DE19824762C2 - Pulssequenz zur Gewinnung von Rohdaten und Kernspintomographiegerät - Google Patents
Pulssequenz zur Gewinnung von Rohdaten und KernspintomographiegerätInfo
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Description
Ein besonders schnelles Verfahren zur Gewinnung von Bildin
formation bei MR-Geräten ist das sogenannte Turbospinecho-
Verfahren, wie es z. B. in der US-Patentschrift 5,545,990 be
schrieben ist. Dabei werden die Kernspins mit einem 90°-
Hochfrequenz-Anregepuls angeregt und anschließend durch meh
rere 180°-Hochfrequenz-Refokussierungspulse refokussiert.
Dies wird im Abstand der sogenannten Repetitionszeit TR so
oft wiederholt, bis sämtliche Daten für ein vollständiges MR-
Bild gewonnen sind. Dieses Verfahren ist wesentlich schneller
als konventionelle Spinechosequenzen, bei denen nach jeder
Anregung nur eine Refokussierung erfolgt, d. h. also nur ein
Kernresonanzsignal gewonnen wird. Allerdings weist das Tur
bospinechoverfahren, das üblicherweise für T1- und Protonen
dichte-Kontrast verwendet wird, im Vergleich zum Spinechover
fahren einen sichtbaren Auflösungsverlust auf.
Aus der US 5,270,654 ist eine Pulssequenz für ein Magnetreso
nanzgerät bekannt, bei der nach einem Hochfrequenz-Anregepuls
mehrere Hochfrequenz-Refokussierungspulse auf ein Objekt ein
gestrahlt werden. Nach jedem Hochfrequenz-Refokussierungspuls
wird ein verschieden phasencodiertes Echosignal empfangen.
Die phasencodierten Echosignale werden zusammenhängenden Zei
len der k-Raum-Matrix zugeordnet. Dort ist zwar erwähnt, daß
bei einer derartigen Pulssequenz die gesamte k-Raum-Matrix
mit den Echosignalen mehrerer Hochfrequenz-Anregepulse ge
füllt wird, die Zuordnung der Echosignale zu den Zeilen in
der Matrix ist jedoch nicht beschrieben.
Der Artikel von W. Nitz: "Bildgebende Sequenzen in der Kern
spintomographie und ihre klinische Anwendung, Teil 1", er
schienen in electromedica, Band 64, 1996, Heft 1, Seiten 23-
29, ist angegeben, daß die mittleren Zeilen der k-Raum-Matrix
die Grobstruktur und den Kontrast bestimmen. In einer dort
vorgestellten T1-gewichteten Bildgebung ist mit der Messung
der zentralen Zeilen der Rohdatenmatrix (k-Raum-Matrix) be
gonnen worden.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Auflösungsverlust bei einer
Turbospinechosequenz zu vermeiden, ohne den T1- bzw. den Pro
tonendichtekontrast zu verfälschen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale
des Anspruchs 1. Hierbei werden die gewonnenen Kernresonanz
signale nach den Anregungen gruppiert in Segmente der Rohda
tenmatrix eingetragen. Damit weisen die Randzeilen der Rohda
tenmatrix eine Amplitude auf, die mit den zentralen Zeilen
der Rohdatenmatrix vergleichbar ist. Da die Randzeilen die
Auflösung des Bildes bestimmen, wird diese entsprechend ver
bessert. Dabei steigt die Anzahl der nach jedem Hochfrequenz-
Anregepuls eingestrahlten Hochfrequenz-Refokussierungspulse
bei späteren Hochfrequenz-Anregepulsen. Da die zentralen Zei
len der Rohdatenmatrix den Kontrast bestimmen, kann man für
diese zentralen Zeilen keine beliebig langen Echozüge verwen
den, ohne den T1- bzw. Protonendichtekontrast zu verfälschen.
Die den Randzeilen der Rohdatenmatrix zugeordneten späteren
Kernresonanzsignale bestimmen jedoch maßgeblich nur noch die
Auflösung, so daß man für deren Aufnahme mit längeren Echo
zügen, d. h. einer größeren Anzahl von Hochfrequenz-Refokus
sierungspulsen, arbeiten kann.
Durch eine Mittelung von Meßwerten nach Anspruch 2 kann man
Amplitudensprünge in der Rohdatenmatrix vermeiden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand
der Fig. 1 bis 7 näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 beispielhaft einen Pulszug nach dem üblichen Turbos
pinechoverfahren,
Fig. 2 die Einordnung der Spinechos und deren Amplitude
nach dem herkömmlichen Spinechoverfahren,
Fig. 3 einen Pulszug als Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für die Einordnung der Spi
nechos in Rohdatenmatrizen sowie den entsprechenden
Amplitudenverlauf als Ausführungsbeispiel der Erfin
dung,
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für die Mittelung der Kern
resonanzsignale,
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel für die Phasencodierung der
Kernresonanzsignale,
Fig. 7 den T2-Abfall der Kernresonanzsignale über einen
Echozug,
Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung zur
Durchführung des Verfahren.
Zur Erläuterung der Problemstellung ist in den Fig. 1 und
2 zunächst die Einordnung der Kernresonanzsignale bei her
kömmlichen Turbospinechoverfahren dargestellt. Auf einen 90°-
HF-Anregepuls RF1 folgen im Ausführungsbeispiel fünf 180°-HF-
Refokussierungspulse RFR. Nach jedem dieser HF-Refokussie
rungspulse RFR wird ein Kernresonanzsignal in Form eines
Echos E1 bis E5 gemessen. Im Abstand der Repetitionszeit TR
folgt ein weiterer Pulszug aus Anregung und Refokussierung.
Je Echo E gewinnt man durch phasenempfindliche Demodulation,
Abtastung und Digitalisierung m Meßwerte, die je Echo E in
eine Zeile einer Rohdatenmatrix RD eingetragen werden. Durch
Phasencodierung der einzelnen Echos wird bekanntlich die Zu
ordnung des jeweiligen Echos zur k-Raumzeile festgelegt. Bei
herkömmlichen Turbospinecho-Verfahren wird die Rohdatenmatrix
in eine Anzahl von Segmenten S eingeteilt, die der Anzahl von
Echos E nach jeder Anregung entspricht. Jedes Segment weist
eine Anzahl von Zeilen auf, die der Anzahl der Anregungen zur
Erstellung eines vollständigen Bilddatensatzes entspricht.
Die Einordnung der Meßwerte für die einzelnen Echos erfolgt
nun derart, daß in das zentrale Segment alle ersten Echos E1
aller Anregungen eingetragen werden. Dem liegt die Tatsache
zugrunde, daß die zentralen Zeilen der Rohdatenmatrix maßgeb
lich den Bildkontrast und das Signal/Rausch-Verhältnis be
stimmen. Im Hinblick auf das Signal/Rausch-Verhältnis ist man
daher bestrebt, das Signal mit der höchsten Amplitude für die
zentralen k-Raumzeilen zu verwenden. Wie man in Fig. 1 er
kennt, fallen die Signalamplituden jedoch mit zunehmendem Ab
stand von der Anregung mit der T2-Relaxationszeit ab. Ferner
ist zu beachten, daß das erste Echo E1 die stärkste Protonen
dichte (Pd) bzw. T1-Wichtung aufweist und damit in erwünsch
ter Weise den Protonendichte- bzw. T1-Kontrast des Bildes be
stimmt. Spätere Echos weisen dagegen eine T2-Wichtung auf. Da
diese jedoch in den Randzeilen sich weniger auf den Bildkon
trast auswirken, wird der gewünschte T1- bzw. Protonendichte
kontrast kaum gestört.
Zusammenfassend kann man also sagen, daß beim herkömmlichen
Verfahren die zentralen Zeilen der Rohdatenmatrix mit den
Echosignalen belegt sind, die sowohl die höchste Amplitude
als auch die höchste T1- bzw. Protonendichtewichtung aufwei
sen, so daß man ein optimales Signal/Rausch-Verhältnis und
eine T1- bzw. Protonendichtewichtung bekommt. Zum Rand hin
werden die Echos mit wesentlich geringerer Amplitude und T2-
Wichtung eingeordnet, wobei diese jedoch weder das Signal/-
Rausch-Verhältnis noch den Bildkontrast maßgeblich beeinflus
sen, sondern sich nur auf die Bildauflösung auswirken.
Bei heute üblichen Turbospinechosequenzen mit T1- oder pD-
Wichtung werden pro Anregung üblicherweise drei bis fünf
Echos refokussiert. Dabei wird eine relativ niedrige Auslese
bandbreite verwendet, so daß der Echo-Echo-Abstand etwa bei
10 ms bis 20 ms liegt.
Die bei den herkömmlichen Turbospinecho-Verfahren auftretende
T2-Wichtung der Randzeilen der Rohdatenmatrix, die ja die
Auflösung des Bildes bestimmen, bewirkt einen gegenüber her
kömmlichen Spinechosequenzen merklichen Auflösungsverlust.
Dieser Auflösungsverlust tritt verstärkt auf bei wachsender
Anzahl der refokussierten Echos pro Anregung, da damit der
Zeitabstand zur Anregung, und damit die Signalamplitude der
letzten Echos, abnimmt. Der Auflösungsverlust nimmt ferner
mit abnehmender Relaxationszeit T2 zu.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand
der Fig. 3 bis 6 dargestellt. Fig. 3 zeigt in Anlehnung
an Fig. 1 zunächst den Echopulszug, wobei in diesem Beispiel
nach der ersten Anregung mit dem Anrege-HF-Puls RF1 neun
Echos E1 bis E9 refokussiert werden. Um den Zeitabstand zwi
schen Anregung und dem letzten Echo E9, der aufgrund des T2-
Abfalls die Amplitude des letzten Echos E9 bestimmt, nicht zu
groß werden zu lassen, wird eine relativ hohe Ausleseband
breite verwendet, so daß der Echo-Echo-Abstand bei etwa 4 bis
5 ms liegt. Die Auslesedauer steht nämlich bekanntlich in um
gekehrtem Verhältnis zur Auslesebandbreite.
Wie beim Stand der Technik werden die Zeilen der in Fig. 4
dargestellten Rohdatenmatrix wieder in Segmente eingeteilt,
in diesem Fall ist allerdings ein Segment nicht mehr einer
bestimmten Echonummer, sondern einer bestimmten Anregung zu
geordnet. In das zentrale Segment werden die neun Echos E1
bis E9 der ersten Anregung exc1 eingetragen, in das sich in
positiver Richtung anschließende Segment S1 die Echos der
zweiten Anregung exc2, in das sich in negativer Richtung an
schließende Segment S-1 alle Echos der dritten Anregung exc3
usw.. Durch diese Art der Einordnung entspricht die Echo
amplitude und die T2-Wichtung in den Randsegmenten etwa der
Echoamplitude und der T2-Wichtung im zentralen Segment, so
daß der oben dargestellte Auflösungsverlust durch den T2-
Abfall nicht auftritt.
Vorteilhafterweise kann man für die Randsegmente die Anzahl
von Echos je Anregung erhöhen. Beispielsweise kann man in den
Anregungen 2 bis 5 jeweils 33 Echos gewinnen. Damit wird zwar
der Signalabfall aufgrund des T2-Abfalls vom ersten zum letz
ten Echo nach einer Anregung gravierender, dies stört jedoch
in den Randsegmenten weniger.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 treten relativ starke
Amplitudensprünge zwischen den einzelnen Segmenten auf, die
die Bildqualität verschlechtern können. Um dieses zu vermei
den, kann man in Anlehnung an das in dem US-Patent 5,545,990
vorgeschlagene Verfahren eine Mittelung unterschiedlich ge
wonnener Rohdatensätze durchführen. Dies ist beispielhaft in
Fig. 5 dargestellt. Hierfür gewinnt man zwei vollständige
Datensätze, d. h., man belegt zwei vollständige Rohdatenmatri
zen RD1 und RD2, indem man im Beispiel die Anzahl der Anre
gungen von 5 auf 10 verdoppelt. Die beiden Datensätze RD1 und
RD2 sind identisch segmentiert. Die Echos der ersten Anregung
werden wie gehabt in das zentrale Segment des ersten Daten
satzes RD1 eingetragen, die Echos der zweiten Anregung Exc2
werden in das zentrale Segment der zweiten Rohdatenmatrix RD2
eingetragen, die Echos der dritten Anregung in das Segment S1
der ersten Rohdatenmatrix, die Echos der vierten Anwendung
Exc4 in das Segment S1 des zweiten Rohdatensatzes RD2 usw..
In diesem Fall muß natürlich die Zahl der Echos je Anregung
in den zugehörigen Anregungen im ersten und zweiten Rohdaten
satz RD1 und RD2 übereinstimmen. Die Phasencodierung wird da
bei so gesteuert, daß die Reihenfolge der belegten k-Raumzei
len in beiden Rohdatensätzen entgegengesetzt verläuft, in an
deren Worten, im Rohdatensatz RD1 ist das erste Echo E1 jeder
Anregung der höchsten Zeilennummer des betreffenden Segments
zugeordnet, das letzte Echo jeder Anregung der niedrigsten
Zeilennummer des entsprechenden Segments. Im Datensatz RD2
dagegen ist das erste Echo jeder Anregung der niedrigsten
Zeilennummer im betreffenden Segment und das letzte Echo der
höchsten Zeilennummer zugeordnet. Damit entsteht für jedes
Segment ein gegenläufiger Amplitudenverlauf über die Zeilen
der Rohdatensätze RD1 und RD2 (in Fig. 5 mit ARD1 bzw. ARD2
bezeichnet). Wenn man nun die beiden Datensätze addiert (oder
anders ausgedrückt: mittelt) erhält man einen fast ausgegli
chenen Amplitudenverlauf, wie er im rechten Teil der Fig. 5
mit der Bezeichnung ASu dargestellt ist.
Die Einordnung der einzelnen Meßsignale in Zeilen der Rohda
tenmatrizen werden bekanntlich durch Phasencodierung der
Kernresonanzsignale festgelegt. Die Rohdatenmatrizen kann man
als Meßdatenraum betrachten, der im allgemeinen als k-Raum
bezeichnet wird. Für den k-Raum gelten folgende Definitionen:
Dabei ist γ die Larmorkonstante und GX, GY, GZ ein Magnetfeld
gradient in der Richtung x, y bzw. z eines kartesischen Koor
dinatensystems.
Aus einem Rohdatensatz im k-Raum, also der Rohdatenmatrix RD
nach Fig. 4, kann man nun ein Bild rekonstruieren, da zwi
schen dem Ortsraum (also dem Bild) und dem k-Raum mathema
tisch der Zusammenhang über folgende mehrdimensionale Fou
rier-Transformation besteht:
S(kx, ky, kz) = ∫∫∫ρ(x, y, z)ei(kxx+kyy+kzz)dxdydz
Dabei ist ρ(x, y, z) die Spindichteverteilung und E 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 E eine Zeile
der Rohdatenmatrix. Die Zeilenposition ist dabei entsprechend
den obigen Ausführungen durch den Wert ky, also durch das
Zeitintegral über den vorausgehenden Phasencodiergradienten
in y-Richtung festgelegt.
In Fig. 6 ist ein Beispiel für die Phasencodierung der Kern
resonanzsignale für sieben Echos des Segments S0 der oben
dargestellten Rohdatenmatrix RD dargestellt. In der ersten
Zeile sind ein 90°-HF-Anregepuls mit nachfolgenden 180°-HF-
Refokussierungspulsen dargestellt. Nach jedem HF-Refokussie
rungspuls RFR folgt ein Echo E, das durch Einwirken eines
Auslesegradienten GR nach Zeile 2 frequenzcodiert wird. Durch
diese Frequenzcodierung entsteht eine Phasendispersion in
Zeilenrichtung der Rohdatenmatrix RD. Der Phasencodiergra
dient GP ist in der dritten Zeile dargestellt. Das erste Echo
E1 wird am stärksten in positiver Richtung phasencodiert, so
daß es entsprechend der k-Raumposition im zentralen Segment
S0 die oberste Zeile belegt. Anschließend wird die Phasenco
dierung für dieses Echo E1 - wie bei Turbospinechosequenzen
üblich - wieder zurückgesetzt. Die nachfolgenden Echos werden
mit geringerer Amplitude phasencodiert bis zum Echo E4, das
keine Phasencodierung aufweist und damit die Nullzeile der
Rohdatenzeile RD belegt. Anschließend werden die Echos zuneh
mend negativ phasencodiert.
In Fig. 7 ist der Amplitudenverlauf der Echos E1 bis E7 auf
grund des T2-Abfalls dargestellt. Dabei wird deutlich, daß
die späten Echos des Pulszugs eine deutlich geringere Ampli
tude aufweisen, was aber mit der oben beschriebenen Mittelung
nach der Gewinnung zweier vollständiger Rohdatensätze wieder
ausgeglichen werden kann.
Ergänzend sei bemerkt, daß das hier beschriebene Verfahren
auch mit dem Halb-Fourier-Verfahren kombiniert werden kann,
bei dem nicht alle, sondern nur etwas mehr als die Hälfte al
ler Zeilen einer Rohdatenmatrix gemessen werden. Da die Roh
datenmatrix im Idealfall konjugiert symmetrisch ist, reicht
die Messung eines halben Rohdatensatzes zur Erstellung eines
vollständigen Bildes aus.
Ferner lassen sich mit dem beschriebenen Verfahren in an sich
bekannter Weise auch dreidimensionale Datensätze erstellen,
indem in einer zum Phasencodiergradienten und zum Auslesegra
dienten senkrechten Richtung eine weitere Phasencodierung
durchgeführt wird. Da ein solches Verfahren an sich hinrei
chend bekannt ist, wird hier nicht näher darauf eingegangen.
In Fig. 8 ist stark schematisiert der Aufbau eines Kernspin
tomographiegerätes dargestellt. Dieses besteht aus einem ein
homogenes Grundfeld erzeugenden Magnetsystem 1 bis 4, das von
einer Stromversorgung 11 gespeist wird. Im Magnetsystem sind
Gradientenspulensysteme 7, 8 vorgesehen, die von einem Gra
dientenverstärker 12 angesteuert werden. Die Gradientenspu
lensysteme sind zur Erzeugung von Magnetfeldgradienten in
drei Raumrichtungen x, y, z eines Koordinatensystems 6 ausge
führt. Das Untersuchungsobjekt 5 ist von einer Hochfrequenz
antenne 9 umgeben, die mit einer Hochfrequenz-Sendeeinheit 14
sowie mit einer Hochfrequenz-Empfangseinheit 15 verbunden
ist. Die Hochfrequenz-Sendeeinheit 14 und die Hochfrequenz-
Empfangseinheit 15 sind Bestandteil eines Hochfrequenzsystems
16, in dem unter anderem die empfangenen Signale abgetastet
und phasenempfindlich demoduliert werden. Aus den demodulier
ten Signalen wird mit einem Bildrechner 17 ein Bild darge
stellt, das auf einem Monitor 18 abgebildet wird. Die gesamte
Einheit wird von einem Steuerrechner 20 so angesteuert, daß
beispielsweise eine Pulssequenz nach Fig. 6 erzielt wird und
die oben beschriebene Einordnung der Rohdaten in einen Rohda
tenspeicher erfolgt.
Claims (6)
1. Pulssequenz zur Gewinnung von Rohdaten zur Berechnung
eines Bildes aus einem Objekt mittels MR-Signalen mit folgen
den Schritten:
- a) mit einer Repetitionszeit (TR) werden auf das Objekt HF- Anregepulse (RF) eingestrahlt,
- b) nach jedem Anregepuls werden n HF-Refokussierungspulse (RFR1-RFRn) eingestrahlt,
- c) nach jedem HF-Refokussierungspuls (RFR1-RFRn) wird min destens ein Kernresonanzsignal (E) gewonnen,
- d) jedes Kernresonanzsignal (E) wird durch einen vorgestell ten Phasencodiergradienten (GP) in mindestens einer Rich tung phasencodiert,
- e) die Kernresonanzsignale (E) werden abgetastet digitali siert, phasenempfindlich demoduliert und in einer ihrer Phasencodierung entsprechenden Ordnung in Zeilen einer Rohdatenmatrix (RD) eingetragen,
- f) die Phasencodierung der Kernresonanzsignale wird in einem derartigen zeitlichen Ablauf durchgeführt, daß die nach jeweils einer Anregung auftretenden Echos (E) Segmenten (S) aus zusammenhängenden Zeilen der Rohdatenmatrix (RD) zugeordnet sind,
- g) die den zentralen Zeilen der Rohdatenmatrix (RD) zugeord neten Kernresonanzsignale (S) werden nach dem ersten HF- Anregepuls (RF1) und Kernresonanzsignale (S), die Zeilen mit zunehmendem Abstand vom Zentrum der Rohdatenmatrix zugeordnet sind, werden nach zunehmend späteren HF-Anrege pulsen (RF) gewonnen und
- h) die Anzahl der nach jedem HF-Anregepuls (RF) eingestrahl ten HF-Refokussierungspulse (RFR) steigt bei späteren HF- Anregepulsen (RF).
2. Pulssequenz nach Anspruch 1, wobei für jede Zeile minde
stens eines Segments (S) zwei Meßwerte nach zwei unterschied
lichen HF-Anregepulsen (RF) gewonnen werden, die aufgrund des
T2-Abfalls eine unterschiedliche Signalamplitude aufweisen
und wobei diese beiden Meßwerte gemittelt werden.
3. Pulssequenz nach Anspruch 2, wobei die Meßwerte für alle
Zeilen mindestens eines Segments (S) nach zwei aufeinander
folgenden HF-Anregepulsen (RF) gewonnen werden, und zwar mit
zeitlich entgegengesetzter Reihenfolge der Zeilenbelegung der
Rohdatenmatrix, wobei die Meßwerte für jede Zeile gemittelt
werden.
4. Pulssequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei nur
etwas mehr als die Hälfte des k-Raums mit Kernresonanzsigna
len belegt wird.
5. Pulssequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei auch
in Schichtselektionsrichtung ein Phasencodiergradient ge
schaltet wird, so daß man eine dreidimensionale Rohdatenma
trix erhält.
6. Kernspintomographiegerät zur Durchführung der Pulssequenz
nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer Steuervorrichtung
(20) zur Ansteuerung eines Gradientenverstärkers (12) und
einer Hochfrequenz-Sende- und Empfangseinheit (16), einer
Speichereinheit (17a), in der die von der Hochfrequenz-Sende-
und Empfangseinheit (16) gewonnenen demodulierten und digita
lisierten Abtastwerte nach ihren Phasenfaktoren geordnet ab
gespeichert werden.
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