DE19906859A1

DE19906859A1 - Magnetresonanz-Spektroskopieabbildung mit verringertem chemischen Verschiebungsfehler

Info

Publication number: DE19906859A1
Application number: DE19906859A
Authority: DE
Inventors: Ralph E Hurd; Napapon Sailasuta; James S Tropp; Roux Patrick L Le
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-02-19
Filing date: 1999-02-18
Publication date: 1999-10-28
Anticipated expiration: 2019-02-19
Also published as: JP4383568B2; DE19906859B4; US6137290A; JPH11267113A; IL128548A0

Abstract

Erfindungsgemäß wird ein chemischer Verschiebungsfehler bei einer Protonen-Magnetresonanz-Spektroskopie durch Anlegen einer Volumenanregungsimpulsfolge wie PRESS und äußerst selektiver Sättigungsimpulse außerhalb des Volumens zur Begrenzung dieses Volumens auf ein in Frage kommendes Volumen verringert, das frei von Fehlerregistrierungsfehlern ist, die mit der Anregungsfolge verbunden sind. Das resultierende Volumen ist dann lediglich durch die sehr kleine chemische Verschiebungsfehlerregistrierung der äußerst selektiven Sättigungsimpulse beschränkt.

Description

Diese Erfindung betrifft im allgemeinen eine Magnetresonanz spektroskopie und insbesondere eine Volumenspektroskopie, bei der der chemische Verschiebungsfehler verringert ist.

Die volumenlokalisierte Magnetresonanzspektroskopie wurde zu einem nützlichen und routinemäßigen klinischen Werkzeug ins besondere für die Erfassung von Anomalien, die zu diffusen chemischen Veränderungen im Gehirn führen. Mehrere Verfahren sind zur direkten Anregung von Spins in einem in Frage kom menden Volumen und zum Erreichen einer dreidimensionalen Aus wahl bekannt, die die Verwendung stimulierter Echos und von Carr-Purcell-Echos enthalten. Bei diesen Verfahren wird ein lokalisiertes Spektrum bei einer einzelnen Abtastung erhal ten. Beispielsweise wird bei der punktaufgelösten Spektrosko pie (PRESS, siehe US-A-4 480 228) eine Drei-Impuls-Folge ver wendet, bei der jeder Impuls frequenzselektiv ist.

Viele wichtige klinische Anwendungen der Protonen- Magnetresonanz-Spektroskopieabbildung MRSI beruhen auf der Phasenkodierung eines eingeschränkten Anregungsvolumens. Ty pischerweise wird die Volumenanregung unter Verwendung der PRESS erreicht, die sich den Vorteil dreier orthogonaler Schnitte in der Form eines Doppel-Spin-Echos zur Auswahl ei nes bestimmten in Frage kommenden Bereichs zunutze macht. Die Schwäche dieses Ansatzes besteht allerdings darin, daß der Bereich der chemischen Verschiebungsfrequenzen (über 200 Hz für Protonen bei 1,5 T) nicht unwesentlichen bezüglich der begrenzten Bandbreite der meisten Anregungsimpulse (1000-2000 Hz) ist. Die Folge ist eine Fehlregistrierung des in Frage kommenden Volumens für chemische Verschiebungsfrequenzen, die sich nicht an der Senderfrequenz befinden. Dies ist in Fig. 1 dargestellt. Der chemische Verschiebungsfehler verursacht die größte Schwierigkeit bei Signalen, die durch den Übergangs bandabschnitt (f) des RF-Profils angeregt werden. Abgesehen von dem Abschnitt des Durchlaßbandes, das den in Frage kom menden chemischen Verschiebungsfrequenzen (c) gemeinsam ist, wird jede Resonanz unterschiedlich angeregt. Wird somit ein PRESS-Volumen durch eine Magnetresonanz-Spek troskopieabbildung (MRSI) aufgelöst, hängen die chemi schen Niveaus nicht nur vom Gewebeniveau T1 und T2 sondern auch vom Ort in dem in Frage kommenden Volumen ab. Die einzi ge Ausnahme besteht innerhalb der Grenzen des gemeinsamen Durchlaßbandes (RF-Durchlaßband (a) - chemischer Verschie bungsfehler (d)). Innerhalb der Übergangsbänder hängt die Größe des Fehlers vom chemischen Verschiebungsfehler und der Form des Übergangsbandes ab. Eine wesentliche Größe ist der Unterschied der Anregung an den Extremen der gewünschten che mischen Verschiebung über 90% des Übergangsbandes: Max_Fehler = chemische Verschiebungsbandbreite.(Steigung des Über gangsbandes). Dabei wird angenommen, daß das Übergangsband relativ linear ist und die Steigung die Übergangsbandbreite darstellt, über die die Anregung von 5% auf 95% des Spitzen werts ansteigt. Diese Werte können 40% für 90°-Anregungen und 60% bei Nachfokussierimpulsen überschreiten, die bei der PRESS verwendet werden.

Zur Verringerung der Unsicherheit ortsabhängiger Änderungen bei der Messung der Gewebeniveaus und Spitzenwertverhältnisse bei Fokalanwendungen der MRSI ist es wichtig, die prozentuale Selektivität (definiert zu: (Durchlaßband/(Durchlaßband + Übergangsbänder)).100) zu maximieren und den prozentualen chemischen Verschiebungsfehler (definiert zu: ((chemische Verschiebungsbandbreite)/(effektive RF-Bandbreite)).100 zu minimieren. Bei B₁-Feldern von ∼0,2 Gauss typischer klini scher Abtasteinrichtungen ist es schwierig, bei der PRESS er forderliche Nachfokussierimpulse mit einer Selektivität grö ßer als 59% und einem chemischen Verschiebungsfehler geringer als 20% für einen chemischen Verschiebungsbereich von 3,4 ppm bei 1,5 T zu entwickeln.

Da die Selektivität bei einer Fokal-MRSI-Anwendung sowohl durch die Übergangsbandbreite als auch die chemische Ver schiebung begrenzt ist, wird herkömmlicherweise die tatsäch liche Selektivität wie folgt definiert: % Selektivität_mrsi = ((Durch laßband - chemischer Verschiebungsfeh ler)/(Durchlaßband + Übergangsbänder + chemischer Verschie bungsfehler)).100. Mit dieser Definition würde eine wie vor stehend beschriebene typische Selektivität lediglich 46% für einen Nachfokussierimpuls und ungefähr 52% für eine typische 90°-Anregung betragen. Bei einer Selektivität von weniger als 50% müssen außerhalb dieser Selektivität aufgelöste Volu menelemente entweder ignoriert oder für das Anregungsprofil korrigiert werden. Es wäre allerdings vorzuziehen, die Fo kal-MRSI-Selektivität zur Vermeidung dieser Korrekturen und be gleitenden Annahmen zu verbessern.

Die US-A-S 537 039 von Le Roux et al. mit dem Titel "Virtual Frequency Encoding of aquired NMR Image Data" befaßt sich mit diesem Problem durch Verzerrung der phasenkodierten Frequen zen zur Anpassung an die Schnittauswahl-Fehlerregistrierung Dies wird durch Hinzufügen einer Evolutionszeitkodierung zu jedem Phasenkodierungsinkrement bewirkt. Der Nachteil für die Spektroskopieabbildung besteht in der Auswirkung der Evoluti onszeitkodierung auf gekoppelte Spins und der Auswirkung ei ner Anregung großer Signale wie Lipiden außerhalb des in Fra ge kommenden Volumens.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorste hend angeführten Probleme zu lösen.

Erfindungsgemäß wird eine Volumenanregung wie PRESS mit sehr selektiven Sättigungsimpulsen außerhalb des Volumens zur Un terdrückung eines Signals von außerhalb des in Frage kommen den Volumens und zur Minimierung des chemischen Verschie bungsfehlers in diesem Volumen kombiniert. Die Verwendung äu ßerst selektiver Sättigungsbänder auf jeder Seite des in Fra ge kommenden Volumens beseitigt die PRESS-Anregung außerhalb des in Frage kommenden Orts-/Frequenzbandes und der damit verbundenen chemischen Verschiebung. Signale werden dann aus dem in Frage kommenden Volumen erfaßt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispie len unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher be schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Fehler aus der chemischen Verschiebung in einem ausgewählten Schnitt bei einer Magnetresonanz-Spek troskopieabbildung,

Fig. 2A-2D die Anordnung einer herkömmlichen MRI-Vor richtung und von darin erzeugten Magnetfeldern,

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild einer MRI- und Spek troskopievorrichtung,

Fig. 4 eine Volumenanregung mit verringertem chemischem Ver schiebungsfehler unter Verwendung von Sättigungsimpulsen ge mäß der Erfindung und

Fig. 5 eine verbesserte MRSI-Auflösung unter Verwendung der Erfindung.

Fig. 2A zeigt eine perspektivische Darstellung einer Spulen vorrichtung in einem Magnetresonanz-Abbildungssystem (MRI-Sys tem) teilweise im Schnitt, und die Fig. 2B-2D stellen Feldgradienten dar, die in der Vorrichtung in Fig. 2A erzeugt werden können. Diese Vorrichtung ist bei Hinshaw und Lent, "An Introduction to NMR Imaging: From the Bloch Equation to the Imaging Equation", Proceedings of the IEEE, Band 71, Nr. 3, März 1993, Seiten 338-350, beschrieben. Kurz gesagt wird das gleichmäßige statische Feld B₀ durch den ein Spulenpaar 10 umfassenden Magneten erzeugt. Ein Gradientenfeld G(x) wird durch einen komplexen Gradientenspulensatz erzeugt, der über einen Zylinder 12 gewickelt werden kann. Ein RF-Feld (Hochfrequenzfeld) B₁ wird durch eine RF-Spule 14 erzeugt. Eine untersuchte Probe wird entlang der Z-Achse in der RF-Spule 14 positioniert.

In Fig. 2B ist ein X-Gradientenfeld gezeigt, das auf dem sta tischen Magnetfeld B₀ senkrecht steht und sich linear mit der Entfernung entlang der X-Achse verändert aber nicht mit der Entfernung entlang der Y- oder Z-Achse. Die Fig. 2C und 2D zeigen ähnliche Darstellungen jeweils des Y- und des Z-Gra dientenfeldes.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Magnetresonanz-Ab bildungsvorrichtung (MRI-Vorrichtung). Ein Computer 20 ist zur Steuerung des Betriebs der MRI-Vorrichtung programmiert und verarbeitet daraus erfaßte FID-Signale. Das Gradienten feld wird durch einen Gradientenverstärker 22 angeregt, und die RF-Spulen zur Erzeugung des B₁-Feldes an der Larmor-Fre quenz werden durch einen Sender 24 und eine RF-Spule 26 gesteuert. Nachdem die ausgewählten Kerne angeregt worden sind, werden die RF-Spulen 26 zur Erfassung des FID-Signals verwendet, das einem Empfänger 28 zugeführt und dann über ei nen Digitalisierer 30 dem Computer 20 zur Verarbeitung zuge führt wird.

Erfindungsgemäß wird ein Volumenanregungsimpuls wie PRESS mit Sättigungsimpulsen außerhalb des Volumens zur Unterdrückung einer Relaxationssignalwiederherstellung außerhalb des in Frage kommenden Volumens kombiniert. Die anhängige US-An meldung mit der Nummer 08/683589, eingereicht am 15. Juli 1996 von Patrick L. Le Roux mit dem Titel "Real Time RF Pulse Construction for NMR Measurement Sequences" offenbart ein Verfahren zur Ausbildung derartiger Sättigungsimpulse außer halb des Volumens.

Wie es in dieser anhängigen Anmeldung beschrieben ist, wird der RF-Impuls für die NMR-Impulsfolge in dem NMR-System unter Verwendung eines inversen SLR-Transformationsverfahrens ent wickelt. Die für die SLR-Transformation erforderlichen Po lynome werden unter Verwendung eines gewichteten Kleinste-Mit tlere-Quadrate-(WLMS-)Vorgangs berechnet, bei dem eine An fangsgewichtungsfunktion zusammen mit dem gewünschten Im pulsprofil angewendet wird, das durch den Bediener des MRI-Sys tems eingegeben wird. Der Bediener kann auch das Phasen profil als Eingabe für den WLMS-Vorgang bestimmen. Insbeson dere wird das gewünschte Impulsprofil des (ω) eingegeben, ei ne Gewichtungsfunktion W(ω) berechnet, ein Satz von SLR-Po lynomen unter Verwendung eines gewichteten Kleinste-Mit tlere-Quadrate-Vorgangs mit dem gewünschten Impulsprofil des (ω) und der Gewichtungsfunktion W(ω) als Eingangssignale berechnet, und die SLR-Polynome in einem inversen SLR-Vorgang zur Erzeugung eines RF-Impulssignalverlaufs R(t) angewendet. Der RF-Impuls kann in dem MRI-System im Ansprechen auf ein von dem Bediener vor einer den RF-Impuls verwendenden Abta stung bestimmtes RF-Impulsprofil erzeugt werden.

Zusätzlich zur Bestimmung der Größe der Anregung als Funktion der Frequenz kann die RF-Impulsprofilbestimmung auch eine Phasenbestimmung enthalten. In diesem Fall wird die Phasenbe stimmung bzw. Phasenspezifizierung auch für den gewichteten Kleinste-Mittlere-Quadrate-Vorgang eingegeben, und dieser Vorgang kann einmal oder mehrere Male zur Erfüllung der ge wünschten Größenbestimmung wiederholt werden.

Zusätzlich zu sehr schmalen Übergangsbandbreiten weisen diese Sättigungsimpulse sehr große effektive RF-Bandbreiten und da her einen sehr kleinen chemischen Verschiebungsfehler auf. Mit diesen Sättigungsimpulsen ist es möglich, ein lokalisier tes Volumen mit einer prozentualen Selektivitäts_MRSI von bis zu 99% zu definieren. Das Problem bei der Definition eines Volumens lediglich mit einer Sättigung außerhalb des Volumens besteht darin, daß, wenn das gewünschte Volumen viel kleiner als das gesamte angeregte Volumen wird, die Selektivität ab fällt, und selbst die relativ gemäßigte Relaxationswiederher stellung des gesättigten Signals das Ergebnis in dem in Frage kommenden Volumen gefährden kann.

Erfindungsgemäß wird eine Kombination der PRESS und äußerst selektiver Sättigungsimpulse außerhalb des Volumens zur Ver besserung der Selektivität und zur erheblichen Verringerung chemischer Verschiebungsfehler bei einer Fokal-MRSI verwen det. Das Konzept ist in Fig. 4 dargestellt. Bei diesem Ver fahren werden äußerst selektive Sättigungsbänder (g) zur Be seitigung des PRESS-Anregungsvolumens außerhalb des gemeinsa men Durchlaßbandes verwendet (c). Die neue Vorschrift (j) schränkt das in Frage kommende Volumen derart ein, daß es le diglich von den äußerst selektiven Sättigungsbändern für sei ne prozentuale Selektivitäts_MRSI abhängt. Durch Einschrän kung der Betriebslast der Sättigungsbänder auf die Ge samtübergangsbänder (f) kann die Breite der Sättigungsbänder eingeengt werden und Probleme mit der Relaxationswiederher stellung des gesättigten Signals minimiert werden. Fig. 5 stellt die Auswirkung einer 1 cm-MRSI-Auflösung eines herkömm lichen 10 cm-Rx-PRESS-Volumens gegenüber einem 10 cm-Rx mit dem äußerst selektiven PRESS-Volumen dar.

Vorstehend ist ein Verfahren zur Minimierung eines chemischen Verschiebungsfehlers bei einer Magnetresonanz-Spek troskopieabbildung durch Kombination einer Volumenanre gung mit Sättigungsimpulsen außerhalb des Volumens zur Unter drückung einer Relaxationssignalwiederherstellung außerhalb des in Frage kommenden Volumens beschrieben.

Erfindungsgemäß wird ein chemischer Verschiebungsfehler bei einer Protonen-Magnetresonanz-Spektroskopie durch Anlegen ei ner Volumenanregungsimpulsfolge wie PRESS und äußerst selek tiver Sättigungsimpulse außerhalb des Volumens zur Begrenzung dieses Volumens auf ein in Frage kommendes Volumen verrin gert, das frei von Fehlerregistrierungsfehlern ist, die mit der Anregungsfolge verbunden sind. Das resultierende Volumen ist dann lediglich durch die sehr kleine chemische Verschie bungsfehlerregistrierung der äußerst selektiven Sättigungsim pulse beschränkt.

Claims

1. Verfahren zur Magnetresonanz-Spektroskopieabbildung mit verringertem chemischem Verschiebungsfehler mit den Schritten

a) Plazieren eines abzubildenden Objekts in einem Ma gnetfeld,
b) Anlegen äußerst selektiver Sättigungsimpulse außer halb des Volumens bei Frequenzen außerhalb des in Frage kom menden Volumens, wodurch jede nachfolgende Erzeugung eines Signals außerhalb des in Frage kommenden Volumens unterdrückt wird,
c) Anlegen einer Impulsfolge zur selektiven Anregung ei nes Schnitts oder Volumens größer als das in Frage kommende Volumen derart, daß das in Frage kommende Volumen durch ein allen gewünschten chemischen Verschiebungsfrequenzen gemein sames Durchlaßband angeregt wird, und
d) Erfassen eines Signals aus dem chemischen Verschie bungs-unempfindlichen in Frage kommenden Volumen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das in Frage kommen de Volumen durch eine ein- oder eine mehrdimensionale Phasen kodierung weiter aufgelöst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das in Frage kommen de Volumen durch eine Phasen- und Frequenzkodierung weiter aufgelöst wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei Schritt c) eine punktaufgelöste Spektroskopie (PRESS) beinhaltet.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei Schritt c) einen stimulierten Echoerfassungsmodus (STEAM) beinhaltet.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei Schritt c) eine eindimensionale Schnittauswahl beinhaltet.

7. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei Schritt c) eine zweidimensionale Schnittauswahl beinhaltet.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Schritt b) folgendes beinhaltet:

i) Eingeben von Daten des (ω), die ein gewünschtes Im pulsprofil anzeigen,
ii) Berechnen einer Anfangsgewichtungsfunktion W(ω),
iii) Berechnen eines Satzes von SLR-Polynomen unter Ver wendung eines gewichteten Kleinste-Mittlere-Quadrate-Vor gangs, des gewünschten Impulsprofils des (ω) und der An fangsgewichtungsfunktion W(ω) und
iv) Erzeugen der RF-Impulshüllkurve R(t) durch Durchfüh rung einer inversen SLR-Transformation unter Verwendung der berechneten SLR-Polynome.

9. Vorrichtung zur Magnetresonanz-Spektroskopieabbildung mit verringertem chemischem Verschiebungsfehler, wobei ein abzubildendes Objekt in einem Magnetfeld plaziert wird, mit
einer Einrichtung zum Anlegen äußerst selektiver Sätti gungsimpulse außerhalb des Volumens bei Frequenzen außerhalb des in Frage kommenden Volumens, wodurch jede nachfolgende Erzeugung eines Signals außerhalb des in Frage kommenden Vo lumens unterdrückt wird,
einer Einrichtung zum Anlegen einer Impuls folge zur wahlweisen Anregung eines Schnitts oder Volumens größere als das in Frage kommende Volumen derart, daß das in Frage kom mende Volumen durch ein allen gewünschten chemischen Ver schiebungsfrequenzen gemeinsames Durchlaßband angeregt wird, und
einer Einrichtung zur Erfassung eines Signals aus dem chemischen Verschiebungs-umempfindlichen in Frage kommenden Volumen.