DE19749941A1

DE19749941A1 - Bildverschiebungskorrektur bei diffusionsgewichteten Pulssequenzen

Info

Publication number: DE19749941A1
Application number: DE1997149941
Authority: DE
Inventors: Hubertus Dipl Phys Dr Fischer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-11-11
Filing date: 1997-11-11
Publication date: 1998-08-20

Description

Bei diffusionsgewichteten Pulssequenzen wird die Diffusion neben den Relaxationszeiten T1, T2 und der Spindichte als weiterer Parameter eingeführt, der den Kontrast beim MR-Bild bestimmt. Unter Diffusion versteht man die stochastische Be wegung von Molekülen in der Größenordnung von Mikrometern. Eine Diffusionsmessung wurde von Stejskal/Tanner in The Jour nal of Chemical Physics, Vol. 42, No. 1, 288-292, 1. Januar 1965 vorgeschlagen. Dabei wurde die Diffusionsgewichtung durch gleichpolige Gradientenpulse vor und nach einem 180°-Hochfre quenzpuls erreicht. Solche Gradientenpulse, die ein Kernreso nanzsignal sensitiv für Diffusion machen, werden im folgenden kurz als "Diffusionsgradienten" bezeichnet. Beim ursprüngli chen Vorschlag wurde beim MR-Experiment noch keine Ortsauflö sung durchgeführt. Später wurde das Verfahren nach Steyskal/Tanner auch in Verbindung mit bildgebender MR angewandt, d. h. es wurden zusätzlich zu den Diffusionsgradienten nach Stejskal/Tanner auch Gradienten zur Ortscodierung der erhal tenen Kernresonanzsignale eingeschaltet.

Da die Bewegung in molekularen Größenordnungen nachgewiesen wird, ist eine makroskopische Bewegung, z. B. unfreiwillige Patientenbewegung oder die Pulsation des Gehirns, extrem stö rend. Es werden daher bevorzugt Pulssequenzen angewandt, bei denen die Bilddatengewinnung sehr schnell abläuft, so daß ma kroskopische Bewegungen über die Meßzeit begrenzt werden kön nen. Die schnellste derzeit bekannte Pulssequenz ist das so genannte EPI-Verfahren, wie es von Mansfield in Journal of Physics C, 10, 1977, beschrieben wurde. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die diffusionsgewichtete Messung zu Bild verschiebungsartefakten führt, die gerade beim EPI-Verfahren besonders gravierend sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Bildverschiebungen in Zusammenhang mit diffusionsgewichteten Pulssequenzen zu kor rigieren.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht. Mit der angewandten Phasenkorrektur im Rohdatenbe reich kann man Bildverschiebungsartefakte auf einfache Weise vermeiden. Bei diesem Verfahren kommt man mit der für die Bildgebung ohnehin vorhandenen Hardware aus und der Rechen aufwand für die Phasenkorrektur ist relativ gering.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 bis 4 eine diffusionsgewichtete Pulssequenz,

Fig. 5 ein Flußdiagramm des Verfahrens.

Beim beispielhaft dargestellten Diffusionsexperiment nach den Fig. 1 bis 4 wird zunächst unter der Einwirkung eines Schichtselektionsgradienten GS nach Fig. 4 ein 90°-Hochfrequenzpuls RF1 eingestrahlt. Damit werden in bekannter Weise Kernspins in einer Schicht des Untersuchungsobjekts an geregt. Anschließend folgt ein erster positiver Teilpuls GD1 des Diffusionsgradienten GD, wobei dieser im Beispiel in Richtung des Auslesegradienten GR liegt. Ferner wird durch einen negativen Teilpuls des Schichtselektionsgradienten GS die durch den positiven Teilpuls bewirkte Dephasierung wieder zurückgesetzt. Im nächsten Zeitintervall folgt ein 180°-Hoch frequenzpuls RF2, der die mit dem ersten Hochfrequenzpuls RF1 angeregten Kernspins refokussiert und somit zu Spinechos in der nachfolgenden Akquisitionsphase führt. Nach dem 180°-Hoch frequenzpuls RF2 wird ein zweiter Teilpuls GD2 des Diffu sionsgradienten GD geschaltet, der dieselbe Polarität wie der erste Teilpuls GD1 hat. Ferner wird ein Vorphasierpuls in ne gativer Richtung des Auslesegradienten GR geschaltet.

Das erhaltene Kernresonanzsignal trägt aufgrund des Diffusi onsgradienten GD nicht nur eine Information über die räumli che Verteilung der Spindichte sowie der Relaxationszeiten T1, T2, sondern auch über die Diffusion der Spins. Für den Diffu sionsgradienten sind folgende Merkmale erforderlich:

- Das Gradientenintegral für stationäre Spins muß zum Ausle sezeitpunkt des Kernresonanzsignals Null sein, damit die Rephasierbedingung erfüllt ist.
- Es muß eine Diffusionssensitivität vorliegen.

Die erste Bedingung wird beim Experiment nach Stejskal/Tanner dadurch erfüllt, daß der zweite Teilpuls GD2 des Dif fusionsgradienten GD aufgrund der durch den 180°-Hochfre quenzpuls RF2 invertierten Spinpopulation bezüglich der Phase der Kernspins entgegengesetzt zum ersten Teilpuls GD1 des Diffusionsgradienten GD wirkt. Die Flächen der Teilpulse GD1 und GD2 sind gleich. Damit ist das Gradientenzeitintegral für stationäre Spins zum Auslesezeitpunkt des Kernresonanzsignals Null. Die obengenannte Phasenabhängigkeit gilt nur für sta tionäre Spins. Bewegte Spins (wobei in diesem Sinne unter Be wegung auch Diffusion zu verstehen ist) unterliegen einer an deren Abhängigkeit zwischen Phasengang und jeweiligem Gra dienten. Für die Diffusionsmessung bzw. diffusionsgerichtete MR-Bilder wird durch den oben dargestellten Diffusionsgra dienten erreicht, daß Diffusion zur Schwächung des MR-Signals gegenüber stationärem Material führt. Das geschwächte Signal S_D(t) läßt sich wie folgt angeben:

S_D(t) = S(t).e^-bd

wobei gilt:
S(t) = Signal ohne Diffusion,
b = γ².δ².G²(Δ-1/3δ)
D = Diffusionskonstante
δ = Länge eines Teilpulses GD1 bzw. GD2
G = Gradientenstärke
Δ = Abstand zwischen den Gradienten-Teilpulsen
γ = gyromagnetische Konstante

Bei der Pulssequenz nach den Fig. 1 bis 4 folgt nach der bisher beschriebenen Phase, die man auch als Anrege- und Prä parationsphase bezeichnen könnte, eine Auslesephase. Hierbei wendet man als Auslesegradienten GR einen Gradienten wech selnden Vorzeichens an. Durch das wechselnde Vorzeichen wer den die Kernspins im Wechsel refokussiert und wieder defokus siert. Bei jedem positiven und negativen Teilpuls des Ausle segradienten GR wird in einem Akquisitionsfenster AQ das ent stehende Kernresonanzsignal erfaßt. Durch den Auslesegradien ten GR während der Akquisitionsphasen AQ sind die entstehen den Kernresonanzsignale in Richtung des Auslesegradienten GR frequenzcodiert. Ferner wird die Phase der ausgelesenen Kern resonanzsignale durch kleine Phasencodierpulse GP zwischen den Akquisitionsfenstern AQ schrittweise fortgeschaltet. Die erhaltenen Kernresonanzsignale werden phasenempfindlich abge tastet, digitalisiert und - nach ihren Phasenfaktoren sor tiert - in eine Rohdatenmatrix eingetragen. Beim EPI-Verfah ren kann man durch schnelles Umschalten des Auslesegradienten GR erreichen, daß nach einer einzigen Anregung genügend viele Signale zur Erstellung einer vollständigen Rohdatenmatrix für ein Bild gemessen werden. Aus der Rohdatenmatrix, der häufig auch die Bezeichnung "k-Raum" zugeordnet wird, wird durch zweidimensionale Fourier-Transformation eine Bilddatenmatrix gewonnen.

Es hat sich gezeigt, daß bei Anwendung von Diffusionsgradien ten in Verbindung mit dem EPI-Verfahren starke Verschiebungs artefakte in Richtung des Auslesegradienten GR entstehen. Da bei wurde gefunden, daß diese Verschiebungsartefakte von Wir belströmen herrühren, die von den Diffusionsgradienten GD verursacht werden. Die Wirbelströme werden durch geschaltete Gradientenfelder in den Gradientenspulen benachbarten elek trisch leitenden Teilen des Kernspintomographen induziert. Dabei sind die Wirbelströme umso stärker, je länger und je höher der geschaltete Magnetfeldgradient ist. Die Diffusions gradienten sind typischerweise besonders lang (10-25 ms) und von hoher Amplitude (15-30 mTesla/m), so daß sie starke Wir belströme anstoßen. Diese Wirbelströme erzeugen wiederum Ma gnetfelder, die durch Terme unterschiedlicher Ordnung ausge drückt werden. Im vorliegenden Zusammenhang ist insbesondere der Term Nullter Ordnung von Bedeutung, der einen Offset ΔB₀ des Grundfelds B₀ des Kernspintomographen bewirkt.

Nun reagiert die EPI-Sequenz besonders empfindlich auf den Offset ΔB₀ des Grundfeldes, der zu einer Verschiebung der zum Magnetfeld proportionalen Kernresonanzfrequenz führt. Diese Verschiebung des Grundmagnetfelds äußert sich im Bildbereich durch Verschiebungsartefakte in Richtung des Auslesegradien ten GR.

Gemäß der Erfindung wird nun die Bildverschiebung im Ortsraum durch eine lineare Phasenkorrektur im k-Raum, also im Rohda tensatz korrigiert. Dabei nützt man eine Eigenschaft der Fou rier-Transformation aus, daß nämlich eine Verschiebung in ei ner Domäne einer linearen Phase in der durch die Fourier- Transformation komplementären Domäne entspricht. Wie bereits oben ausgeführt, wird ja bei den herkömmlichen Bildrekon struktionsverfahren in der Kernspintomographie der Bilddaten satz durch Fourier-Transformation aus dem Rohdatensatz gewon nen. Der oben erwähnte allgemeine Lehrsatz für die Fourier- Transformation bedeutet also, angewandt auf den hier vorlie genden Fall, daß eine Bildverschiebung einer linearen Phasen verschiebung im Rohdatensatz entspricht.

Die Phasenkorrektur im Rohdatenbereich zur Korrektur von B₀- Offsets durch Gradienten ist an sich durch die Literaturstel le R. Ordidge et al., Journal of Magnetic Resonance 69, 151- 155 (1986), bekannt. Die Phasenverschiebung kann einfach da durch erfolgen, daß man den Rohdatensatz mit dem Faktor e⁻^ϕ (t) multipliziert, wobei ϕ für die Phasenverschiebung steht.

Der erforderliche Phasenwinkel ϕ kann relativ einfach durch Vergleichsmessungen ermittelt werden. In dem Ablaufschema nach Fig. 5 ist eine Möglichkeit zur Bestimmung der linearen Phase ϕ angegeben. Es erfolgt zunächst eine Messung nach den Fig. 1 bis 4, jedoch ohne Diffusionsgradient. Die Signale S₀(kx, ky) im Rohdatenraum werden gespeichert. Diese Daten können auch zur Gewinnung eines Bildes ohne Diffusionsgewich tung verwendet werden, wobei dieses Bild ohne Diffusionsge wichtung bei der Diagnose ohnehin häufig gewünscht ist. An schließend wird eine EPI-Messung mit Anwendung des Diffusi onsgradienten durchgeführt, so daß man ebenfalls wieder einen Rohdatensatz S1(kx, ky) erhält. x steht dabei jeweils für die Ausleserichtung, also die Richtung des Gradienten GR, y steht jeweils für die Phasencodierrichtung, also die Richtung des Gradienten GP.

Die gesuchte Phase ϕ kann nun durch Vergleich der Signale S1(kx, ky = 0) und S0(kx, ky = 0) ermittelt werden. Aufgrund der Phase ϕ wird aus dem Rohdatensatz S1(kx, ky) für alle kx eine Phasenkorrektur vorgenommen. Aus dem korrigierten Rohdaten satz S1' (kx, ky) wird durch zweidimensionale Fourier-Transfor mation ein Bild rekonstruiert.

Eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung der Phase ϕ besteht darin, daß man die Resonanzfrequenz vor und nach dem Diffusi onsgradienten bestimmt. Dazu wird ein Kernresonanzsignal nach dem Anregepuls RF1 noch vor Beginn des Diffusionsgradienten GD1 ausgelesen. Ein Vergleichssignal kann aus den Meßdaten in der Auslesephase entnommen werden, und zwar insbesondere der Zeile oder Spalte, die durch den Ursprung des k-Raums führt. Durch Vergleich der beiden Signale kann ebenfalls die Phase ϕ ermittelt werden.

Mit dem dargestellten Verfahren gelingt es, diffusionsgewich tete Sequenzen weitgehend frei von Verschiebungsartefakten zu machen, und zwar auch bei der gegen Verschiebungsartefakte besonders empfindlichen EPI-Sequenz. Dabei ist keinerlei zu sätzliche Hardware erforderlich. Die Phasenkorrektur kann mit einfachen Rechenschritten durchgeführt werden. Auch die Er mittlung der Korrekturphase ϕ ist ohne oder allenfalls mit geringfügigem zusätzlichem Meßaufwand möglich.

Claims

1. Bildverschiebungskorrektur bei diffusionsgewichteten Pulssequenzen in der Kernspintomographie mit folgenden Schritten:

a) Anregen eines Kernresonanzsignals,
b) Schalten eines Diffusionsgradienten (GD)
c) Auslesen von Kernresonanzsignalen (S) mit einer ortsab hängigen Phasendispersion,
d) Abtastung und phasenempfindliche Demodulation der Kern resonanzsignale (S) und Einordnung der Abtastwerte im k- Raum,
e) Phasenkorrektur der Abtastwerte im k-Raum zur Kompensa tion der Einflüsse der von den Diffusionsgradienten (GD) induzierten Wirbelströme auf das in den Schritten a) bis c) anliegende Grundmagnetfeld B₀,
f) Bildberechnung aus den phasenkorrigierten Abtastwerten im k-Raum durch mehrdimensionale Fourier-Transformation.

2. Bildverschiebungskorrektur nach Anspruch 1, wobei zur Ermittlung der durch die Diffusionsgradienten (GD) induzier ten Phasenfehler folgende Schritte durchgeführt werden:

a) Messung eines Rohdatensatzes ohne Diffusionsgradient (GD),
b) Messung eines Rohdatensatzes mit Diffusionsgradient (GD),
c) Ermittlung der Differenz in der linearen Phase zwischen beiden Rohdatensätzen.

3. Bildverschiebungskorrektur nach Anspruch 1, wobei zur Ermittlung des Einflusses der durch den Diffusionsgradienten (GD) induzierten Wirbelströme die Differenz der Resonanzfre quenzen vor und nach dem Diffusionsgradienten (GD) bestimmt wird und wobei aus der Differenz der Resonanzfrequenzen der durch die Wirbelströme verursachte Phasengang ermittelt wird.

4. Bildverschiebungskorrektur nach Anspruch 3, wobei zur Ermittlung der Resonanzfrequenz nach dem Diffusionsgradienten (GD) Rohdaten für die Bildgewinnung herangezogen werden.