DE19851583C2 - Verfahren zum Betrieb eines MR-Tomographiegeräts mit umschaltbaren Feldqualitäten und MR-Tomographiegerät - Google Patents

Description

Die Anforderungen an eine Gradientenspule hängen wesentlich von der bei der MR-Bildgebung angewandten Pulssequenz ab. Im folgenden wird zwischen "konventionellen" Pulssequenzen und "schnellen" Pulssequenzen unterschieden. In dem hier ge­ brauchten Sinne lassen sich "konventionelle" Pulssequenzen dadurch kennzeichnen, daß je Anregung nur ein Kernresonanzsi­ gnal ausgelesen wird. Vertreter konventioneller Pulssequenzen sind z. B. herkömmliche Spinecho- oder Gradientenechoverfah­ ren, aber auch die schnelleren Verfahren wie FLASH (beschrie­ ben in der US-PS 4,707,658) und FISP (beschrieben in der US- PS 4,769,603). Unter "schnellen" MR-Bildgebungstechniken wer­ den hier solche verstanden, bei denen nach einer Anregung ei­ ne Vielzahl von Kernresonanzsignalen ausgelesen wird. Hierun­ ter fällt vor allem das EPI-Verfahren (beschrieben in der US- PS 4,165,479), aber auch das sogenannte Turbospinechoverfah­ ren, das GRASE-Verfahren und das HASTE-Verfahren.

Bei konventionellen Pulssequenzen legt man vor allem Wert auf eine hohe Bildqualität und ein großes Meßvolumen. Für die Gradientenspulen ergeben sich dabei folgende Anforderungen: Großes Linearitätsvolumen (≈ 5% Linearität im Linearitätsvo­ lumen von 40-50 cm), moderale Gradientenstärken (10-20 mT/m) und moderate Schaltzeiten (≈ 1 ms).

Bei schnellen Pulssequenzen wird vor allem auf die Geschwin­ digkeit Wert gelegt, wobei bezüglich anderer Parameter Ab­ striche gemacht werden müssen. Für das Gradientensystem er­ gibt sich vor allem die Anforderung, daß hohe Gradienten (20-­ 40 mT/m) sehr schnell geschaltet werden müssen (Schaltzeiten ca. 100-500 µs). Aufgrund der dadurch gegebenen hohen Ände­ rungsraten der Magnetfelder werden im zu untersuchenden Pati­ enten Ströme induziert, die zu peripheren Muskelstimulationen führen können. Die Stimulation ist dabei vor allem durch den maximalen Feldhub bestimmt. Bei gegebenen Anforderungen an die Gradientenstärke und an die Schaltzeit kann man den Feld­ hub und damit das Stimulationsrisiko nur dadurch verringern, daß man das Linearitätsvolumen der Gradientenspule verklei­ nert.

Hierzu ist es aus der DE 195 40 746 A1 bekannt, ein modulares Gradientenspulensystem zu verwenden. Für schnelle Pulssequen­ zen wird eine zentrale modulare Spule allein verwendet. Diese weist nur ein relativ kleines Linearitätsvolumen auf. Da die Effizienz der Spulen in etwa umgekehrt proportional zum Volu­ men ist, können bei gegebener Leistung des Gradientenverstär­ kers hohe Gradientenstärken und kurze Anstiegszeiten reali­ siert werden. Damit ist das Meßvolumen zwar eingeschränkt, es können jedoch schnelle Pulssequenzen realisiert werden, wobei der Feldhub beschränkt bleibt. Beim Betrieb des MR- Tomographiegeräts mit konventionellen Sequenzen werden zum zentralen Teil der Spule Korrekturspulen zugeschaltet, die das Linearitätsvolumen vergrößern, allerdings auf Kosten der Gradienten-Performance.

Bei diesem modularen Gradientenspulensystem hat der Benutzer nur vor Beginn der Messung die Wahl, das Gradientenspulensys­ tem entweder für maximale Gradientenstärke/Gradientenan­ stiegsgeschwindigkeit oder für maximales Linearitätsvolumen zu optimieren.

In der DE 196 26 255 A1 sind verschiedene Pulssequenzen zur lokalisierten NMR-Spektroskopie beschrieben. Dabei werden Spoilergradienten verwendet, die zu einer Refokussierung aus­ schließlich der Signale des Zielvolumens bei gleichzeitiger Dephasierung der unerwünschten Signale führen. Ausführungen zur Feldqualität der verwendeten Gradienten, insbesondere auch der Spoilergradienten, sind dort nicht gemacht.

Die DE 44 22 782 A1 offenbart verschiedene aktiv geschirmte transversale Gradientenspulen, bei denen außerhalb des Unter­ suchungsvolumens in axialer Richtung weiter entfernte Windun­ gen der Primär- und Sekundärspule einen kleineren radialen Abstand zueinander besitzen. Damit wird das Gradientenfeld in den Randbereichen abgeschwächt, wodurch physiologische Stimu­ lationen bei einem Patienten vermindert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines MR-Tomographiegeräts und ein MR-Tomographiegerät anzugeben, das noch universeller einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens durch die Merkma­ le des Anspruchs 1, bezüglich des MR-Tomographiegeräts durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst. Durch die Umschaltbar­ keit des Gradientenspulensystems in verschiedenen Meßphasen während des Meßablaufs wird erreicht, daß die für die jeweilige Meßphase optimale Feldqualität angewandt wird. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei vielen Pulssequenzen die ge­ genläufigen Anforderungen Gradientenstärke/Gradientenan­ stiegsrate und Linearitätsvolumen während des Sequenzablaufs unterschiedlich sind. Auch bei den oben definierten "schnel­ len" Pulssequenzen sind die Gradientenstärke und die Gradien­ tenanstiegszeiten meist hauptsächlich in der Auslesephase kritisch. In der Phase der Spinpräparation und der Schichtan­ regung ist die gute Linearität wichtiger. Durch die Umschalt­ barkeit der Feldqualität bezüglich dieser Parameter während des Sequenzablaufs kann dem Rechnung getragen werden.

Die Umschaltbarkeit der Feldqualität ist hier nicht auf die Faktoren Linearität und Gradientenanstiegszeit/Gradienten­ stärke beschränkt, sondern weiter zu sehen. In einer vorteil­ haften Ausführungsform kann z. B. eine auf ein Offcenter- Linearitätsvolumen optimierte Feldqualität wirksam sein. Eine solche Optimierung ist z. B. bei Messungen im Schulterbereich vorteilhaft, da hierbei außerhalb des Magnetzentrums gemessen werden muß.

Bei Sättigungspulsen, mit denen die Spinmagnetisierung in ei­ nem Volumen außerhalb des Meßvolumens gesättigt wird, ist die Gradientenlinearität typischerweise wichtiger als die Gra­ dientenstärke/Gradientenanstiegsrate, so daß man die Feldqua­ lität entsprechend optimieren kann.

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

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für eine Pulssequenz,

Fig. 2 schematisch einen Querschnitt durch ein Gradienten­ rohr, wobei nur die Gradientenspulen für x- und y- Richtung dargestellt sind.

Fig. 3 schematisch den Aufbau eines Segments einer Gradien­ tenspule,

Fig. 4 Verbindungen zwischen den Anschlüssen von Primär- und Sekundärteil eines Segments,

Fig. 5 eine Tabelle mit verschiedenen Untersuchungsarten in Verbindung mit der jeweils erforderlichen Feldquali­ tät des Gradientenfeldes.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand des EPI-Verfahrens er­ läutert werden, wie es zuerst im bereits eingangs zitierten US-Patent 41 65 479 vorgeschlagen wurde. Es ist allerdings zu betonen, daß das EPI-Verfahren nur als Beispiel für eine Vielzahl von Pulssequenzen steht, die mit dem nachfolgend be­ schriebenen Verfahren vorteilhaft zu realisieren sind.

Der eigentlichen Meßsequenz vorangestellt ist je nach Art der Untersuchung eine Präparationsphase A, in der die Spinmagne­ tisierung präpariert wird. Dabei kann z. B. eine Sättigung der Magnetisierung bestimmter Spins erfolgen, die dann bei der nachfolgenden Messung kein Signal abgeben. Die Sättigung kann z. B. spektralselektiv oder räumlich selektiv sein. Gebräuch­ liche Anwendungen sind z. B. Vorsättigung bestimmter Schichten oder die Sättigung von Fettanteilen. Diese Präparationsphase ist nicht zeitkritisch, so daß die Feldqualität auch bei schnellen Sequenzen auf großes Linearitätsvolumen bzw. hohe Linearität des Gradientenfeldes optimiert sein kann. Die Sät­ tigung erfolgt, wie in Fig. 1 dargestellt, z. B. durch eine Abfolge von Hochfrequenzpulsen RF, wobei die Phasenkohärenz durch einen starken Gradienten Gx zerstört wird.

In der nachfolgenden Meßphase B erfolgt typischerweise eine schichtselektive Anregung, indem man einen Hochfrequenzpuls RF unter der Wirkung eines Schichtselektionsgradienten GS einstrahlt. Auch diese Meßphase B der Schichtanregung ist nicht zeitkritisch, so daß man hier bei der EPI-Sequenz ebenfalls mit großem Linearitätsvolumen bzw. hoher Linearität des Gradienten arbeiten kann.

Die nachfolgende Meßphase C läßt sich allgemein durch eine k- Raumpositionierung beschreiben. Im Fall der EPI-Sequenz er­ folgt z. B. eine Vorphasierung in Ausleserichtung durch einen negativen Gradienten GR, so daß das nachfolgende Signal mit der maximalen negativen k-Raumposition in Ausleserichtung startet. Ferner wird durch einen negativen Puls des Gradien­ ten GP in Phasencodierrichtung die k-Raum-Trajektorie in Pha­ sencodierrichtung ebenfalls mit dem maximalen negativen Wert gestartet. Bei dieser Meßphase C kommt es bei schnellen Se­ quenzen eher auf Geschwindigkeit als auf Linearität an, so daß die hier angewandte Feldqualität zweckmäßigerweise auf hohe Gradientenamplituden und kurze Schaltzeiten optimiert wird.

In der nachfolgenden Meßphase D des Auslesens wird bei schnellen Pulssequenzen eine Vielzahl von Kernresonanzsigna­ len unter geschalteten Auslesegradienten gewonnen. Dabei kann im Extremfall der gesamte k-Raum ohne weitere Anregung abge­ tastet werden. Hierbei kommt es besonders auf hohe Gradien­ tenamplituden und kurze Schaltzeiten an, so daß diese Krite­ rien für die Bestimmung der Feldqualität maßgeblich sind. Beim EPI-Verfahren wechselt der Auslesegradient GR ständig sein Vorzeichen, so daß ständig neue Kernresonanzsignale S erzeugt werden. Während des Vorzeichenwechsels werden kleine Gradientenpulse (sogenannte "Blips") des Phasencodiergradien­ ten GP geschaltet, so daß die k-Raumposition in Phasencodier­ richtung von Signal zu Signal jeweils einen Schritt weiterge­ schaltet wird.

Als Feldqualität, die während der Sequenz geändert wird, kommt nicht nur das Linearitätsvolumen bzw. Gradientenampli­ tuden und Schaltzeiten in Frage, sondern auch beliebige ande­ re Feldqualitäten. Als weiteres Beispiel sei hier ein Offcen­ ter-Linearitätsvolumen genannt. Es ist bekannt, daß Gradientenspulen so ausgelegt werden können, daß das Linearitätsvo­ lumen nicht in deren Zentrum liegt. Dies ist z. B. zweckmäßig, wenn man MR-Aufnahmen von der Schulter macht, da man diese aufgrund der beschränkten Ausdehnung der Patientenbohrung nicht zentrisch lagern kann. Ferner gilt z. B. auch für Auf­ nahmen der cervikalen oder lumbalen Wirbelsäule.

Schließlich ist die Erfindung auch anwendbar in Verbindung mit sogenannten Teil-Gradientenspulen, die nicht das gesamte Homogenitätsvolumen des Magneten, sondern z. B. nur den Kopf des Patienten umfassen.

So kann man z. B. bei der Anregung bzw. Sättigung der Spinma­ gnetisierung die übliche Ganzkörper-Gradientenspule und in der Auslesephase der Kernresonanzsignale eine Teil-Gradien­ tenspule, z. B. eine spezielle Kopf-Gradientenspule verwenden.

In der Tabelle nach Fig. 5 sind verschiedene Untersuchungs­ arten mit einer Ganzkörper-Gradientenspule bzw. einer Teil- Gradientenspule in Verbindung mit der jeweils erforderlichen Feldqualität des Gradientenfeldes angegeben. Dabei erkennt man, daß es Anwendungsfälle gibt (z. B. konventionelle Bildge­ bung), bei denen es zweckmäßig ist, durchgehend mit einer Feldqualität (in der Tabelle mit FQ1 bezeichnet) zu arbeiten, die durch großes Linearitätsvolumen, hohe Linearität, mittle­ re Gradientenamplitude und langsame Gradientenschaltzeiten gekennzeichnet ist. Für die schnelle Bildgebung ist diese Feldqualität jedoch nur für die Meßphasen der Spinpräparation und der Schichtanregung optimal. Für die nachfolgenden Meß­ phasen der k-Raumpositionierung und des Auslesens ist dagegen die mit FQ2 bezeichnete Feldqualität erforderlich, die durch hohe Gradientenamplituden, kurze Gradientenschaltzeiten, kleines Linearitätsvolumen und niedrige Linearität gekenn­ zeichnet ist.

Die Erfindung ist nicht auf das Umschalten zwischen zwei Feldqualitäten beschränkt, z. B. kann es zwischen der Feldqualität maximales Linearitätsvolumen/hohe Linearität/maximale Linearität und hohe Gradientenamplituden/kurze Gradienten­ schaltzeiten auch Zwischenstufen geben.

Das Umschalten zwischen mehr als zwei Feldqualitäten, wie es mit dem Zuschalten von Zusatzspulen nach dem Stand der Tech­ nik realisiert wird, erfordert mehr Freiheitsgrade bei der Schaltbarkeit der Gradientenspulen, als dies im Stand der Technik der Fall ist. Eine Lösung hierfür wird in den Fig. 2 bis 4 dargestellt.

Fig. 2 zeigt stark schematisiert den Aufbau eines Gradien­ tenrohrs, in dem für jeden Gradienten x, y, z vier Spulen vor­ gesehen sind, die sattelförmig im Gradientenrohr angebracht sind. Der Übersichtlichkeit wegen sind nur die Gradientenspu­ len für die x- und y-Gradienten dargestellt. Bei den heute vielfach verwendeten aktiv geschirmten Gradientenspulen be­ steht jede Spule wiederum aus Primär- und Sekundärlagen. In der Schnittdarstellung nach Fig. 2 sind für jeden Gradienten zwei Teilspulen x₁, x₂, y₁, y₂, z₁, z₂, jeweils mit Primärlage Prim der Windungen und Sekundärlage Sek der Windungen sichtbar. Bei herkömmlichen Spulen sind Primär- und Sekundärlage über nur eine Verbindung in Reihe geschaltet. Ein mit vielen Frei­ heitsgraden schaltbares Gradientenspulendesign erhält man, wenn man einen Teil oder alle Rückleiter der Primär- und Se­ kundärlagen, die an den Enden des Gradientenrohrs liegen, entfallen läßt. Statt der Rückleiter schafft man direkte Ver­ bindungen zwischen Primär- und Sekundärlage.

Fig. 3 zeigt Primär- und Sekundärlage einer Spule im aufge­ klappten und abgerollten Zustand. Der mit S bezeichnete Ab­ schnitt entspricht dabei der Stirnfläche des Spulenkörpers. Auf diesen Abschnitt sind Anschlüsse für die Spulenleiter herausgeführt und Verbindungen zwischen Primärlage Prim und Sekundärlage Sek hergestellt. Diese Verbindungen sind ent­ sprechend den oben dargestellten Erfordernissen bezüglich der Feldqualität variabel, d. h. während des Ablaufs der Pulsse­ quenz schaltbar.

In Fig. 4 ist schematisch die tatsächliche geometrische An­ ordnung des Abschnitts S an der Stirnseite des Gradienten­ rohrs dargestellt. Zum variablen Verbinden der Leiter von Primärlage Prim und Sekundärlage Sek sind an geeigneter Stel­ le Schaltelemente Sch vorgesehen. Diese Schaltelemente Sch werden wegen der erforderlichen Schaltgeschwindigkeiten be­ vorzugt als Halbleiterschalter ausgeführt. Von einer die Pulssequenz steuernden Anlagensteuerung A werden diese Halb­ leiterschalter Sch entsprechend der jeweils geforderten Feld­ qualität angesteuert. Damit gelingt es, auch während des Ab­ laufs einer Meßsequenz die jeweils optimale Feldqualität be­ reitzustellen.

Zur Optimierung der Gradientenspulen auf verschiedene Feld­ qualitäten können allgemeine Designverfahren verwendet wer­ den, wie sie z. B. in der US-Patentschrift 5,309,107 beschrie­ ben sind.

Claims (14)

1. Verfahren zum Betrieb eines MR-Tomographiegeräts mit einem Gradientenspulensystem, das während einer Pulssequenz auf un­ terschiedliche Feldqualitäten umgeschaltet werden kann, wobei in mindestens einer der Meßphasen

• - Spinpräparation
• - Schichtanregung
• - k-Raumpositionierung
• - Auslesen

eine Feldqualität angewandt wird, die von den Feldqualitäten der anderen Meßphasen unterschiedlich ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in mindestens einer Meß­ phase eine auf maximale Linearität des Gradientenfeldes aus­ gerichtete Feldqualität wirksam ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in mindestens ei­ ner Meßphase eine auf kurze Gradientenschaltzeiten und/oder hohe Gradientenamplituden optimierte Feldqualität wirksam ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in min­ destens einer Meßphase eine auf ein Offcenter-Linearitäts­ volumen optimierte Feldqualität wirksam ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in der Phase der Schichtanregung eine auf ein großes Homogenitätsvo­ lumen ausgerichtete Feldqualität wirksam ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in der Spinpräparationsphase eine Sättigung der Spinmagnetisierung erfolgt und wobei hierbei eine auf maximale Linearität des Gradientenfeldes ausgerichtete Feldqualität angewandt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in der Auslesephase eine auf hohe Gradientenamplituden optimierte Feldqualität wirksam ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in der Auslesephase eine auf eine maximale Linearität des Gradien­ tenfeldes optimierte Feldqualität wirksam ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei in min­ destens einer Meßphase eine Ganzkörper-Gradientenspule und in mindestens einer anderen Meßphase eine Teil-Gradientenspule aktiv ist.

10. MR-Tomographiegerät mit einem Gradientenspulensystem (1a, 1b), das Schalter (4) aufweist, mit denen unterschiedli­ che Feldqualitäten des Gradientenspulensystems schaltbar sind, sowie mit einer Steuereinrichtung (5), die diese Schal­ ter (4) während des Ablaufs einer Pulssequenz ansteuert.

11. MR-Tomographiegerät nach Anspruch 10, wobei das Gradien­ tenspulensystem (1a, 1b) in einem Schaltzustand auf ein großes Linearitätsvolumen optimiert ist.

12. MR-Tomographiegerät nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei das Gradientenspulensystem (1a, 1b) in einem Schaltzu­ stand auf hohe Gradientenamplituden und kurze Schaltzeiten optimiert ist.

13. MR-Tomographiegerät nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Gradientenspulensystem in einem Schaltzustand auf ein Offcenter-Linearitätsvolumen optimiert ist.

14. MR-Tomographiegerät nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei eine Schaltvorrichtung vorgesehen ist, mit der während des Ablaufs einer Pulssequenz wahlweise ein Ganzkörper-Gra­ dientensystem oder ein Teil-Gradientensystem ansteuerbar ist.