als das interessierende Volumen das Spektroskopiebild­ gitter automatisch verschoben werden, um ein vorbeschriebenes einzelnes Volumenelement vollständig innerhalb eines einzelnen Bildelements einzufangen. Dies beseitigt das Problem der spek­ tralen Antwortfunktion und ihr gleichzeitiges Auftreffen auf eine örtliche Bestimmung bzw. Lokalisierung, ein wohlbekanntes beschränkendes Merkmal einer herkömmlichen spektroskopischen Abbildung, wo eine Auflösung kleiner als das erregte Volumen ist. Alternativ können kleine Gitterverschiebungen gemacht werden, um gewisse Teilvolumeneffekte und chemische Verschie­ bungsartefakte in einer Nachverarbeitung der Daten zu beseiti­ gen.

Die Erfindung und ihre Aufgaben und Merkmale werden aus der folgenden genauen Beschreibung und den Ansprüchen in Verbin­ dung mit der Zeichnung leicht offensichtlich.

Es zeigen:

Fig. 1A-1D die Anordnung einer herkömmlichen Magnetresonanz-Ab­ bildungs(MRI)-Vorrichtung und von darin erzeugten Magnetfel­ dern,

Fig. 2 ein Funktionsblockschaltbild einer Magnetresonanz-Abbil­ dungs- und Spektroskopie-Vorrichtung,

Fig. 3 eine Darstellung von Hochfrequenz(RF)-Impulsen, Gra­ dienten und Echosignalen bei einer Durchführung einer Volumen-Spek­ troskopie gemäß der Erfindung,

Fig. 4 eine Gradientenschnittauswahlreihenfolge mit einem nor­ malen Spektrum und Artefakten und

Fig. 5 und 6 eine Auflösung von Suszeptibilitätsartefakten gemäß der Erfindung.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist Fig. 1A eine perspek­ tivische Ansicht, teilweise im Schnitt, die eine Spulenvor­ richtung in einem Magnetresonanz-Abbildungssystem veranschau­ licht, und die Fig. 1B-1D veranschaulichen Feldgradienten, die in der Vorrichtung gemäß Fig. 1A erzeugt werden können. Diese Vorrichtung wird in Hinshaw und Lent, "An Introduction to NMR Imaging: From the Bloch Equation to the Imaging Equati­ on", Proceedings of the IEEE, Vol. 71. Nr. 3, März 1983, Sei­ ten 338-350 diskutiert. Kurz gesagt, das einheitliche stati­ sche Feld B₀ wird durch den Magneten mit dem Spulenpaar 10 er­ zeugt. Ein Gradientenfeld G(x) wird durch einen komplexen Gra­ dientenspulensatz erzeugt, der auf den Zylinder 12 gewickelt sein kann. Ein Hochfrequenz(RF)-Feld B₁ wird durch eine Hoch­ frequenz-Spule 14 erzeugt. Eine untersuchte Probe würde ent­ lang der Z-Achse innerhalb der Hochfrequenz-Spule 14 angeord­ net.

In Fig. 1B ist ein X-Gradientenfeld gezeigt, das senkrecht zum statischen Magnetfeld B₀ ist und sich linear mit dem Abstand entlang der X-Achse verändert, sich aber nicht mit dem Abstand entlang den Y- oder Z-Achsen verändert. Die Fig. 1C und 1D sind ähnliche Darstellungen der Y- bzw. Z-Gradientenfelder.

Fig. 2 ist ein Funktionsblockschaltbild einer kernmagnetischen Resonanz (NMR) -Vorrichtung. Ein Computer 20 ist programmiert, die Funktion der Magnetresonanz-Abbildungs-Vorrichtung zu steuern und dadurch erfaßte FID(freie Induktionsverzöge­ rung(free induction decay))-Signale zu verarbeiten. Das Gra­ dientenfeld wird durch eine Gradientenverstärkereinrichtung 22 mit Energie versorgt und die Hochfrequenz-Spulen zur Erzeugung eines B₁-Felds bei der Larmorfrequenz ist durch die Sendeein­ richtung 24 und die Hochfrequenz-Spule 26 gesteuert. Nach der Erregung der ausgewählten Kerne werden die Hochfrequenz-Spulen 26 verwendet, um das FID-Signal zu erfassen, das den Empfänger 28 und dann die Digitalisierereinrichtung 30 zum Verarbei­ tungscomputer 20 passiert hat.

Fig. 3 ist eine verallgemeinerte Darstellung von Hochfrequenz-Im­ pulsen, Gradienten und Echosignalen unter Verwendung einer Einzel-Aufnahme-Volurnen-Auswahl. Die Hochfrequenz-Impulse P1, P2, P3 sind Frequenz-auswählend und werden an das interessie­ rende Volumen mit einer Verzögerung τ1 zwischen P1 und P2 und einer Verzögerung τ2 zwischen P2 und P3 angelegt. Die drei Hochfrequenz-Impulse werden gleichzeitig mit Schnittauswahl­ gradienten angelegt. Gradienten (G1, G2, G3 und G4) werden be­ rechnet, um die freien Induktionsverzögerungs(FID(free induc­ tion decay))-Antworten (F1, F2, F3) von jedem der Hochfre­ quenz-Impulse zu gewinnen, die durch die Kreuzung von zwei der Schnittauswahlebenen (SE-L1, 2; SE-L2, 2; SE-L1, 3) erzeugten Spinechos zu gewinnen und schließlich eines der Volumenechos (STE-vol oder SE-vol) zu gewinnen. Umgekehrt werden die Gra­ dientenintegrale berechnet, um vollständig das interessierende Volumenecho (z. B. SE-vol) neu bzw. wieder in Phase zu bringen.

Wie vorstehend bemerkt, ist eine Volumen-lokalsierte Magnetre­ sonanz-Spektroskopie ein nützliches und klinisches Routine­ werkzeug insbesondere für die Erfassung von Entartungen gewor­ den, die zu diffusen chemischen Veränderungen im Gehirn füh­ ren. Punkt-aufgelöste Spektroskopie und angeregte Echoerfas­ sungen sind zwei bekannte Techniken zur Anwendung von Volumen­ lokalisierter Magnetresonanz-Spektroskopie mit der Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2. Jedoch treten spektrale Artefakte sowohl bei Punkt-aufgelöster Spektroskopie als auch bei ange­ regten Echoerfassungen auf. Das gewünschte Signal in beiden Verfahren ist ein am Zusammenfluß aller drei orthogonalen Hochfrequenz/Auswahlebenen erzeugtes "Volumen"echo. Drei Hoch­ frequenz-Impulse (P1, P2 und P3) werden zu Erzeugung dieser Volumenechos verwendet. Echos werden auch in den Abfolgen durch drei einzelne Paare von Hochfrequenz-Impulsen (d. h. P1-P2, P2-P3 und P1-P3) erzeugt und dieser werden als SE-L1,2, SE-L2,3 und SE-L1,3 bezeichnet. Normalerweise wird der unge­ wollte Teil des Signals in den sich ergebenden drei orthogona­ len Zeilen (oder Spalten) der Spins unter Verwendung der Ab­ folge von großen Zerkleinerungsgradienten vernichtet. Unglück­ licherweise kann die Anwesenheit von starken Suszeptibilitäts­ gradienten (oder eines schnellen Homogenitätsausfalls außer­ halb des interessierenden Volumens) ungewollte Artefaktsignale erzeugen, die zu groß sind, um durch das Vernichten allein be­ seitigt zu werden.

Der schlimmste Fall ist der, wenn das Wassersignal innerhalb einer der Spalten von Spins nach außerhalb des Wasserunter­ drückungs-Sperrbands und in das gewünschte chemische Verschie­ bungs-Durchgangsband verschoben wird. Dieses ungewollte Signal kann dreimal größer als die interessierenden Signale sein und ist daher schwierig vollkommen zu vernichten. Eine Gradienten­ reihenfolge kann jedoch helfen, da wohlbekannt ist, daß die SE-L1,3 effektiver vernichtet wird als SE-L1,2 und wiederum effektiver als SE-L2,3. Wenn eine starke Suszeptibilität oder ein Homogenitätsgradient beispielsweise entlang der Y-Achse vorliegt, würde es somit am besten sein, eine Gradientenrei­ henfolge von X Y Z oder Z Y X zu verwenden. Dieser Schnittaus­ wahlgradient zwingt die Spalte der Spins entlang der störenden Y-Achse (erzeugt durch die X- und Z-Schnittauswahlen) ein SE- L1,3 Echo zu sein, das am wirkungsvollsten zerkleinert werden kann. Jedoch beschränken sich die Suszeptibilitätsgradienten selbst nicht immer auf eine einzelne Achse.

Die Fig. 4A-4F veranschaulichen die Anwesenheit von Artefak­ ten in einer Volumen-Spektroskopie aufgrund eines Suszeptibi­ litätsgradienten entlang der Y-Achse in dem zu untersuchenden Volumen. Ein Suszeptibilitätsgradient entlang der Achse der ersten Schnittauswahl (P1) oder der dritten Schnittauswahl (P3) wird Artefakte ergeben, wie in den Fig. 4C-4F gezeigt. derselbe Suszeptibilitätsgradient entlang der Achse der zwei­ ten Schnittauswahl (P2) jedoch sollte frei von diesen Artefak­ ten sein und ein normales Spektrum ergeben, wie in den Fig. 4A und 4B gezeigt. Somit kann eine Gradientenreihenfolge zur Verteidigung eines Suszeptibilitätsgradienten entlang der ein­ zelnen Achse verwendet werden, aber nicht, wenn der Gradient entlang zwei oder mehr Achsen ist.

Gemäß der Erfindung löst und beseitigt die Verwendung von Pha­ senkodierung bei der einzelnen Volumentelementauflösung in den P1- und P3-Schnittachsen Suszeptibilitätsartefakte von dem einzelnen Volumenelementspektrum. Diese Auflösung ist in Fig. 5 für eine eindimensionale Phasen-kodierte Erfassung einer Einzel-Volumentelement-Spektroskopie und in Fig. 6 für eine zweidimensionale Phasen- kodierte Einzel-Volumenelement Spektroskopie veranschaulicht. Die normale Einzel- Volumentelement-Erfassung gemäß dem Stand der Technik enthält ein Restartefakt, während die Erfassung unter Verwendung einer Phasenkodierung die Restartefakte verringert oder beseitigt. Eine Phasenkodierung als ein Hauptverfahren von räumlicher Lo­ kalisierung ist im Stand der Technik wohlbekannt. Siehe bei­ spielsweise Diehl et al., NMR Basic Principles and Progress, Springer-Verlag, 1992 und insbesondere der Abschnitt von De­ corpe und Bourgeois über Phasen-Kodierungstechniken. Bei her­ kömmlichen Abbildungs- und spektroskopischen Verfahren wird eine Phasen-Kodierung zur Auflösung eines Volumens oder weiter zur Auflösung eines Schnitts (oder einer Schicht) von Spins verwendet. In der vorliegenden Erfindung wird eine Schnittaus­ wahl verwendet, um das interessierende Volumen zu definieren. Eine Phasen-Kodierung wird nur zur Beseitigung von Volumensus­ zeptibilitätsartefakten verwendet.

Die Erfindung wird leicht bei der protonengehirnuntersu­ chungs(PROBE)-Technik verwendet, die von Webb et al. "Automa­ ted Single-Voxel Proton MRS: Technical Development and Multi­ site Verification", Magnetic Resonance in Medicine, 31 : 365-374 (1994), Seiten 365-373 beschrieben ist. Darüberhinaus kann bei einer Verwendung der automatisierten Protonengehirnuntersu­ chungs-Technik das SI-Gitter automatisch verschoben werden, um ein vorbestimmtes Einzei-Volumenelement zu erfassen. Die Was­ ser-Bezugsdaten können wie von Webb et al., siehe oben, vor­ stehend beschrieben, gesammelt und angewendet werden. Das nicht unterdrückte Wassersignal ist im Vergleich zu irgendei­ nem Suszeptibilitätsartefakt außerhalb des Volumens groß und daher muß es nicht mit Phasenkodierung gesammelt werden.

Das Verfahren der Volumen-Magnetresonanz-Spektroskopie, bei dem eine Phasenkodierung selektiv mit Hochfrequenz-Impulsen bei einer Definition des interessierenden Volumens verwendet wird, erwies sich als erfolgreich bei einer Verringerung von Suszeptibilitätsartefakten in den abgebildeten Daten. Während die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbei­ spiele beschrieben wurde, veranschaulicht die Beschreibung die Erfindung und ist nicht als eine Beschränkung der Erfindung zu sehen. Zahlreiche Modifikationen und Anwendungen können für den Fachmann offensichtlich sein, ohne vom Schutzbereich der Erfindung, wie durch die Patentansprüche definiert, abzuwei­ chen.

Suszeptibilitätsartefakte in einer Schnittauswahl-selektiven Volumen-Magnetresonanz-Spektroskopie werden durch Anlegen ei­ ner Phasenkodierung mit einer Nennauflösung gleich oder größer als die Schnittauswahldimensionen verringert. In einem bevor­ zugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird eine Phasenko­ dierung entlang den Achsen der ersten und letzten Hochfre­ quenz-Schnittauswahlen angelegt. Das interessierende Volumen ist vollständig innerhalb eines durch die zweidimensionale Phasenkodierung definierten einzelnen Bildelements enthalten. Ein nicht-unterdrücktes Wasserbezugssignal von dem interessie­ renden Volumen ist relativ unbeeinflußt durch diese Artefakte und wird ohne Phasenkodierung gesammelt.

Claims (5)

1. Verfahren zur Volumen-Magnetresonanz-Spektroskopie mit den Schritten:

• a) Anordnen eines abzubildenden Objekts in einem statischen Magnetfeld,
• b) Anlegen einer Abfolge von drei Hochfrequenz-Impulsen an das Objekt in der Anwesenheit von Schnittauswahlgradien­ ten entlang jeder der drei Hauptachsen, wobei jeder Hochfrequenz-Impuls eine Ebene entlang einer Achse er­ regt, die gesammelt ein Echo von einem interessierenden Volumen anregen, einschließlich einer Phasen-Kodierung mit einer Auflösung größer als oder gleich einer Volu­ menelementgröße zur Auflösung und Beseitigung irgendei­ nes von Volumenartefakten und
• c) Erfassen eines lokalisierten Spektrumsignals von einem Volumen, das durch jede der erregten Spalten gekreuzt wird und weiterhin durch eine Phasen-Kodierung entlang zumindest einer Achse aufgelöst ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt:

• d) Anlegen von Gradienten zum Außer-Phase-Bringen von Si­ gnalen außerhalb des Volumens und zum Außer-Phase-Bringen von Wassermolekülspins innerhalb des Volumens.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (b) eine Phasen-Kodierung entlang zwei Achsen angelegt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt b) alle drei Achsen mit einer Auflösung zumin­ dest gleich Volumenelementdimensionen phasen-kodiert ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt d) eine nicht-phasen-kodierte Wasserbezugsabtastung enthält, die zum In- Phase-Bringen und Wirbelstrom-Kor­ rigieren des sich ergebenden Spektrums gesammelt und verwendet wird.