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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Impulssequenz für ein Kernspintomographiegerät sowie
auf ein Kernspintomographiegerät.
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Dabei
bezieht sich die Erfindung auf Techniken, die Impulssequenzen verwenden,
bei denen im Gleichgewichts(Steady-State)-Zustand der Magnetisierungsvektor
bei Anregungsimpulsen von ±α zwischen
+α/2 und –α/2 schwingt.
Beispiele für
solche Impulssequenzen sind die SSFP- und die FISP-Impulssequenz,
die im folgenden erläutert
werden.
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Aus
der
DE 44 27 497 C2 ist
eine Impulssequenz für
ein Kernspintomographiegerät
bekannt. Bei dieser Impulssequenz wird eine üblicherweise als „FISP" (Fast Imaging with
Steady Precession) bezeichnete Impulssequenz verwendet. Der Begriff „FISP" ist auf dem Gebiet
der Computertomographie ein feststehender Begriff für eine bestimmte
Impulssequenz und ist beispielsweise in G. Krestl, „Imaging Systems
for Medical Diagnostics",
Siemens AG, 1990, S. 544 bis 547, ausdrücklich erläutert. Gemäß der in der
DE 44 27 497 C2 beschriebenen
Impulssequenz wird eine solche FISP-Impulssequenz dahingehend abgeändert, daß vor der
FISP-Impulssequenz in einer Präparationsphase
ein Hochfrequenzimpuls eingestrahlt wird. Dieser Hochfrequenzimpuls ist
frequenzselektiv und wird unter der Wirkung eines Schichtselektionsgradienten
eingestrahlt, so daß nur eine
Schicht des Untersuchungsobjekts angeregt wird. Die mit dem Schichtselektionsgradienten
verursachte Dephasierung wird durch den entgegengesetzt gerichteten
Gradienten wieder rückgängig gemacht.
Der Hochfrequenzimpuls weist dabei einen Flipwinkel aus, der eine
Auslenkung der Magnetisierung erzeugt, wie sie sich im stationären Zustand
der nachfolgenden Impulssequenz einstellt. Allgemein schwingt der
Magnetisierungsvektor bei Anregungsimpulsen von ±α zwischen +α/2 und –α/2 und der Hochfrequenzimpuls
muß dann
einen Flipwinkel von α/2
mit einer zum nachfolgenden Hochfrequenz-Anregungsimpuls invertierten
Phasenlage haben.
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Im
Gleichgewichts(Steady-State)-Zustand schwingt wie gesagt der Magnetisierungsvektor
bei Anregungsimpulsen von ±α zwischen
+α/2 und –α/2. Hinsichtlich
einer schnellen Bildgebung stellt die Spinmagnetisierung ein Problem
dar, da sich diese bei Meßbeginn
noch nicht im eingeschwungenen Zustand (Steady-State) befindet und zu Signalschwankungen
zwischen den Echos, d. h. Rohdatenzeilen führt, die Bildartefakte hervorrufen.
Das in der
DE 44 27
497 C2 vorgeschlagene Verfahren löst dieses Problem vor Beginn
der eigentlichen FISP-Sequenz dadurch, daß die Magnetisierung durch
einen Einschwing-HF-Anregeimpuls in einen Näherungszustand des eingeschwungenen
Zustands versetzt wird.
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Weiterhin
ist bspw. aus G. Krestl eine sogenannte SSFP-Impulssequenz (Steady
State Free Precission) bekannt, die sich von der FISP-Sequenz im
wesentlichen dadurch unterscheidet, daß refokussierende Gradientenimpulse
in allen drei Richtungen verwendet werden.
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Aus
dem Artikel von Heid et al: „Ultra-Rapid Gradient
Echo Imaging", erschienen
in Magnetic Resonance in Medicine, Vol. 33, S. 143 bis 149, 1995, ist
ein Verfahren zur schnellen Bilderstellung auf Grundlage einer Gradientenecho-Kernspinresonanztechnik
bekannt. Dabei (s. 1) wird ein äquidistanter HF-Impulszug während einer
Phase eines konstanten Auslesefeldgradienten ausgeübt, wodurch
im K-Raum eine Anzahl an Pfaden erzeugt und gekoppelt wird.
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Die
zuletzt genannte Technik ist ein Beispiel für sogenannte Burst-Verfahren,
die indessen den Nachteil haben, daß das ausgelesene Signal mit
steigender Meßgeschwindigkeit
rapide absinkt. Bei sogenannten SSFP-Signalen bleibt indessen die
Signalamplitude auch bei hoher Wiederholungsrate (Echorate) erhalten.
Dafür haben
SSFP-Techniken den Nachteil, daß die erreichbare
Meßgeschwindigkeit
durch eine hohe Zahl an Gradientenschaltrampen pro Echo stark eingeschränkt ist.
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Aus „Journal
of Magnetic Resonance",
B 101, 106–109,
1993 ist eine Impulssequenz bekannt, bei der ein HF-Anregungsimpulszug
während
eines konstanten Magnetfeldgradienten eingestrahlt wird. Das Auslesen
des Signals erfolgt während
desselben konstanten Magnetfeldgradienten, der bereits während der
Einstrahlung des HF-Anregungsimpulszugs vorhanden war.
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Aus
JP 9-262 219 A sind ebenfalls Impulssequenzen für die Kernspintomographie bekannt.
Dabei (siehe 6) kann ein HF-Anregungsimpulszug während einer
positiven Halbwelle des Auslesegradienten eingestrahlt werden, wohingegen
die Signalauslesung während
des Schaltens einer negativen Halbwelle des Auslesegradientens erfolgt.
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Aus
der
DE 42 32 883 A1 sind
Modulationstechniken für
bei der magnetischen Resonanz üblicherweise
verwendete Hochfrequenzimpulse bekannt.
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Die
vorliegende Erfindung hat daher zur Aufgabe, ein SSFP (Steady State
Free Precession)-Verfahren derart weiterzubilden, daß die Meßgeschwindigkeit
erhöht
werden kann.
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Die
genannte Aufgabe wird dabei durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden
den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter
Weise weiter.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist also ein Verfahren zur ultraschnellen Kernspintomographie
vorgesehen, bei dem eine Impulssequenz verwendet wird, gemäß der Bildarten
derart erhalten werden, daß im
Gleichgewichtszustand der Magnetisierungsvektor um einen Winkel ±α schwingt,
wobei α kleiner
als 90° ist.
Erfindungsgemäß wird während einer
Halbwelle eines Auslese-Gradientenimpulses der Impulssequenz ein
Impulszug bestehend aus mehreren HF-Impulsen eingestrahlt.
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Dabei
kann insbesondere ein bipolarer Auslese-Gradientenimpulszug verwendet
werden, wobei ein HF-Impulszug bestehend aus mehreren HF-Impulsen
jeweils während
einer negativen Halbwelle des bipolaren Auslese-Gradientenimpulszugs
eingestrahlt wird. Somit sind lediglich zwei Gradienten-Schaltrampen
pro n Echos erforderlich, was eine nahezu unbegrenzte Meßgeschwindigkeit
ermöglicht.
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Die
HF-Impulse können
amplituden- und/oder phasenmoduliert sein, so daß während eines Impulszugs entstehende
Spin- und stimulierte Echos und damit der Verlust an nutzbarer Spinmagnetisierung
durch Echopfadaufspaltung möglichst
reduziert sind.
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Die
Gradientenschaltung kann in allen Raumrichtungen von HF-Impulszug zu HF-Impulszug
jeweils vollständig
rephasierend sein. Es ist anzumerken, daß diese vollständige Rephasierung
der Gradientenschaltung ein weiterer Unterschied zu dem bekannten
Burst-Verfahren ist.
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Jeder
HF-Impulszug kann aus einem ersten und einem zweiten HF-Impulszugteil
bestehen, wobei der erste und der zweite HF-Impulszugteil jeweils aus mehreren HF-Impulsen
besteht, wobei der ersten HF-Impulszugteil so ausgebildet ist, daß die aus dem
vorhergehenden HF-Impulszug herrührende (Rest-)Z-Magnetisierung
in die XY-Ebene ausgelenkt wird, und der zweite HF-Zug so ausgebildet
ist, daß die
Magnetisierung wieder in die Z-Richtung zurückgedreht wird.
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Die
Phasencodier-Gradientenschaltung kann zwischen dem ersten und dem
zweiten HF-Impulszugteil (zeitlich gesehen) einen Spoilergradienten
aufweisen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist weiterhin ein Kernspintomograph mit einer Impulssequenz-Steuerung
vorgesehen, die zur Ausführung
einer ultraschnellen Kernspintomographie mit einer Impulssequenz
ausgebildet ist, bei der im Gleichgewichtszustand der Magnetisierungsvektor
um einen Winkel ±α schwingt,
wobei α kleiner
als 90° ist.
Dies ist beispielsweise bei der bekannten SSFP-Technik der Fall.
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Die
Impulssequenz-Steuerung steuert einen HF-Block und eine Gradientenschaltung
derart an, daß jeweils
während
einer Halbwelle eines Auslese-Gradientenimpulszugs der Impulssequenz
ein HF-Anregungsimpulszug bestehend aus mehreren HF-Impulsen eingestrahlt
wird.
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Im
folgenden werden nun Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung bezugnehmend auf die Figuren der Zeichnungen
näher erläutert.
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1 zeigt
ein Schaltblockschema eines erfindungsgemäßen Kernspintomographiegeräts,
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2 zeigt
eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Impulssequenz-Schaltschemas,
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3 zeigt
Ausführungsbeispiele
für das
allgemeine Schema von 2,
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4 zeigt
eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels
gemäß 3,
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5 zeigt
ein Impulssequenz-Schaltschema, bei dem ein bipolarer Auslese-Gradientenimpuls verwendet
wird, aber im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen von 2 bis 4 nur
ein HF-Impuls pro negativer Halbwelle des bipolaren Auslese-Gradientenimpulses
eingestrahlt wird, und
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6 zeigt
das Gradienten-Schaltschema, wie es aus dem Stand der Technik bekannt
ist.
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Bezugnehmend
auf 6 wird nunmehr zuerst eine sogenannte TRUE-FISP(Fast
Imaging with Steady Precision)-Sequenz erläutert. Jede Teilsequenz beginnt
in einem Zeitabschnitt I mit einem Hochfrequenz-Anregepuls RF1, der im Ausführungsbeispiel einen Flipwinkel
von 90° aufweist.
Der Hochfrequenzpuls RF1 ist frequenzselektiv und wird unter einem
Schichtselektionsgradientenpuls GS2 eingestrahlt, so daß nur eine
selektierte Schicht des Untersuchungsobjekts angeregt wird. In einem
Zeitabschnitt II erfolgt durch einen Gradienten GR2 eine
Dephasierung der Kernmagnetisierung in Ausleserichtung. Ferner wird
im Zeitabschnitt II ein Phasencodiergradientenimpuls GP2 sowie
ein entgegengesetzt zum Schichtselektionsgradientenpuls GS2 gerichteter Gradientenpuls GS3 eingeschaltet.
Durch den Gradientenpuls GS3 wird die durch
den Schichtselektionsgradientenpuls GS2 verursachte
Dephasierung wieder kompensiert.
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Im
Zeitabschnitt III wird eine Auslesegradientenpuls GR3 eingeschaltet
und damit eine Rephasierung der Kernspins erreicht, so daß ein Kernresonanzsignal
S1 entsteht. Dieses Kernresonanzsignal S1 wird abgetastet und in
herkömmlicher
Weise zur Erstellung eines Bildes verwendet.
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In
einem Zeitabschnitt IV werden ein Schichtselektionsgradientenpuls
GS4 in positiver Schichtselektionsrichtung,
ein Gradientenpuls GP3 entgegengesetzt zum
Gradientenpuls GP2 und ein Gradientenpuls
GR4 in negativer Ausleserichtung eingeschaltet.
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In
einem Zeitabschnitt V schließlich
wird unter einem Schichtselektionsgradientenpuls GS5 in
negativer Schichtselektionsrichtung ein Hochfrequenzpuls RF2 mit einem Flipwinkel von –90° eingeschaltet. Damit
wird ein neues Ausleseintervall eingeleitet. Die dargestellte Pulssequenz
wird n mal mit unterschiedlichen Werten der Phasencodiergradientenpulse GP2 wiederholt. Dabei wird die Phasenlage
der Hochfrequenz-Anregepulse
von Pulssequenz zu Pulssequenz invertiert, so daß die Vorzeichen der durch
die Anregepulse RF bewirkten Flipwinkel alternieren. Der Abstand
zwischen zwei Hochfrequenz-Anregepulsen
RF wird mit TR (Repetitionszeit) bezeichnet. Alle
Gradienten sind so geschaltet, daß ihr Zeitintegral über eine
Repetitionszeit TR Null ergibt.
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Bei
diesem Verfahren ist eine schnelle Bildgebung möglich, da die Repetitionszeit
TR wesentlich kürzer gemacht werden kann als
die Relaxationszeiten T1 und T2.
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Bei
der dargestellten Pulssequenz wird die Auslenkung der Magnetisierung
durch den ersten Hochfrequenz-Antregpuls RF1 auf
90°, durch
den zweiten Hochfrequenz-Anregepuls RF2 auf
etwa 0° gebracht,
so daß in
einem Einschwingvorgang nur jede zweite Hochfrequenz-Anregung ein
Signal liefert. Erst nach einem Einschwingvorgang, der etwa in der
Größenordnung
von T1 bzw. T2 liegt, wird ein stationärer steady-state-Zustand erreicht,
bei dem der Flipwinkel sich zwischen +45° und –45° bewegt. Bis zur Erreichung
dieses stabilen Zustands oszilliert das Kernresonanzsignal sehr
stark und kann in der Praxis nicht ausgewertet werden.
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Bei
der vorliegenden Erfindung kann statt der FISP-Impulssequenz beispielsweise
eine SSFP-Impulssequenz verwendet werden, die sich von der FISP-Sequenz
im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß refokussierende Gradientenimpulse
in allen drei Richtungen verwendet werden.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Technik, bei
der Bilddaten gemäß einer Impulssequenz
erhalten werden, bei der im Gleichgewichts(Steady-State)-Zustand
der Magnetisierungsvektor bei Anregungsimpulsen von ±α zwischen
+α/2 und –α/2 schwingt.
FISP oder SSFP sind Beispiele für
solche Impulssequenzen.
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Bezugnehmend
auf 1 wird nunmehr der allgemeine Aufbau eines erfindungsgemäßen Kernspintomographiegeräts erläutert. Dies
weist eine Bedienkonsole 1, einen Massenspeicher 2,
einen Systemprozessor 3, eine Bildverarbeitung 4,
einen Systemtaktgenerator 5, eine Impulssequenz-Steuerung 6,
einen HF-Block 7, einen HF-Verstärker 8, einen Gx(Auslese-)Gradientenverstärker 9,
einen Gy(Phasencodier-) Gradientenverstärker 10,
einen Gz(Auslese-)Verstärker 11, eine Abschirmansteuerung 12, eine
Magnetspulen-Versorgung 13, Gradientenspulen 14 sowie
einen HF-Resonator/Antenne 15 auf. Für die vorliegende Erfindung
sind insbesondere der Aufbau und die Funktion der Impulssequenzsteuerung 6,
des HF-Blocks 7, des Auslese-Gradientenverstärkers 9,
der Gradientenspulen 14 sowie des HF-Resonators/Antenne 15 von
Bedeutung.
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Bezugnehmend
auf 2 soll nunmehr ein erfindungsgemäßes Impulssequenz-Schema
erläutert
werden. Von Bedeutung ist dabei, daß der Auslese-Gradientenimpuls
GR bipolar ausgeführt ist. Dabei werden pro negativer
Halbwelle des Gradienten-Ausleseimpulszugs
mehrere HF-Impulse eingestrahlt. Dementsprechend können in
der positiven Halbwelle des Auslesegradienten-Impulszugs mehrere
Echos entsprechend der Anzahl der HF-Impulse, die während der
negativen Halbwelle eingestrahlt wurden, erhalten werden. In der
nächstfolgenden
Halbwelle des Auslesegradienten-Impulszugs werden dann wieder mehrere
HF-Impulse eingestrahlt.
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Merkmale
der erfindungsgemäßen Impulssequenz,
die auf einer Steady-State-Free-Precession-Sequenz beruht, sind
somit wie folgt:
- – bipolarer Auslesegradientenimpulszug
- – eine
Abfolge von HF-Impulsen (Impulszugs), die jeweils während einer,
nämlich
der negativen Gradientenhalbwelle des Auslesegradientenimpulszugs
eingestrahlt werden, und
- – Phasen-
und Amplitudenmodulation der HF-Impulse eines HF-Impulszugs.
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Im
Gegensatz zu der bekannten Burst-Technik ist darüber hinaus, wie aus 2 ersichtlich,
die Gradientenschaltung in allen Raumrichtungen von HF-Impulszug
zu HF-Impulszug vollständig
rephasierend, so daß tatsächlich das
Steady-State-Free-Precession-Signalverhalten
erreicht werden kann. Die Phasen- und gegebenenfalls Amplitudenmodulation
der HF-Impulse des
HF-Impulszugs ist derart, daß die
während
jedes HF-Impulszuges entstehenden Spin- und stimulierten Echos möglichst unterdrückt werden.
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Der
zweite und dementsprechend auch weitere HF-Impulszüge sind
derart beschaffen, daß sie zunächst die
vom vorherigen HF-Impulszug herrührende
Quermagnetisierung in die Z-Richtung zurückdrehen, bevor sie den Magnetisierungsvektor
für den nächsten Echozug
wieder auslenken. Diese Ausführungsform
ist in 4 dargestellt.
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Das
genannte HF-Anregungsschema kann auch dadurch erreicht werden, daß ein HF-Impulszug einen „zurückdrehenden" HF-Impulszugteil aufweist, in
dem ein zweiter HF-Impulszugteil angeordnet ist, der die Spins wieder
auslenkt (Ausführungsform
von 3). Im Gegensatz dazu sind der erste und der zweite
HF-Impulszugteil gemäß 4 zu
einem einzelnen Impulszug kombiniert.
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Die
Abstände
zwischen dem auslenkenden und dem rückdrehenden HF-Impulszug müssen jeweils
so kurz gehalten werden, daß eine
durch Feldinhomogenitäten
verursachte Off-Resonanz zu einer Spindephasierung von maximal 130° bis 150° in der Zeitspanne
zwischen zwei HF-Impulsperioden führt.
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Die
Phasencodierung kann wie üblich
durch Tabellen vor und nach dem Echozug und Blipgradientenimpulse
zwischen den Einzelechos erreicht werden (s. GP in 2,3 und 4).
Für höhere Bildmatrixgrößen kann
die Messung segmentiert werden.
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Die
Bildrekonstruktion kann z. B. durch eine Fourier-Transformation
geleistet werden.
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Wie
in 3 ersichtlich, kann für den Fall, daß ein HF-Impulszug mit einem
ersten HF-Impulszugteil und einem zweiten HF-Impulszugteil wie oben bereits
ausgeführt
verwendet wird, zeitlich zwischen diesen beiden HF-Impulszugteilen
das Phasencodier-Gradientenschema einen Spoiler-Impuls GSP aufweisen. Zu dem gleichen Zeitpunkt kann
auch das Auslese-Gradientenschaltschema in der negativen Halbwelle
des Auslese-Gradientenimpulszugs einen Gradientenspoiler GSP, aufweisen.
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Bezugnehmend
auf 5 soll nunmehr ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung erläutert werden.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Impulssequenz
gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei der weiterhin ein bipolarer Auslesegradientenimpulszug
GR verwendet wird. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel
von 4 wird indessen bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
nur ein HF-Impuls
pro negativer Halbwelle des bipolaren Gradientenimpulszug GR eingestrahlt. Wie bei SSFP-Impulssequenzen üblich, alterniert
dabei der HF-Impuls (±α). In 5 sind
mit Gy (=GP) und Gy' (=GP,) verschiedene
Möglichkeiten
dargestellt, wie eine zweidimensionale bzw. dreidimensionale Phasencodierung
erhalten werden kann.
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Im übrigen ist
es auch bei dem Ausführungsbeispiel
von 5 so, daß ein
vollständig
rephasierendes Gradientenschaltschema (im Gegensatz zum Burst-Experiment)
verwendet wird. Im Unterschied zu der bekannten True-FISP-Sequenz
(s. 6) sind nur vier statt sechs Gradientenrampen
(von 0 auf ±Gmax) erforderlich, was eine Meßgeschwindigkeitssteigerung
ermöglicht.
Der einzelne pro negativer Halbwelle des bipolaren Gradientenimpulszugs
eingestrahlte HF-Impuls kann derart amplituden- und/oder phasenmoduliert werden, daß eine Einschränkung des
Meßfelds
in Read-Out-Richtung (Z-Richtung) erreicht wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind, wie aus den Figuren ersichtlich, lediglich zwei
Gradientenschaltrampen hinsichtlich des Auslese-Gradientenimpulszugs
pro N Echos erforderlich, wodurch sich eine fast unbegrenzte Meßgeschwindigkeit
ergibt. Im Gegensatz zu bekannten Burst-Verfahren, bei denen das
Signal mit steigender Meßgeschwindigkeit
rapide absinkt, bleibt bei einem Impulszug gemäß der vorliegenden Erfindung
die Signalamplitude auch bei hoher Echorate erhalten.