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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf die Magnetresonanzspektroskopie
und insbesondere auf die Volumen-Spektroskopie, in der ein örtlich bestimmtes
bzw. lokalisiertes Spektrum von einem Volumen bei einer einzelnen
Abtastung erhalten werden kann.
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Volumen-lokalisierte
Magnetresonanz-Spektroskopie wurde ein nützliches und klinisches Routinewerkzeug
besonders für
die Erfassung von Entartungen, die zu diffusen chemischen Veränderungen im
Gehirn führen.
Es sind zahlreiche Techniken zur direkten Erregung von Spins in
einem interessierenden Volumen und zum Erreichen einer dreidimensionalen
Auswahl einschließlich
einer Verwendung von angeregten Echos und der Verwendung von Carr-Purcell-Echos bekannt. Diese
Techniken erhalten ein örtlich
bestimmtes bzw. lokalisiertes Spektrum in einer einzelnen Abtastung.
Beispielsweise verwendet eine Punktaufgelöste-Spektroskopie (PRESS, siehe
US-Patent US 4 480 228 A )
eine Drei-Impuls-Abfolge, bei der jeder Impuls Frequenzauswählend ist.
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Eine
der schwierigsten Herausforderungen, die für diese Verfahren verbleiben,
ist die gesundheitsschädliche
Wirkung von großen
magnetischen Suszeptibilitätsgradienten,
die natürlich
in vielen Bereichen des Gehirns auftreten und in dem interessierenden
Bereich für
einige Brennpunkt-Pathologien auftreten
kann. Diese Gradienten führen
zu einem Automatisierungsfehler oder können zu Artefakten führen, die
die Daten nutzlos machen. Diese Artefakte treten sowohl bei Punkt-aufgelöster Spektroskopie als
auch bei angeregten Echoerfassungen auf. Bei der Punktaufgelösten Spektroskopie
beispielsweise führt
ein Suszeptibilitätsgradient
entlang der Achse der ersten Schnittauswahl (P1) oder der dritten Schnittauswahl
(P3) wahrscheinlicher zu Artefakten als derselbe Suszeptibilitätsgradient
entlang der Achse des zweiten Schnittauswahlimpulses (P2). Somit kann
eine Gradientenreihenfolge zur Bekämpfung eines Suszeptibilitätsgradienten
entlang einer einzelnen Achse verwendet werden. Unglücklicherweise begrenzen
Suszeptibilitätsgradienten
sich nicht immer selbst auf eine einzelne Achse und eine allgemeinere
Lösung
für das
Problem ist erforderlich.
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Die
vorliegende Erfindung verwendet als Lösung eine Phasen-Kodierung mit einer
Auflösung
in der Größe eines
einzelnen Volumenelements oder größer und somit zur Beseitigung
beliebiger Suszeptibilitätsartefakte
aus diesen einzelnen Volumenelementspektren.
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Das
bevorzugte Ausführungsbeispiel
der Erfindung verwendet eine Phasen-Kodierung entlang den P1- und
P3-Schnittauswahlachsen,
um eine Artefaktverringerung zu erreichen. Kurz gesagt, das abzubildende
Objekt wird in einem statischen Magnetfeld angeordnet und dann wird
eine Abfolge von drei Hochfrequenz(RF)-Impulsen an das Objekt in
der Anwesenheit 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 angeregten Ebenen geschnitten wird. Bedeutsam
ist, dass die phasen-kodierenden Gradienten hinzugefügt werden,
um irgendwelche Suszeptibilitätsartefakte
von außerhalb
des interessierenden Volumens aufzulösen und zu beseitigen. Normalerweise
ist die P2-Schnittauswahlachse frei von Artefakten und erfordert
keine Phasen-Kodierung, um ein normales Spektrum zu ergeben. Zusätzlich 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. lokalisiertes
Spektrumsignal wird dann aus dem durch jede angeregte Ebene geschnittenen
Volumen erfasst.
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Zusätzlich kann
durch Wahl der Auflösung des
Spektroskopiebilds als das interessierende Volumen das Spektroskopiebildgitter
automatisch verschoben werden, um ein vorbeschriebenes einzelnes Volumenelement
vollständig
innerhalb eines einzelnen Bildelements einzufangen. Dies beseitigt
das Problem der spektralen 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 angeregte
Volumen ist. Alternativ können kleine
Gitterverschiebungen gemacht werden, um gewisse Teilvolumeneffekte
und chemische Verschiebungsartefakte in einer Nachverarbeitung der Daten
zu beseitigen.
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Die
Erfindung und ihre Aufgaben und Merkmale werden aus der folgenden
genauen Beschreibung und den Ansprüchen in Verbindung mit den Zeichnungen
leicht offensichtlich
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Es
zeigen:
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1A–1D die
Anordnung einer herkömmlichen
Magnetresonanz-Abbildungs(MRI)-Vorrichtung und von darin erzeugten
Magnetfeldern,
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2 ein
Funktionsblockschaltbild einer Magnetresonanz-Abbildungs- und Spektroskopie-Vorrichtung,
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3 eine
Darstellung von Hochfrequenz(RF)-Impulsen, Gradienten und Echosignalen bei
einer Durchführung
einer Volumenspektroskopie gemäß der Erfindung,
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4 eine
Gradientenschnittauswahlreihenfolge mit einem normalen Spektrum
und Artefakten und
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5 und 6 eine
Auflösung
von Suszeptibilitätsartefakten
gemäß der Erfindung.
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen ist 1A eine
perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, die eine Spulenvorrichtung
in einem Magnetresonanz-Abbildungssystem veranschaulicht, und die 1B–1D veranschaulichen
Feldgradienten, die in der Vorrichtung gemäß 1A erzeugt
werden können.
Diese Vorrichtung wird in Hinshaw und Lent, „An Introduction to NMR Imaging: From
the Bloch Equation to the Imaging Equation”, Proceedings of the IEEE,
Vol. 71. Nr. 3, März
1983, Seiten 338–350
diskutiert. Kurz gesagt, das einheitliche statische Feld B0 wird durch den Magneten mit dem Spulenpaar 10 erzeugt.
Ein Gradientenfeld G(x) wird durch einen komplexen Gradientenspulensatz erzeugt,
der auf den Zylinder 12 gewickelt sein kann. Ein Hochfrequenz(RF)-Feld
B1 wird durch eine Hochfrequenz-Spule 14 erzeugt.
Eine untersuchte Probe wurde entlang der Z-Achse innerhalb der Hochfrequenz-Spule 14 angeordnet.
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In 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 1C und 1D sind ähnliche
Darstellungen der Y- bzw. Z-Gradientenfelder.
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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 Induktionsverzögerung(free
induction decay))-Signale
zu verarbeiten. Das Gradientenfeld wird durch eine Gradientenverstärkereinrichtung 22 mit
Energie versorgt und die Hochfrequenz-Spulen zur Erzeugung eines
B1-Felds bei der Larmorfrequenz ist durch
die Sendeeinrichtung 24 und die Hochfrequenz-Spule 26 gesteuert. Nach
der Anregung 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 Verarbeitungscomputer 20 passiert
hat.
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3 ist
eine verallgemeinerte Darstellung von Hochfrequenz-Impulsen, Gradienten
und Echosignalen unter Verwendung einer Einzel-Aufnahme-Volumen-Auswahl.
Die Hochfrequenz-Impulse P1, P2, P3 sind Frequenz-auswählend und
werden an das interessierende Volumen mit einer Verzögerung τ1 zwischen
21 und 22 und einer Verzögerung τ2 zwischen
P2 und 23 angelegt. Die drei Hochfrequenz-Impulse werden gleichzeitig
mit Schnittauswahlgradienten angelegt. Gradienten (G1, G2, G3 und
G4) werden berechnet, um die freien Induktionsverzögerungs(FID(free
induction decay))-Antworten (F1,
F2, F3) von jedem der Hochfrequenz-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 Gradientenintegrale berechnet, um vollständig das interessierende Volumenecho
(z. B. SE-vol) neu bzw. wieder in Phase zu bringen.
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Wie
vorstehend bemerkt, ist eine Volumen-lokalsierte Magnetresonanz-Spektroskopie
ein nützliches
und klinisches Routine-Werkzeug insbesondere für die Erfassung von Entartungen
geworden, die zu diffusen chemischen Veränderungen im Gehirn führen. Punkt-aufgelöste Spektroskopie
und angeregte Echoerfassungen sind zwei bekannte Techniken zur Anwendung
von Volumenlokalisierter Magnetresonanz-Spektroskopie mit der Vorrichtung gemäß den 1 und 2. Jedoch
treten spektrale Artefakte sowohl bei Punkt-aufgelöster Spektroskopie
als auch bei angeregten Echoerfassungen auf. Das gewünschte Signal
in beiden Verfahren ist ein am Zusammentreffen aller drei orthogonalen
Hochfrequenz-/Auswahlebenen erzeugtes „Volumen”echo. Drei Hochfrequenz-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. 21–22,
22–23
und 21–23)
erzeugt und dieser werden als SE-L1,2, SE-L2,3 und SE-L1,3 bezeichnet. Normalerweise
wird der ungewollte Teil des Signals in den sich ergebenden drei
orthogonalen Zeilen (oder Spalten) der Spins unter Verwendung der
Abfolge von großen
Zerkleinerungsgradienten vernichtet. Unglücklicherweise kann die Anwesenheit
von starken Suszeptibilitätsgradienten
(oder eines schnellen Homogenitätsabfalls
außerhalb
des interessierenden Volumens) ungewollte Artefaktsignale erzeugen,
die zu groß sind,
um durch das Vernichten allein beseitigt zu werden.
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Der
schlimmste Fall ist der, wenn das Wassersignal innerhalb einer der
Spalten von Spins nach außerhalb
des Wasserunterdrückungs-Sperrbands und
in das gewünschte
chemische Verschiebungs-Durchgangsband verschoben wird.
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Dieses
ungewollte Signal kann dreimal größer als die interessierenden
Signale sein und ist daher schwierig vollkommen zu vernichten. Eine
Gradientenreihenfolge 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 Gradientenreihenfolge von X Y Z oder
Z Y X zu verwenden. Dieser Schnittauswahlgradient 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.
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Die 4A–4F veranschaulichen die Anwesenheit von
Artefakten in einer Volumen-Spektroskopie aufgrund eines Suszeptibilitätsgradienten
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 4C–4F gezeigt. Derselbe Suszeptibiltätsgradient
entlang der Achse der zweiten Schnittauswahl (P2) jedoch sollte frei
von diesen Artefakten sein und ein normales Spektrum ergeben, wie
in den 4A und 4B gezeigt.
Somit kann eine Gradientenreihenfolge zur Bekämpfung eines Suszeptibilitätsgradienten
entlang der einzelnen Achse verwendet werden, aber nicht, wenn der
Gradient entlang zwei oder mehr Achsen ist.
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Gemäß der Erfindung
löst und
beseitigt die Verwendung von Phasen-Kodierung bei der einzelnen
Volumenelementauflösung
in den P1- und P3-Schnittachsen Suszeptibilitätsartefakte des im einzelnen
Volumenelementspektrums, Diese Auflösung ist in 5 für eine eindimensionale
Phasen-kodierte Erfassung einer Einzel-Volumenelement-Spektroskopie
und in 6 für
eine zweidimensionale Phasen-kodierte Einzel-Volumenelement-Spektroskopie veranschaulicht.
Die normale Einzel-Volumenelement-Erfassung gemäß dem Stand der Technik enthält ein Restartefakt,
während die
Erfassung unter Verwendung einer Phasen-Kodierung die Restartefakte
verringert oder beseitigt. Eine Phasen-Kodierung als ein Hauptverfahren räumlicher
Lokalisierung ist im Stand der Technik wohlbekannt. Siehe dazu beispielsweise
Diehl et al., NMR Basic Principles and Progress, Springer-Verlag,
1992 und dortinsbesondere den Abschnitt von Decorpe und Bourgeois über Phasen-Kodierungstechniken.
Bei herkömmlichen
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
Schnittauswahl verwendet, um das interessierende Volumen zu definieren.
Eine Phasen-Kodierung wird nur zur Beseitigung von Volumensuszeptibilitätsartefakten
verwendet.
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Die
Erfindung wird leicht bei der Protonengehirnuntersuchungs(PROBE)-Technik
verwendet, die von Webb et al. „Automated Single-Voxel Proton MRS:
Technical Development and Multisite Verification”, Magnetic Resonance in Medicine,
31 (1994), Seiten 365–373
beschrieben ist. Darüberhinaus
kann bei einer Verwendung der automatisierten Protonengehirnuntersuchungs-Technik
das SI-Gitter automatisch verschoben werden, um ein vorbestimmtes
Einzel-Volumenelement zu erfassen. Die Wasser-Bezugsdaten können wie
von Webb et al., siehe oben, vorstehend beschrieben, gesammelt und
angewendet werden. Das nicht unterdrückte Wassersignal ist im Vergleich
zu irgendeinem Suszeptibilitätsartefakt außerhalb
des Volumens groß und
daher muss es nicht mit Phasenkodierung gesammelt werden.
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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 Ausführungsbeispiele
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 Patentanspruche definiert, abzuweichen.
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Suszeptibilitätsartefakte
in einer Schnittauswahlselektiven Volumen-Magnetresonanz-Spektroskopie
werden durch Anlegen einer Phasenkodierung mit einer Nennauflösung gleich
oder größer als
die Schnittauswahldimensionen verringert. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
des Verfahrens wird eine Phasenkodierung entlang der Achsen der
ersten und letzten Hochfrequenz-Schnittauswahlen angelegt. Das interessierende
Volumen ist vollständig
innerhalb eines durch die zweidimensionale Phasenkodierung definierten
einzelnen Bildelements enthalten. Ein nicht-unterdrücktes Wasserbezugssignal
des interessierenden Volumens ist relativ unbeeinflusst durch diese
Artefakte und wird ohne Phasenkodierung gesammelt.