DE19903029B4

DE19903029B4 - Magnetresonanz-Bildgebungsverfahren

Info

Publication number: DE19903029B4
Application number: DE19903029A
Authority: DE
Inventors: Oliver Dr.med. Heid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-01-26
Filing date: 1999-01-26
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2019-01-27
Also published as: JP2000217801A; US6369569B1; DE19903029A1

Abstract

Magnetresonanz-Bildgebungsverfahren, bei dem Pulssequenzen mit einem HF-Anregungspuls und Magnetfeldgradientenpulsen zur vollständigen Rephasierung der durch den HF-Anregungspuls hervorgerufenen Kernmagnetisierung eines Untersuchungsobjekts wiederholt erzeugt werden, wobei die Pulserzeugung nach einem eine festgelegte Anzahl von Wiederholungen aufweisenden Meßzyklus vor Erreichen eines getriebenen Gleichgewichtzustandes (Steady State) der Kernmagnetisierungen unterbrochen und später erneut gestartet wird.

Description

Die Kernspintomographie oder Magnetresonanztomographie nutzt mit Hilfe eines Hochfrequenzfeldes im Megahertz-Bereich und eines ortsveränderlichen magnetischen Gleichfeldes die scharfe Resonanzabsorption magnetischer Kerne in biologischem Gewebe aus, um die Kernmagnetisierung räumlich zuzuordnen und ein Bild des biologischen Gewebes, beispielsweise eines Menschen, darzustellen. Durch das ortsveränderliche magnetische Gleichfeld oder Gradientenfeld variiert die Kernspinresonanzfrequenz oder Lamorfrequenz der jeweiligen Atomkerne, insbesondere Wasserstoffkerne, räumlich. So wird die räumliche Ausdehnung der Probe frequenzcodiert. Die Bilderzeugung erfolgt dann mittels Rechner durch numerische Fouriertransformation.
Für viele Anwendungszwecke, bei denen eine Bewegung des Patienten unvermeidlich ist, z. B. im Bauch- oder Brustraum eines Patienten, ist zur Vermeidung von Bewegungsartefakten eine kurze Meßzeit erforderlich. Außerdem erhöhen kurze Untersuchungsdauern die Akzeptanz der Kernspintomographie beim Patienten sowie, durch einen höheren Patientendurchsatz, die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Es wurden daher Magnetresonanzverfahren mit kurzer Meßzeit entwickelt, beispielsweise das FISP-Verfahren, welches Akronym für Fast Imaging with Steady Precession steht. Dabei wird eine Pulssequenz bestehend aus einem HF-Anregungspuls und Magnetfeldgradientenpulsen in drei Raumrichtungen mit einer Repetitionszeit T_R erzeugt, die wesentlich kürzer ist als die Relaxationszeit T₁ und T₂ der Kernmagnetisierungen der Untersuchungsobjekte. Nach einem Einschwingvorgang, dessen Dauer in der Größenordnung der Längsrelaxation T₁ bzw. Querrelaxation T₂ liegt, wird ein getriebener stationärer Zustand (Steady-State) erreicht, bei dem der Kernmagnetisierungswinkel zwischen zwei Werten ± α oszilliert. Ein Beispiel für eine derartige FISP-Pulssequenz ist im deutschen Patent 44 27 497 C2 beschrieben.

Ein ähnliches Verfahren ist im deutschen Patent DE 35 04 734 C2 beschrieben, das ein Verfahren oder eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Aufnahme von Spinresonanzdaten für eine ortsaufgelöste Untersuchung eines Objekts beschreibt, das atomare Spins enthält und in einem konstanten homogenen Magnetfeld angeordnet wird, welches die Spins in die Feldrichtung ausrichtet. Hierbei werden Pulssequenzen aus jeweils einem HF-Anregungspuls und einem Magnetfeldgradientenpuls verwendet. Der HF-Anregungspuls weist einen Flipwinkel von wesentlich weniger als 90° auf, so daß nur ein Bruchteil der durch das konstante Magnetfeld ausgerichteten Spins umgeklappt werden, die jedoch durch den Magnetfeldgradientenpuls vollständig zur Erzeugung eines Echos dienen. Schon nach wenigen Sequenzen ergibt sich infolge der T₁-Relaxation ein Gleichgewichtszustand (Steady-State). Die Sequenzen werden dabei in kurzen Abständen wiederholt, so daß sich äußerst kurze Repetitionszeiten ergeben. Wegen des dynamischen Gleichgewichtszustandes ist das beschriebene Verfahren insbesondere zu uneingeschränkt kontinuierlicher Bildgebung geeignet.

Bei den oben beschriebenen Verfahren ermöglicht die kurze Pulsrepetitionszeit eine schnelle Datengewinnung und damit kurze Meßzeiten. Der Nachteil dieser Verfahren liegt jedoch darin, daß im Steady-State-Zustand das Magnetisierungsignal gemäß der Formel (siehe H. Morneburg „Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik", Erlangen 1995, S. 560):

nur von dem Verhältnis T₁/T₂abhängt. Jedoch ist der Quotient T₁/T₂ mit Ausnahme von Flüssigkeiten wie Blut, Gallenflüssig keit oder Liquor im Gewebe meist relativ konstant, so daß kein guter, klinisch aussagefähiger Kontrast darstellbar ist.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Magnetresonanz-Bildgebungsverfahren vorzuschlagen, das die Darstellung von physiologisch aussagefähigen Gewebekontrasten bei gleichzeitig möglichst kurzer Meßzeit ermöglicht.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Magnetresonanz-Bildgebungsverfahren, bei dem aufeinanderfolgende Pulssequenzen mit einem HF-Anregungspuls und Magnetfeldgradientenpulsen zur vollständigen Rephasierung der Kernmagnetisierung wiederholt erzeugt werden, wobei die Pulserzeugung nach einem Meßzyklus mit einer festgelegten Anzahl von aufeinanderfolgenden Pulssequenzen vor Erreichen eines getriebenen Gleichgewichtzustandes (Steady State) der Kernmagnetisierungen unterbrochen und später erneut gestartet wird. Das während der Einschwingzeit gewonnene Magnetresonanzsignal erzeugt einen besseren Gewebekontrast als ein im Steady-State-Zustand gewonnenes Signal. Dadurch, daß die Messung noch vor Erreichen des Steady-State-Zustandes abgebrochen und dann erneut gestartet wird, können trotzdem die Vorteile einer kurzen Meßzeit realisiert werden.

Zwischen zwei Meßzyklen kann eine Pause zur Relaxation der Kernmagnetisierungen in den thermischen Gleichgewichtszustand vorgesehen sein. Vor Beginn eines Meßzyklus kann eine Präparationspulssequenz zur Präparation des Untersuchungsobjektes je nach Anwendungsgebiet vorgesehen sein. Es kann sich dabei um Präparationsverfahren wie ein Fettsättigungsverfahren, ein Inversion-Recovery-Verfahren, ein Sättigungspulsverfahren, ein Driven-Equilibrium-Fourier-Transform-Verfahren oder ein Diffisionspulsverfahren handeln.

Zur weiteren Verringerung der Meßzeit können während einer Meßpause in einem Schichtabschnitt des Untersuchungsobjektes Messungen in anderen Schichtabschnitten durchgeführt werden.

Vorzugsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Meßzyklus drei bis zehn Pulssequenzen aufeinanderfolgend ausgestrahlt, woraufhin eine Meßpause erfolgt.

Die Erfindung betrifft auch einen Magnetresonanztomographen mit einer HF-Einrichtung zur Erzeugung von HF-Pulsen und einer Magneteinrichtung zur Erzeugung eines konstanten und eines dieses überlagernden Gradientenmagnetfeldes, wobei die HF-Einrichtung und die Magneteinrichtung ausgebildet sind, Pulssequenzen gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 zu erzeugen.

Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert, in der
1 eine beispielhafte Pulssequenz der Erfindung zeigt.
1a zeigt dabei im Zeitablauf die Hochfrequenzpulse RF, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Flipwinkel von 90° hervorrufen. Es sei jedoch festgehalten, daß der Fachmann je nach gewünschtem Anwendungsgebiet auch einen anderen Flipwinkel wählen kann. In den 1b bis 1d sind Magnetfeldgradientenpulse in drei zueinander senkrecht orientierten Raumrichtungen dargestellt. Dabei zeigt 1b die Gradientenpulse G_S in Schichtrichtung des Untersuchungsobjektes,
1c die Gradientenpulse in einer dazu senkrechten Richtung (Phasenrichtung) und 1d die Gradientenpulse G_R in Ausleserichtung.
Jede Sequenz mit einer Repetitonsperiode T_R beginnt mit einem frequenzselektiven Hochfrequenzpuls RF₁, der mit einem Schichtselektionsgradientenpuls G_S2 eingestrahlt wird, so daß nur eine selektierte Schicht des Untersuchungsobjekts angeregt wird. In einem darauf folgenden Zeitabschnitt II erfolgt durch einen Gradientenpuls G₂ eine Dephasierung der Kernmagnetisierung in Ausleserichtung. Ferner wird im Zeitabschnitt II ein Phasencodiergradientenpuls G_P2 sowie ein entgegengesetzt zum Schichtselektionsgradientenpuls G_S2 gerichteter Gradientenpuls G_S3 eingeschaltet. Durch diesen wird die durch den Schichtselektionsgradientenpuls G_S2 verursachte Dephasierung wieder kompensiert.
In dem folgenden Zeitabschnitt III wird ein Auslesegradientenpuls G_R3 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.
In einem Zeitabschnitt IV werden ein Schichtselektionsgradientenpuls G_S4 in positiver Schichtselektionsrichtung, ein Gradientenpuls G_P3 entgegengesetzt zum Gradientenpuls G_P2 und ein Gradientenpuls G_R4 in negativer Ausleserichtung eingeschaltet.
In einem Zeitabschnitt V entsprechend dem Abschnitt I der nächstfolgenden Pulssequenz wird schließlich unter einem Schichtselektionsgradientenpuls G_S5 in negativer Schichtselektionsrichtung ein Hochfrequenzpuls RF₂ mit einem Flipwinkel von beispielsweise –90° eingeschaltet. Damit wird ein neues Ausleseintervall eingeleitet.
Die Pulssequenz wird dabei n-mal, beispielsweise 3 bis 10 mal, mit unterschiedlichen Werten der Phasencodiergradientenpulse G_P2 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. Alle Gradientenpulse sind so geschaltet, daß ihr Zeitintegral über die Repetitionszeit T_A Null ergibt. Die Anzahl der Wiederholungen wird so begrenzt, daß sich das System immer in der Einschwingphase befindet, in der ein großer T1-Kontrast sichtbar gemacht werden kann. Die Pulsfolge wird also erfindungsgemäß abgebrochen, bevor der Steady-State-Zustand erreicht ist, für den die sogenannten FISP-Sequenzen ursprünglich gedacht waren. Auf diese Weise kann ein guter T1-Kontrast mit einer kurzen Auswertungszeit verbunden werden.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in 1 dargestellte Pulssequenz beschränkt. Der Fachmann kann eine geeignete Kombination von HF-Pulsen mit Gradientenpulsen in allen drei Raumrichtungen wählen. In der Folge aufeinanderfolgender Pulssequenzen eines Meßzyklus kann auch, je nach Anwendungsgebiet oder gewünschtem oder unterdrücktem Gewebekontrast, ein geeigneter Anregungspuls vorgeschaltet werden.
Ein aus einer Anzahl n aufeinanderfolgenden Pulssequenzen bestehender Meßzyklus wird erfindungsgemäß vor Erreichen des Steady-State-Zustandes abgebrochen, so daß die Kernmagnetisierungen wieder in ihren thermischen Gleichgewichtszustand relaxieren können. Bei schichtspezifischen Pulsen wie bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel können währenddessen, um Meßzeit einzusparen, Meßzyklen anderer Schichten ausgestrahlt werden.

Claims

Magnetresonanz-Bildgebungsverfahren, bei dem Pulssequenzen mit einem HF-Anregungspuls und Magnetfeldgradientenpulsen zur vollständigen Rephasierung der durch den HF-Anregungspuls hervorgerufenen Kernmagnetisierung eines Untersuchungsobjekts wiederholt erzeugt werden, wobei die Pulserzeugung nach einem eine festgelegte Anzahl von Wiederholungen aufweisenden Meßzyklus vor Erreichen eines getriebenen Gleichgewichtzustandes (Steady State) der Kernmagnetisierungen unterbrochen und später erneut gestartet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen aufeinanderfolgenden Meßzyklen jeweils Meßpausen zur Relaxation der Kernmagnetisierungen in den thermischen Gleichgewichtszustand vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor jedem Start eines Meßzyklus eine Präparationspulssequenz zur Präparation des Untersuchungsobjektes erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Präparationsverfahren ein Fettsättigungsverfahren, ein Inversion-Recovery-Verfahren, ein Sättigungspulsverfahren, ein Driven-Equilibrium-Fourier-Transform-Verfahren oder ein Diffusionspulsverfahren verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Meßpause in einem Schichtabschnitt des Untersuchungsabschnittes Messungen in anderen Schichtabschnitten durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulssequenz in einem Meßzyklus jeweils zwischen dreimal und zehnmal wiederholt wird.
Magnetresonanztomograph zur Durchführung des Verfahrens nach einem des Anpsrüche 1 bis 6, mit einer HF-Einrichtung zur Erzeugung von HF-Pulsen und einer Magneteinrichtung zur Erzeugung eines konstanten und eines dieses überlagernden Gradienten-Magnetfeldes, wobei die HF-Einrichtung und die Magneteinrichtung ausgebildet sind, Pulssequenzen mit einem HF-Anregungspuls und Magnetfeldgradientenpulsen zur vollständigen Rephasierung der durch den HF-Anregungspuls hervorgerufenen Kernmagnetisierung des Untersuchungsobjekts wiederholt zu erzeugen, und wobei die Pulserzeugung nach einem Meßzyklus mit einer festgelegten Anzahl von Wiederholungen der Pulssequenz vor Erreichen eines getriebenen Gleichgewichtszustandes (Steady State) der Kernmagnetisierungen unterbrochen und erneut gestartet wird.