DE19952880A1

DE19952880A1 - MR elastography procedure

Info

Publication number: DE19952880A1
Application number: DE19952880A
Authority: DE
Inventors: Ralph Sinkus; Dietrich Holz; Michael Dargatz
Original assignee: Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1999-05-14
Filing date: 1999-11-03
Publication date: 2000-12-14
Also published as: JP2011156412A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein MR-Elastographie Verfahren, bei dem in einem Untersuchungsobjekt mechanische Schwingungen erzeugt werden und die Kernmagnetisierung angeregt wird. Dabei wird die Auslenkung (U) in einem dreidimensionalen Bereich nach Betrag und Phase für drei zueinander senkrechte Richtungen bestimmt und wenigstens ein mechanischer Parameter (E) aus diesen Werten der Auslenkung und aus deren räumlichen Ableitungen in wenigstens einem Teil des dreidimensionalen Bereichs berechnet.The invention relates to an MR elastography method in which mechanical vibrations are generated in an examination object and the nuclear magnetization is excited. The deflection (U) is determined in a three-dimensional range by magnitude and phase for three directions perpendicular to one another and at least one mechanical parameter (E) is calculated from these values of the deflection and from their spatial derivatives in at least part of the three-dimensional range.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung mechanischer Parameter eines Untersuchungsobjektes mit den Schritten:
The invention relates to a method for determining mechanical parameters of an examination object, comprising the steps:

a) generation of mechanical vibrations in the examination object,
b) excitation of nuclear magnetization in connection with one of the mechanical vibrations synchronous magnetic gradient field and Receiving the resulting MR signals in the examination object Generation of an MR phase image
c) changing the direction of the gradient of the gradient field and / or Phase difference between the mechanical vibrations and the Gradient field
d) repetition of steps a-c)
e) Determination of those caused by the mechanical vibrations Deflection of the nuclear spins from their rest position based on the MR phase images and Calculation of at least one mechanical parameter depending on the Deflection.

Solche Verfahren sind als MRE-Verfahren bekannt (MRE = Magnet Resonanz Elastographie). Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß die Phase in einem MR-Bild des Untersuchungsobjektes sich infolge der darin wirksamen mechanischen Schwingungen verändert. Das Ausmaß dieser Änderungen hängt von der Auslenkung (d. h. der Verschiebung aus der Ruhelage) infolge der mechanischen Schwingung ab. Somit läßt sich aus den MR-Phasen-Bildern, d. h. Bildern, die die Phase der Kernmagnetisierung darstellen, Information über bestimmte mechanische Parameter des Gewebes ableiten, z. B. über die Elastizität.Such methods are known as MRE methods (MRE = magnetic resonance Elastography). This takes advantage of the fact that the phase in an MR image of the The object under examination due to the mechanical vibrations that are effective in it changed. The extent of these changes depends on the deflection (i.e. the Displacement from the rest position) due to the mechanical vibration. So you can from the MR phase images, d. H. Images showing the phase of nuclear magnetization represent, derive information about certain mechanical parameters of the tissue, z. B. about elasticity.

Aus der EP-A 708 340 ist ein solches MR-Elastographie-Verfahren bekannt. Dabei werden zunächst zwei MR-Phasen-Bilder einer Schicht des Untersuchungsobjekts erzeugt. Der Gradient eines zu den mechanischen Schwingungen synchronen magnetischen Gradientenfeldes hat bei beiden Bildern die gleiche Richtung, jedoch sind die Phasen dieses periodischen Gradienten in bezug auf die mechanische Schwingung um 90° versetzt. Danach werden weitere Paare von MR-Phasen-Bildern erzeugt, bei denen der periodische Gradient senkrecht zu der Gradientenrichtung beim ersten Paar verläuft. Danach wird die Richtung der mechanischen Schwingung in dem Objekt geändert, und es werden weitere Sätze von MR-Phasen-Bildern akquiriert.Such an MR elastography method is known from EP-A 708 340. In doing so First, two MR phase images of a slice of the examination object are generated. The Gradient of a magnetic synchronous to the mechanical vibrations The gradient field has the same direction in both images, but the phases are this periodic gradient is offset by 90 ° with respect to the mechanical vibration. Then further pairs of MR phase images are generated, in which the periodic Gradient perpendicular to the gradient direction in the first pair. After that the Direction of mechanical vibration in the object is changed, and more Acquired sets of MR phase images.

Aus je einem Paar von MR-Phasen-Bildern läßt sich die Wellenlänge für die verschiedenen Bildpunkte bestimmen. Aus der Wellenlänge kann der Elastizitätsmodul (Young's modulus) berechnet werden, wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in dem Untersuchungsobjekt und dessen Dichte bekannt sind.The wavelength for the different ones can be obtained from a pair of MR phase images Determine pixels. The modulus of elasticity (Young's modulus) are calculated when the wave propagation speed in the Examination object and its density are known.

Bei einem anderen Verfahren, das aus Proceedings of ISMRM 1997, p 1905, Vancouver bekannt ist, wird aus einer Folge von MR-Phasen-Bildern die Phase der Auslenkung ermittelt und daraus für jeden einzelnen Bildpunkt der Elastizitätsmodul berechnet.Another method, from Proceedings of ISMRM 1997, p 1905, Vancouver is known, the phase of the deflection becomes from a sequence of MR phase images determined and the elastic modulus calculated for each individual pixel.

Den bekannten Verfahren ist gemeinsam, daß sie zufriedenstellende Resultate nur liefern, wenn in dem Untersuchungsobjekt keine Reflexionen auftreten und wenn sich in dem Objekt nur transversale Schwingungen ausbreiten. In einem realen Untersuchungsobjekt jedoch, beispielsweise dem Körper eines Patienten, sind Reflexionen unvermeidlich und es läßt sich auch keine rein transversale Wellenausbreitung erreichen. Überdies ist es bekannt, daß longitudinale mechanische Schwingungen tiefer in einen Körper eindringen können, so daß es an sich erwünscht wäre, daß ein möglichst großer Teil der mechanischen Schwingungsenergie sich longitudinal ausbreitet.The known methods have in common that they only give satisfactory results if there are no reflections in the object under examination and if there are any reflections in the Spread the object only transverse vibrations. In a real object under investigation however, for example, a patient's body, reflections are inevitable and so are a purely transverse wave propagation cannot be achieved either. It is also known that longitudinal mechanical vibrations can penetrate deeper into a body, so that it would be desirable in itself that as large a part of the mechanical Vibration energy spreads longitudinally.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß auch bei longitudinaler Wellenausbreitung bzw. bei Reflexionen im Untersuchungsobjekt die mechanischen Parameter des Objektes zuverlässig ermittelt werden können.The object of the present invention is a method of the type mentioned above to design that even with longitudinal wave propagation or reflections in Examination object reliably determines the mechanical parameters of the object can be.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Bestimmung von Betrag und Phase der Auslenkung in einem dreidimensionalen Bereich für drei zueinander senkrechte Richtungen und Berechnung wenigstens eines mechanischen Parameters aus diesen Werten der Auslenkung und aus deren räumlichen Ableitungen in wenigstens einem Teil des dreidimensionalen Bereiches.This object is achieved according to the invention by determining the amount and phase the deflection in a three-dimensional area for three mutually perpendicular Directions and calculation of at least one mechanical parameter from these values the deflection and its spatial derivatives in at least part of the three-dimensional area.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich die Ausbreitung von mechanischen Wellen in viskos-elastischen Medien durch eine partielle Differential-Gleichung beschreiben läßt, deren Lösung für jedes Voxel durch Betrag und Phase der Auslenkung in drei zueinander senkrechten Richtungen bestimmt ist, sowie durch die räumlichen Ableitungen der Auslenkung. Wenn man diese Größen für jedes Voxel bestimmt hat, kann man die gemessene Werte in die Differential-Gleichung einsetzen und daraus mindestens einen der in dieser Gleichung enthaltenen mechanischen Parameter berechnen.The invention is based on the knowledge that the spread of mechanical Waves in viscous-elastic media through a partial differential equation can be described, the solution for each voxel by amount and phase of the deflection in three mutually perpendicular directions is determined, as well as by the spatial Derivatives of the deflection. If you have determined these sizes for each voxel, you can you insert the measured values in the differential equation and at least from it calculate one of the mechanical parameters contained in this equation.

Es genügt demnach nicht, für lediglich eine einzige Richtung im Raum die Auslenkung zu bestimmen. Ebenso wenig reicht es aus, die Auslenkung in allen drei Raumrichtungen nur für eine Schicht zu erfassen, selbst wenn man nur für diese Schicht einen mechanischen Parameter (z. B. den Elastizitätsmodul) ermitteln will. Eine räumliche Ableitung der Auslenkung in Richtung senkrecht zur Schicht läßt sich nämlich nur bestimmen, wenn die Auslenkung auch in Bereichen außerhalb der Schicht bestimmt wird. Die Auslenkung muß daher in einem dreidimensionalen Bereich bestimmt werden, d. h. die MR-Phasen- Bilder müssen die räumliche Verteilung der Phase der Kernmagnetisierung in diesem dreidimensionelen Bereich wiedergeben.It is therefore not sufficient to deflect for only one direction in space determine. It is also not enough, the deflection in all three spatial directions only for a layer, even if you only have a mechanical one for this layer Wants to determine parameters (e.g. the modulus of elasticity). A spatial derivation of the Deflection in the direction perpendicular to the layer can only be determined if the Deflection is also determined in areas outside the layer. The deflection must therefore be determined in a three-dimensional range, i. H. the MR phase Images need the spatial distribution of the phase of nuclear magnetization in this render three-dimensional area.

Wenn die mechanischen Schwingungen so auf das Untersuchungsobjekt einwirken, daß gemäß Anspruch 2 im wesentlichen longitudinale Schwingungen entstehen, ergibt sich eine größere Eindringtiefe der Schwingungen, so daß die mechanischen Parameter - z. B. des Gewebes im menschlichen Körper - in einem größeren Bereich bestimmt werden können.If the mechanical vibrations act on the object under examination so that arise according to claim 2 substantially longitudinal vibrations, results a greater depth of penetration of the vibrations, so that the mechanical parameters - z. B. of tissue in the human body - can be determined in a larger area can.

Die in Anspruch 3 beschriebene Ausgestaltung der Erfindung bewirkt, daß bei jeder Wiederholung der Anregung der Kernmagnetisierung eine genaue zeitliche Zuordnung zwischen den mechanischen Schwingungen und den in Verbindung mit der Anregung der Kernmagnetisierung erzeugten Gradientenfeldern erfolgt, insbesondere dem zu den mechanischen Schwingungen synchronen Gradientenfeld.The embodiment of the invention described in claim 3 causes that at each Repetition of the excitation of the nuclear magnetization an exact time assignment between the mechanical vibrations and those associated with the excitation of the Nuclear magnetization generated gradient fields takes place, in particular that to the mechanical vibrations synchronous gradient field.

Die Erfindung setzt voraus, daß eine Reihe von MR-Phasen-Bildern von einem dreidimensionalen Bereich erstellt wird, wodurch sich relativ lange Meßzeiten ergeben. Um diese Meßzeiten nicht noch dadurch zu verlängern, daß nach einer Anregung das Abklingen der Kernmagnetisierung in dem angeregten Bereich abgewartet wird, werden die Schichten, aus denen sich der anzuregende dreidimensionale Bereich zusammensetzt, gemäß Anspruch 4 im Multislice-Verfahren angeregt.The invention assumes that a series of MR phase images of one three-dimensional area is created, which results in relatively long measurement times. In order not to extend these measuring times by the fact that after an excitation Decay of the nuclear magnetization in the excited region is waited for, the Layers that make up the three-dimensional area to be excited, excited according to claim 4 in the multislice method.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist in Anspruch 5 angegeben. Es können zwar auch andere mechanische Parameter berechnet werden, z. B. die Dichte des Gewebes, die Poisson-Zahl oder die Dämpfung der Welle durch das Gewebe, jedoch ist der Elastizitätsmodul für die Diagnose am relevantesten. Die Elastizität ist der mechanische Parameter, den ein untersuchender Arzt bei der Palpation des Gewebes erfassen will.A preferred embodiment of the invention is specified in claim 5. It can although other mechanical parameters are calculated, e.g. B. the density of the tissue, the Poisson number or the damping of the wave by the fabric, however, is the Elastic modulus most relevant for diagnosis. The elasticity is mechanical Parameters that an examining doctor wants to record when palpating the tissue.

Von besonderem Vorteil ist gemäß Anspruch 6 die Bestimmung des Elastizitätsmoduls bei Mamma-Untersuchungen.According to claim 6, the determination of the elastic modulus is particularly advantageous Breast examinations.

Anspruch 7 beschreibt eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen VerfahrensClaim 7 describes an arrangement for performing the inventive Procedure

Gemäß Anspruch 8 haben die Welle und das dazu synchrone magnetische Gradientenfeld einen zeitlich sinusförmigen Verlauf Es ist zwar auch ein anderer periodischer Verlauf möglich - z. B. sägezahnförmig, dreieckförmig oder rechteckig, doch bietet der sinusförmige Verlauf demgegenüber Vorteile. Aus den Meßergebnissen lassen sich bis zu 6 verschiedene mechanische Parameter berechnen.According to claim 8, the wave and the synchronous magnetic gradient field a temporally sinusoidal course It is also a different periodic course possible - e.g. B. sawtooth, triangular or rectangular, but offers the sinusoidal In contrast, advantages. Up to 6 different ones can be obtained from the measurement results calculate mechanical parameters.

Die Weiterbildung nach Anspruch 9 gestattet, mehr als 6 verschiedene mechanische Parameter zu berechnen. Gemäß Anspruch 10 können dabei der Elastizitätsmodul und ein weiterer mechanischer Parameter, z. B. der Dämpfungskoeffizient berechnet werden, und zwar auch dann, wenn einer dieser beiden Parameter - oder beide Parameter - keine isotrope Größe ist. The development according to claim 9 allows more than 6 different mechanical To calculate parameters. According to claim 10, the elastic modulus and a further mechanical parameters, e.g. B. the damping coefficient can be calculated, and even if one of these two parameters - or both parameters - does not isotropic size.

Anspruch 11 beschreibt ein für das erfindungsgemäße Verfahren geeignetes Computerprogramm.Claim 11 describes a suitable for the inventive method Computer program.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigenThe invention is explained in more detail below with reference to the drawings. Show it

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 1 is a block diagram of a device for performing the method according to the invention.

Fig. 2 einen Teil eines dafür geeigneten Untersuchungsgeräts, Fig. 2 shows a part of a suitable therefor examination apparatus,

Fig. 3 die zeitliche Lage der mechanischen Schwingungen und der MR-Experimente, Fig. 3, the time position of the mechanical vibrations and the MR experiments

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf eines einzelnen MR-Experiments, Fig. 4 shows the time course of a single MR experiment,

Fig. 5 ein Ablaufdiagramm für das MR-Akquisitions-Verfahren, Fig. 5 is a flowchart for the MR acquisition method,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Teils des Auswerteverfahrens und Fig. 6 is a schematic representation of a part of the evaluation and

Fig. 7 ein Ablaufdiagramm des Auswerteverfahrens. Fig. 7 is a flowchart of the evaluation method.

In Fig. 1 ist mit 1 ein schematisch dargestellter Hauptfeldmagnet bezeichnet, der in einem nicht näher dargestellten Untersuchungsbereich ein in z-Richtung verlaufendes stationäres und im wesentlichen homogenes Magnetfeld mit einer Stärke von z. B. 1,5 Tesla erzeugt. Weiterhin ist eine Gradientenspulenanordnung 2 vorgesehen, die drei Spulensysteme umfaßt, mit denen in z-Richtung verlaufende magnetische Gradientenfelder G_x, G_y bzw. G_z mit einem Gradienten in x-, y- bzw. z-Richtung erzeugt werden können. Die Ströme für die Gradientenspulenanordnung 2 werden von je einem Gradientenverstärker 3 geliefert. Ihr zeitlicher Verlauf wird von einem Waveform-Generator 4 vorgegeben, und zwar für jede Richtung gesondert. Der Waveform-Generator 4 wird von einer Rechen- und Steuereinheit 5 gesteuert, die den für ein bestimmtes Untersuchungsverfahren erforderlichen zeitlichen Verlauf der magnetischen Gradientenfelder G_x, G_y, G_z berechnet und in den Waveform-Generator 4 lädt. Bei der MR-Untersuchung werden diese Signale aus dem Waveform-Generator 4 ausgelesen und der Gradientenverstärkeranordnung 3 zugeführt, die daraus die für die Gradientenspulenanordnung 2 erforderlichen Ströme erzeugt.In Fig. 1, 1 denotes a schematically represented main field magnet which, in an examination region (not shown in any more detail), has a stationary and essentially homogeneous magnetic field with a strength of z. B. 1.5 Tesla generated. Furthermore, a gradient coil arrangement 2 is provided which comprises three coil systems with which magnetic gradient fields G _x , G _y and G _z extending in the z direction can be generated with a gradient in the x, y and z directions. The currents for the gradient coil arrangement 2 are each supplied by a gradient amplifier 3 . A waveform generator 4 predetermines their time profile, specifically for each direction. The waveform generator 4 is controlled by a computing and control unit 5 , which calculates the time course of the magnetic gradient fields G _x , G _y , G _z required for a specific examination method and loads it into the waveform generator 4 . During the MR examination, these signals are read out from the waveform generator 4 and fed to the gradient amplifier arrangement 3 , which uses them to generate the currents required for the gradient coil arrangement 2 .

Die Steuereinheit 5 wirkt außerdem noch mit einer Work-Station 6 zusammen, die mit einem Monitor 7 zur Wiedergabe von MR-Bildern versehen ist. Über eine Tastatur 8 oder eine interaktive Eingabeeinheit 9 sind Eingaben möglich. The control unit 5 also interacts with a work station 6 , which is provided with a monitor 7 for reproducing MR images. Inputs are possible via a keyboard 8 or an interactive input unit 9 .

Die Kernmagnetisierung im Untersuchungsbereich kann durch Hochfrequenzimpulse einer Hochfrequenzspule 10 angeregt werden, die an einen Hochfrequenzverstärker 11 angeschlossen ist, der die Ausgangssignale eines Hochfrequenzsenders 12 verstärkt. In dem Hochfrequenzsender 12 werden die (komplexen) Einhüllenden der Hochfrequenzimpulse mit den von einem Oszillator 13 gelieferten Trägerschwingungen moduliert, deren Frequenz der Larmor-Frequenz (bei einem Hauptmagnetfeld von 1,5 Tesla ca. 63 MHz) entspricht. Die komplexe Einhüllende wird von der Rechen- und Steuereinheit in einen Generator 14 geladen, der mit dem Sender 12 gekoppelt ist.The nuclear magnetization in the examination area can be excited by high-frequency pulses from a high-frequency coil 10 , which is connected to a high-frequency amplifier 11 , which amplifies the output signals of a high-frequency transmitter 12 . In the high-frequency transmitter 12 , the (complex) envelopes of the high-frequency pulses are modulated with the carrier vibrations supplied by an oscillator 13 , the frequency of which corresponds to the Larmor frequency (approx. 63 MHz for a main magnetic field of 1.5 Tesla). The complex envelope is loaded by the computing and control unit into a generator 14 which is coupled to the transmitter 12 .

Die im Untersuchungsbereich erzeugten MR-Signale werden von einer Empfangsspule 20 aufgenommen und von einem Verstärker 21 verstärkt. Das verstärkte MR-Signal wird in einem Quadratur-Demodulator 22 durch zwei um 90° gegeneinander versetzte Trägerschwingungen des Oszillators 13 demoduliert, so daß zwei Signale erzeugt werden, die als Realteil und als Imaginärteil eines komplexen MR-Signals aufgefaßt werden können. Diese Signale werden einem Analog-Digitalwandler 23 zugeführt, der daraus MR-Daten bildet. Aus den MR-Daten werden in einer Bildverarbeitungseinheit 24 MR-Bilder rekonstruiert, die die Kernmagnetisierung im Untersuchungsbereich darstellen. Diese MR-Bilder werden nach Anwendung eines Rauschminderungsfilters auf dem Monitor 7 wiedergegeben und sind Ausgangspunkt für die Berechnung von Bildern (ebenfalls in der Bildverarbeitungseinheit 24), die den räumlichen Verlauf eines mechanischen Parameters, z. B. des Elastizitätsmoduls, darstellen.The MR signals generated in the examination area are picked up by a receiving coil 20 and amplified by an amplifier 21 . The amplified MR signal is demodulated in a quadrature demodulator 22 by two carrier oscillations of the oscillator 13 which are offset by 90 ° relative to one another, so that two signals are generated which can be understood as real parts and imaginary parts of a complex MR signal. These signals are fed to an analog-to-digital converter 23 , which forms MR data therefrom. In an image processing unit 24 MR images are reconstructed from the MR data, which represent the nuclear magnetization in the examination area. These MR images are reproduced on the monitor 7 after application of a noise reduction filter and are the starting point for the calculation of images (also in the image processing unit 24 ) that determine the spatial course of a mechanical parameter, e.g. B. the elastic modulus.

Die Steuereinheit 5 triggert darüber hinaus einen elektrischen Schwingungserzeuger 25 zur Erzeugung eines sinusförmigen Stromes mit einer festen Frequenz im Bereich zwischen ca. 20 Hz und einigen 100 Hz. Diese Schwingung wird einem mechanischen Schwingungserzeuger 26 zugeführt und bewirkt, daß ein Kolben mit einer an seinem vorderen Ende befestigten Platte 27 in eine senkrecht zur Plattenebene periodisch hin- und hergehende, vorzugsweise sinusförmige Bewegung versetzt wird.The control unit 5 also triggers an electrical vibration generator 25 for generating a sinusoidal current with a fixed frequency in the range between approximately 20 Hz and a few 100 Hz. This vibration is fed to a mechanical vibration generator 26 and causes a piston with one on its front End fixed plate 27 in a periodically reciprocating, preferably sinusoidal movement perpendicular to the plane of the plate.

Fig. 2 zeigt einen für Mamma-Untersuchungen geeigneten Aufsatz auf die Patientenlagerungseinheit 28 des MR-Gerätes, dessen Blockschaltbild in Fig. 1 dargestellt ist. Der Aufsatz umfaßt eine auf nicht näher dargestellte Weise auf die Patientenlagerungseinheit abstützbare Stützplatte 29, auf der sich die Patientin 30 befindet und die mit Ausnehmungen für die Brüste 31 der in Bauchlage befindlichen Patientin versehen ist. Es sind in horizontaler Richtung verschiebbare Träger 32 für den mechanischen Schwingungserzeuger 26 (nur für die linke Seite dargestellt) vorgesehen, mit deren Hilfe eine Brust gegen eine mittig angeordnete Begrenzung 33 gedrückt werden kann. Durch Erzeugen einer hin- und hergehenden Bewegung der Kolbenplatte 27 lassen sich dann mechanische Schwingungen in der Brust erzeugen. FIG. 2 shows an attachment on the patient positioning unit 28 of the MR device suitable for breast examinations, the block diagram of which is shown in FIG. 1. The attachment comprises a support plate 29 which can be supported on the patient positioning unit in a manner not shown, on which the patient 30 is located and which is provided with recesses for the breasts 31 of the patient in the prone position. Carriers 32 which can be displaced in the horizontal direction are provided for the mechanical vibration generator 26 (only shown for the left side), with the aid of which a breast can be pressed against a centrally arranged boundary 33 . Mechanical vibrations in the chest can then be generated by producing a reciprocating movement of the piston plate 27 .

Fig. 3 zeigt die zeitliche Zuordnung zwischen den mechanischen Schwingungen (1. Zeile) und den MR-Experimenten (2. Zeile). Mit der Erzeugung der Schwingungen mit der Schwingungsdauer T wird begonnen, bevor durch die MR-Experimente MR-Daten akquiriert werden. Dadurch soll erreicht werden, daß sich für die mechanischen Schwingungen ein stationärer Zustand ergibt, bevor mit der MR-Akquisition begonnen wird. Jedes der aufeinanderfolgenden MR-Experimente hat eine Dauer NT, wobei N eine ganze Zahl ist. Dadurch wird sichergestellt, daß die mechanische Schwingung im bezug auf sämtliche MR-Experimente eine definierte Phasenlage hat. Fig. 3 shows the temporal allocation between the mechanical vibrations (1st line), and the MR experiments (2nd row). The generation of the oscillations with the oscillation period T begins before MR data are acquired by the MR experiments. This is intended to ensure that the mechanical vibrations are in a steady state before the MR acquisition is started. Each of the successive MR experiments has a duration NT, where N is an integer. This ensures that the mechanical oscillation has a defined phase position in relation to all MR experiments.

Jedes der MR-Experimente, von denen eines in Fig. 4 dargestellt ist, umfaßt die Anregung der Kernmagnetisierung durch mindestens einen Hochfrequenzimpuls und die Erfassung mindestens eines MR-Signals - in diesem Fall eines Spin-Echosignals. Die Verwendung von Spin-Echosignalen hat den Vorteil, daß die MR-Signale weitgehend frei von Phasenfehlern sind.Each of the MR experiments, one of which is shown in FIG. 4, comprises the excitation of the nuclear magnetization by at least one radio frequency pulse and the detection of at least one MR signal - in this case a spin echo signal. The use of spin echo signals has the advantage that the MR signals are largely free of phase errors.

Die 1. Zeile zeigt die Hochfrequenz-Anregungsimpulse, und zwar zunächst einen 90° Hochfrequenzimpuls RF 1 und einen 180° Hochfrequenzimpuls RF 2. Beide sind begleitet von einem Schichtselektions-Gradienten G_z, so daß die Kernmagnetisierung jeweils nur in einer Schicht angeregt wird.The first line shows the high-frequency excitation pulses, namely first a 90 ° high-frequency pulse RF 1 and a 180 ° high-frequency pulse RF 2. Both are accompanied by a slice selection gradient G _z , so that the nuclear magnetization is only excited in one slice.

Fig. 4 stellt zum Teil den typischen Verlauf eines Spin-Echoexperimentes dar mit einem 90°- bzw. einem 180°-Hochfrequenzimpuls RF 1 bzw. RF 2 (1. Zeile), die von einem Schichtselektions-Gradienten G_z begleitet sind, wobei die Phase durch einen Phasenkodierungs-Gradienten G_y kodiert und das entstehende Spin-Echosignal in Verbindung mit einem Lese-Gradienten G_x ausgelesen wird. Anstelle einer Spin-Echo- Akquisition können aber auch andere MR-Akquistionsschemen benutzt werden, wie sie z. B. in der EP-A 708 340 beschrieben sind. Die Schichtselektions-, Phasenkodierungs- und Lese-Gradienten müssen nicht mit der z-, y- bzw. x-Richtung zusammenfallen, wie in Fig. 4 dargestellt. Wesentlich ist nur, daß sie senkrecht zueinander verlaufen. FIG. 4 shows in part the typical course of a spin-echo experiment with a 90 ° or a 180 ° high-frequency pulse RF 1 or RF 2 (1st line), which are accompanied by a slice selection gradient G _z , where the phase is coded by a phase coding gradient G _y and the resulting spin echo signal is read out in connection with a read gradient G _x . Instead of a spin-echo acquisition, however, other MR acquisition schemes can also be used, such as those used for. B. are described in EP-A 708 340. The slice selection, phase coding and read gradients do not have to coincide with the z, y or x direction, as shown in FIG. 4. It is only essential that they are perpendicular to each other.

Zusätzlich enthält das Experiment zwei beiderseits des 180° Hochfrequenzimpulses befindliche, zeitlich sinusförmig verlaufende Gradienten-Schwingungen G1 und G2, deren Periodendauer der Periodendauer T der mechanischen Schwingung entspricht und deren Phasendifferenzen mit der mechanischen Schwingung sich um exakt 180° unterscheiden. In Fig. 4 verlaufen diese sinusförmigen Gradienten G1 und G2 in x-Richtung. Im späteren Verlauf des Verfahrens verlaufen sie aber statt dessen in z- oder in y-Richtung. Durch die Gradienten-Schwingungen G1 und G2 wird die Phase der durch die mechanische Schwingung ausgelenkten Kernspins geändert, wobei das Ausmaß der Änderung von der Stärke der Auslenkung in Richtung der jeweiligen Gradienten abhängt.In addition, the experiment contains two gradient oscillations G1 and G2, located on both sides of the 180 ° high-frequency pulse, whose period duration corresponds to the period duration T of the mechanical oscillation and whose phase differences with the mechanical oscillation differ by exactly 180 °. In FIG. 4, this sinusoidal gradient G1 and G2 extend in the x direction. In the later course of the method, however, they run instead in the z or y direction. The phase oscillations of the nuclear spins deflected by the mechanical oscillation are changed by the gradient vibrations G1 and G2, the extent of the change depending on the strength of the deflection in the direction of the respective gradients.

Fig. 5 erläutert den zeitlichen Ablauf der Akquisition der MR-Daten. Nach der Initialisierung (Block 100) wird der Kolben 27 in kontinuierliche, sinusförmige Schwingungen versetzt, die über die gesamte MR-Akquisition anhalten (Block 101). Nachdem diese Schwingungen stationär geworden sind, wird zunächst im Block 102 ein erstes MR-Experiment gemäß Fig. 4 erzeugt und das dabei entstehende MR-Signal (5. Zeile von Fig. 4) erfaßt. Wenn die Dauer NT eines MR-Experimentes gering ist, z. B. 50msek, dann ist die Kernmagnetisierung in der zuvor angeregten Schicht bei Beginn des nächsten MR-Experiments noch nicht abgeklungen. Deshalb wird das MR-Experiment für eine andere - in diesem Fall in z-Richtung versetzte - Schicht wiederholt (Block 103). Das bedeutet, daß lediglich die Trägerfrequenz der Hochfrequenzimpulse RF 1 und RF 2 so verändert wird, daß die andere Schicht angeregt wird, während die zeitlichen Verläufe in der zweiten bis fünften Zeile von Fig. 4 unverändert bleiben. Die Schleife mit den Blöcken 102 und 103 wird dann so oft durchlaufen, wie Schichten in dem zu untersuchenden dreidimensionalen Bereich vorhanden sind, z. B. 20 mal, wobei jedesmal eine andere Schicht angeregt wird. Fig. 5 illustrates the timing of the acquisition of the MR data. After the initialization (block 100 ), the piston 27 is set in continuous, sinusoidal vibrations that continue over the entire MR acquisition (block 101 ). After these vibrations have become stationary, a first MR experiment according to FIG. 4 is first generated in block 102 and the resulting MR signal (5th line of FIG. 4) is detected. If the duration NT of an MR experiment is short, e.g. B. 50 msec, then the nuclear magnetization in the previously excited layer has not yet subsided at the start of the next MR experiment. Therefore, the MR experiment is repeated for another layer — in this case offset in the z direction (block 103 ). This means that only the carrier frequency of the high-frequency pulses RF 1 and RF 2 is changed in such a way that the other layer is excited, while the time profiles in the second to fifth lines of FIG. 4 remain unchanged. The loop with blocks 102 and 103 is then run through as often as there are layers in the three-dimensional region to be examined, e.g. B. 20 times, each time a different layer is excited.

Danach wird der Phasen-Kodierungsgradient im Schritt 104 geändert, und alle Schichten werden erneut angeregt und die darin erzeugten Spin-Echosignale erfaßt. Der Phasenkodierungs-Gradient wird so oft geändert, wie Phasenkodierungsschritte erforderlich sind, z. B. 128 oder 256 mal. Danach sind die MR-Daten von sämtlichen Schichten akquiriert, so daß daraus ein MR-Bild rekonstruiert werden kann, das die Phase der Kernmagnetisierungs-Verteilung in dem durch die Schichten gebildeten dreidimensionalen Bereich darstellt.Thereafter, the phase encoding gradient is changed in step 104 , and all layers are excited again and the spin echo signals generated therein are detected. The phase encoding gradient is changed as often as phase encoding steps are required, e.g. B. 128 or 256 times. The MR data of all layers are then acquired, so that an MR image can be reconstructed therefrom, which represents the phase of the nuclear magnetization distribution in the three-dimensional region formed by the layers.

Nachdem auf diese Weise die MR-Daten für das erste MR-Phasen-Bild des dreidimensionalen Bereiches akquiriert worden sind, erfolgt im Schritt 105 eine zeitliche Verschiebung zwischen den MR-Experimenten und der mechanischen Schwingung und zwar so, daß der Beginn eines MR-Experiments nicht mehr - wie in Fig. 3 dargestellt - mit dem Null-Durchgang der mechanischen Schwingung zusammenfällt, sondern demgegenüber um einen Bruchteil einer Periode T - z. B. T/8 - versetzt ist (Schritt 105). Danach wird die Schleife mit den Schritten 102, 103, 104 erneut durchlaufen, so daß sich ein weiteres MR-Phasen-Bild von dem untersuchten dreidimensionalen Bereich ergibt. Die beiden MR-Phasen-Bilder unterscheiden sich nur in den Bereichen, in denen das Gewebe bzw. die dort angeregten Kernspins in x-Richtung ausgelenkt worden sind. Danach werden weitere MR-Phasen-Bilder erzeugt, wobei der zeitliche Versatz auf 2T/8, 3T/8 . . . 7T/8 geändert wird. Schließlich sind die MR-Daten von acht MR-Phasen-Bildern akquiriert, die in unterschiedlicher Weise von der Auslenkung der Kernspins in x-Richtung beeinflußt sind, die im übrigen aber identisch sind.After the MR data for the first MR phase image of the three-dimensional area have been acquired in this way, there is a time shift in step 105 between the MR experiments and the mechanical oscillation in such a way that the start of an MR experiment no longer - as shown in Fig. 3 - coincides with the zero crossing of the mechanical vibration, but in contrast by a fraction of a period T - z. B. T / 8 - is offset (step 105 ). The loop is then run through again with steps 102 , 103 , 104 , so that a further MR phase image results from the examined three-dimensional area. The two MR phase images differ only in the areas in which the tissue or the nuclear spins excited there have been deflected in the x direction. Thereafter, further MR phase images are generated, the time offset being 2T / 8, 3T / 8. . . 7T / 8 is changed. Finally, the MR data are acquired from eight MR phase images, which are influenced in different ways by the deflection of the nuclear spins in the x direction, but which are otherwise identical.

Um auch die Auslenkung in einer anderen Richtung als der x-Richtung erfassen zu können, werden die sinusförmigen Gradienten G1 und G2 statt in x-Richtung gemäß Fig. 4 in einer anderen Richtung erzeugt (Block 106), z. B. in y-Richtung, so daß - nachdem der beschriebene Durchlauf der Schleifen mit den Schritten 102, 103, 104, 105 vollendet ist - ein Satz von MR-Phasen-Bildern des dreidimensionalen Bereiches zur Verfügung steht, der von der Auslenkung der Kernspins in y-Richtung beeinflußt ist. Schließlich wird dies für die z-Richtung wiederholt (die sinusförmigen Gradienten G1 und G2 werden in z- Richtung appliziert), so daß schließlich ein weiterer Satz von acht MR-Phasen-Bildern zur Verfügung steht, die von der Auslenkung der Kernspins in z-Richtung abhängig sind. In order to detect the displacement in a direction other than the x-direction, the sinusoidal gradient G1 and G2 rather than in x-direction in FIG. 4 in a different direction is generated (block 106), z. B. in the y direction, so that - after the described passage of the loops with the steps 102 , 103 , 104 , 105 is completed - a set of MR phase images of the three-dimensional region is available, which is from the deflection of the nuclear spins is influenced in the y direction. Finally, this is repeated for the z direction (the sinusoidal gradients G1 and G2 are applied in the z direction), so that finally a further set of eight MR phase images is available, which are generated by the deflection of the nuclear spins in z- Direction are dependent.

Danach ist das Akquisitionsverfahren beendet (Block 107).The acquisition process is then ended (block 107 ).

Anhand der Fig. 7 wird die Verarbeitung der MR-Daten erläutert. Nach der Initialisierung im Block 100 werden im Schritt 201 - wie schon erläutert - aus den akquirierten MR- Daten MR-Phasen-Bilder erzeugt. Durch die Demodulation des MR-Signals mit zwei um 90° versetzten Schwingungen Demodulator 22 (Fig. 1) entstehen zwei Signale, die als Real- und Imaginärteil eines komplexen Signals aufgefaßt werden können. Aus den Realteilen der MR-Signale läßt sich ein erstes Bild und aus den Imaginärteilen läßt sich ein zweites Bild rekonstruieren. Die Phase läßt sich für jedes Voxel aus dem Realteil und dem Imaginärteil errechnen, so daß sich ein MR-Phasen-Bild ergibt. Mit der Berechnung der MR-Phasenbilder kann bereits während der Akquisition der MR-Daten begonnen werden.The processing of the MR data is explained with reference to FIG. 7. After the initialization in block 100 , as already explained, MR phase images are generated from the acquired MR data in step 201 . The demodulation of the MR signal with two oscillations offset by 90 ° demodulator 22 ( FIG. 1) produces two signals which can be understood as real and imaginary parts of a complex signal. A first image can be reconstructed from the real parts of the MR signals and a second image can be reconstructed from the imaginary parts. The phase can be calculated for each voxel from the real part and the imaginary part, so that an MR phase image results. The calculation of the MR phase images can already be started during the acquisition of the MR data.

Im Schritt 202 kann die Dämpfung der mechanischen Wellen im Untersuchungsbereich ermittelt werden. Dazu wird die Ausbreitung der Welle in dem Gewebe entlang eines Strahls in der Richtung der applizierten mechanischen Schwingung verfolgt, wobei der Einfachheit halber angenommen ist, daß diese entweder in x-, y- oder z-Richtung auf den Körper einwirkt. Die Phase eines Punktes auf dem Strahl wird sich dabei infolge der Auslenkung sinusförmig ändern. Auf einem anderen, weiter vom Einleitungsort der mechanischen Wellen entfernten Punkt auf dem Strahl, wird sich ebenfalls ein sinusförmiger Verlauf der MR-Phase einstellen, allerdings wegen der Dämpfung der Welle mit verringerter Amplitude. Aus der Änderung der Amplitude entlang des Strahls kann ein Dämpfungskoeffizient γ berechnet werden.In step 202 , the damping of the mechanical waves in the examination area can be determined. For this purpose, the propagation of the wave in the tissue is followed along a beam in the direction of the applied mechanical vibration, it being assumed for the sake of simplicity that this acts on the body in either the x, y or z direction. The phase of a point on the beam will change sinusoidally due to the deflection. At another point on the beam farther from the point of introduction of the mechanical waves, a sinusoidal course of the MR phase will also occur, but because of the damping of the wave with a reduced amplitude. A damping coefficient γ can be calculated from the change in the amplitude along the beam.

Im Schritt 203 wird dann für die einzelnen Voxel des dreidimensionalen Untersuchungsbereichs die Auslenkung nach Betrag und Phase für jede der drei Raumrichtungen ermittelt.In step 203 , the deflection according to amount and phase for each of the three spatial directions is then determined for the individual voxels of the three-dimensional examination area.

Zur Erläuterung wird auf die schematische Darstellung in Fig. 6 verwiesen. In der oberen Reihe sind drei Sätze von MR-Bildern schematisch dargestellt, deren Phase von der Auslenkung in x, y und z abhängt. Die Bilder sind vereinfachend als zweidimensionale Bilder dargestellt, obwohl jedes Bild die MR-Phase in einem dreidimensionalen Bereich wiedergibt. In jedem der acht zu einem Satz gehörenden MR-Bilder wird die Phase in dem selben Bildpunkt betrachtet. Aus den acht Bildern ergeben sich acht Stützstellen für den zeitlichen Verlauf der Phase in dem betreffenden Bildpunkt. Aufgrund der sinusförmigen Auslenkung ist der zeitliche Verlauf sinusförmig, wie in der zweiten Zeile schematisch angedeutet. Allerdings kann dem sinusförmigen Verlauf jeweils noch ein positiver oder negativer Gleichanteil überlagert sein.For an explanation, reference is made to the schematic illustration in FIG. 6. The top row shows three sets of MR images, the phase of which depends on the deflection in x, y and z. For simplicity, the images are shown as two-dimensional images, although each image represents the MR phase in a three-dimensional area. In each of the eight MR images belonging to a set, the phase in the same pixel is viewed. The eight images result in eight reference points for the temporal course of the phase in the relevant pixel. Due to the sinusoidal deflection, the time course is sinusoidal, as indicated schematically in the second line. However, a positive or negative DC component can be superimposed on the sinusoidal curve.

Es wird dann eine Fourier-Transformation über die durch 8 Stützstellen definierte Phase durchgeführt, d. h. es wird die Sinusfunktion ermittelt, die durch die Stützstellen bzw. so dicht wie möglich bei diesen Stützstellen verläuft. Diese Sinusfunktion hat einen Betrag, der der Auslenkung des Voxels proportional ist und eine Phase, die die zeitliche Lage der Sinusschwingung in dem betreffenden Voxel in bezug auf irgendeine Referenzphase definiert. Aus dem Bettag A_x und der zeitlichen Phase ϕ der acht Bilder mit in x-Richtung verlaufenden sinusförmigen Gradienten G1 und G2 läßt sich ein komplexer Wert u_x für die Auslenkung in dem betreffenden Voxel wie folgt definieren:
A Fourier transformation is then carried out over the phase defined by 8 interpolation points, ie the sine function is determined which runs through the interpolation points or as close as possible to these interpolation points. This sine function has an amount which is proportional to the deflection of the voxel and a phase which defines the position in time of the sine oscillation in the voxel in question with respect to any reference phase. A complex value u _x for the deflection in the relevant voxel can be defined as follows from the bed day A _x and the temporal phase ϕ of the eight images with sinusoidal gradients G1 and G2 running in the x direction:

A_xe^j ^ϕ=u_x=v_x+jw_x (1)
A _x e ^j ^ϕ = u _x = v _x + jw _x (1)

v_x und w_x stellen dabei den Real- bzw. den Imaginärteil der komplexen Größe u_x dar.v _x and w _x represent the real and the imaginary part of the complex quantity u _x .

Dies wird für sämtliche Voxel der acht Bilder wiederholt, wonach zwei (für einen dreidimensionalen Bereich definierte) Bilder entstehen, die den Realteil v_x bzw. den Imaginärteil w_x der Auslenkung darstellen. Das gleiche wird für die Sätze von MR-Phasen- Bildern wiederholt, die mit einem in y- bzw. z-Richtung verlaufenden sinusförmigen Gradienten akquiriert wurden und deren Phase daher durch die Auslenkung in y- bzw. z- Richtung definiert ist. Auf diese Weise ergeben sich am Ende des Schrittes 203 drei Bilder, die den Realteil v_x, v_y bzw. v_z der Auslenkung in x-, y- bzw. z-Richtung darstellen und drei Bilder, die den Imaginärteil w_x, w_y und w_z der Auslenkung darstellen.This is repeated for all voxels of the eight images, after which two images (defined for a three-dimensional area) are created which represent the real part v _x or the imaginary part w _{x of} the deflection. The same is repeated for the sets of MR phase images which were acquired with a sinusoidal gradient running in the y or z direction and whose phase is therefore defined by the deflection in the y or z direction. In this way, at the end of step 203, three images result which represent the real part v _x , v _y and v _{z of} the deflection in the x, y and z directions and three images which represent the imaginary part w _x , w _{represent y} and w _{z of} the deflection.

Der dann folgende Verfahrensschritt 204 beruht auf der Erkenntnis, daß die so gefundenen Werte der Auslenkung u_x, u_y und u_z Lösungen der partiellen Differential- Gleichung darstellen, die die Auslenkung in den betreffenden Voxeln beschreibt. Dementsprechend werden die gefundenen Werte der Auslenkung im Schritt 204 in die Differential-Gleichung eingesetzt, um die mechanischen Parameter des Gewebes z. B. seine Elastizitätsmodul berechnen zu können. The method step 204 which then follows is based on the knowledge that the values of the deflection u _x , u _y and u _{z found in this way represent} solutions to the partial differential equation which describes the deflection in the relevant voxels. Accordingly, the deflection values found are used in step 204 in the differential equation in order to determine the mechanical parameters of the tissue e.g. B. to be able to calculate its modulus of elasticity.

Die partielle Differential-Gleichung, die die Ausbreitung einer Welle in einem viskosen, elastischen Medium beschreibt, hat die folgende Form:
The partial differential equation, which describes the propagation of a wave in a viscous, elastic medium, has the following form:

In dieser Diffential-Gleichung stellen ρ die Dichte in dem Untersuchungsbereich, γ die im Schritt 202 ermittelte Dämpfung der Welle, σ die sogenannte Poisson-Zahl (ca. 0,49 für menschliches Gewebe) und E den Elastizitätsmodul dar. U ist der Vektor der Auslenkung in x-, y- und z-Richtung. ∇ stellt den sogenannten Nabla-Operator dar, d. h. einen Vektor für den die Beziehung gilt
In this differential equation, ρ represents the density in the examination area, γ the damping of the wave determined in step 202 , σ the so-called Poisson number (approx. 0.49 for human tissue) and E the modulus of elasticity. U is the vector of Deflection in the x, y and z directions. ∇ represents the so-called Nabla operator, ie a vector for which the relationship applies

Δ ist der sogenannte Laplace-Operator für den bekanntlich die Beziehung gilt:
Δ is the so-called Laplace operator for which the relationship is known:

Δ = ∇.∇ (4)Δ = ∇.∇ (4)

Der Ansatz
The approach

U = u.e^j ^ω ^t (5)
U = ue ^j ^ω ^t (5)

wobei u ein ausschließlich ortsabhängiger Vektor und ω die (Kreis) Frequenz der mechanischen Schwingung darstellt, führt nach dem Einsetzen in Gleichung 2 zu der folgenden Diffential-Gleichung:
where u is an exclusively location-dependent vector and ω is the (circular) frequency of the mechanical vibration, leads to the following differential equation after insertion into equation 2:

u stellt den Vektor der Auslenkung dar, dessen Komponenten in x-, y und z-Richtung sich gemäß der Gleichung
u represents the vector of the deflection, whose components in the x, y and z directions are in accordance with the equation

u = u_x, u_y, u_z (7)
u = u _x , u _y , u _z (7)

zu u_x, u_y und u_z ergeben. Jede Vektor-Komponente läßt sich wiederum als eine komplexe Größe darstellen, gemäß der Beziehung
to u _x , u _y and u _z . Each vector component can in turn be represented as a complex quantity, according to the relationship

u_x=v_x+jw_x; u_y=v_y+jw_y; u_z=v_z+jw_z (8) u _x = v _x + jw _x ; u _y = v _y + jw _y ; u _z = v _z + jw _z (8)

Aus dem Vorstehenden wird deutlich, daß, obwohl Gleichung 6 nur eine einzige Differential-Gleichung für u darstellt, daraus sechs Gleichungen ableitbar sind - je drei für jede der drei Richtungen und je zwei für Real- bzw. Imaginärteil. Wenn man annimmt, daß außer der Kreisfrequenz ω auch die Werte von σ, γ und ρ in dem jeweiligen Voxel bekannt sind, genügt es, die gemessenen Auslenkungen in nur eine einzige dieser sechs Gleichungen einzusetzen und daraus den Elastizitätsmodul E in dem betreffenden Voxel zu berechnen. Die Gleichung
From the above it is clear that, although equation 6 represents only a single differential equation for u, six equations can be derived from it - three for each of the three directions and two for real and imaginary parts. If one assumes that in addition to the angular frequency ω the values of σ, γ and ρ in the respective voxel are known, it suffices to insert the measured deflections in only one of these six equations and to calculate the elastic modulus E in the relevant voxel . the equation

stellt demgemäß die Gleichung für den Realteil der x-Komponente dar. c ist dabei eine Konstante, für die die Beziehung gilt
accordingly represents the equation for the real part of the x component. c is a constant to which the relationship applies

c=2(1+σ)(1-2σ) (10)
c = 2 (1 + σ) (1-2σ) (10)

Aus Gleichung 9 wird deutlich, daß auch in diesem einfachsten Fall die Kenntnis von w_x, v_x, v_y, v_z und deren räumlichen Ableitungen in x-, y und z-Richtung erforderlich ist. Es müssen daher auch für diesen Fall alle drei Komponenten der Auslenkung nach Real- und Imaginärteil bzw. Betrag und Phase bekannt sein, ebenso wie die räumliche Ableitung dieser Größen in x-, y- und z-Richtung. Dies setzt voraus, daß die Auslenkungen in einem dreidimensionalen Bereich bekannt sein müssen, selbst wenn man den Elastizitätsmodul nur in einem zweidimensionalen Bereich berechnen wollte. Um die räumliche Ableitung bzw. den Differential-Quotienten in x-, y- und z-Richtung ermitteln zu können, ist es zweckmäßig, den im Schritt 203 ermittelten räumlichen Verlauf der komplexen Auslenkungen v und w (für alle drei Raumrichtungen) durch Hüllkurven zu approximieren, die wenigstens zweimal differenzierbar sind, so daß sich die Ableitungen numerisch berechnen lassen.From equation 9 it is clear that even in the simplest case, knowledge of w _x , v _x , v _y , v _z and their spatial derivatives in the x, y and z directions is required. For this case too, all three components of the deflection according to the real and imaginary part or amount and phase must be known, as must the spatial derivation of these variables in the x, y and z directions. This presupposes that the deflections must be known in a three-dimensional area, even if one wanted to calculate the modulus of elasticity only in a two-dimensional area. In order to be able to determine the spatial derivative or the differential quotient in the x, y and z directions, it is expedient to use envelope curves to determine the spatial course of the complex deflections v and w (for all three spatial directions) determined in step 203 approximate which can be differentiated at least twice, so that the derivatives can be calculated numerically.

Durch Einsetzen der auf diese Weise gefundenen Werte für die Auslenkungen von w_x, v_x, v_y, v_z und deren numerischen Ableitungen sowie den als bekannt vorausgesetzten Werten für σ, ρ und γ läßt sich mit Hilfe von Gleichung 9 der Elastizitätsmodul berechnen und zwar für sämtliche Voxel des dreidimensionalen Bereichs (bis auf diejenigen, die unmittelbar am Rande liegen, so daß die räumlichen Ableitungen für diese Voxeln nicht ohne weiteres berechenbar sind).By inserting the values found in this way for the deflections of w _x , v _x , v _y , v _z and their numerical derivatives as well as the known values for σ, ρ and γ, the modulus of elasticity can be calculated using equation 9 and for all voxels in the three-dimensional range (except for those that are located directly on the edge, so that the spatial derivatives for these voxels cannot be easily calculated).

Nachdem auf diese Weise im Schritt 204 die Werte E für die Voxel des Untersuchungsbereichs berechnet worden sind, lassen sich daraus Bilder ableiten, die den räumlichen Verlauf des Elastizitätsmoduls in verschiedenen Schichten des Untersuchungsbereichs darstellen (Block 205). Danach ist das Verfahren beendet (Block 206).After the values E for the voxels of the examination area have been calculated in this way in step 204 , images can be derived therefrom which represent the spatial course of the elasticity module in different layers of the examination area (block 205 ). The method is then ended (block 206 ).

Vorstehend wurde davon ausgegangen, daß der Elastizitätsmodul eine isotrope Größe ist, so daß zur Ermittlung des Elastizitätsmoduls E lediglich eine der 6 erwähnten Gleichungen zu lösen ist. Wenn diese Voraussetzung jedoch nicht erfüllt ist, ist E gemäß
It was assumed above that the elastic modulus is an isotropic quantity, so that only one of the 6 mentioned equations has to be solved to determine the elastic modulus E. However, if this requirement is not met, E is according to

ein Tensor 2. Stufe (d. h. eine Matrix), dessen 9 Tensorelemente e_xx . . . e_zz jeweils in das Gleichungssystem einzusetzen ist. Unter der Annahme, daß dieser Tensor symmetrisch ist, d. h. daß die Bedingungen
a tensor 2nd stage (ie a matrix), the 9 tensor elements e _xx . . . e _zz is to be _inserted into the system of equations. Assuming that this tensor is symmetric, that is, the conditions

e_yx=e_xy; e_zx=e_xz; e_zy=e_yz (12)
e _yx = e _xy ; e _zx = e _xz ; e _zy = e _yz (12)

erfüllt sind, reduziert sich die Zahl der unbekannten Tensorelemente auf sechs. Diese lassen sich aus den schon erwähnten sechs Gleichungen berechnen, wenn die anderen Parameter wie Poisson-Zahl, Dämpfung und Dichte bekannt sind. Durch Transformation auf die Hauptachsen entsteht dann ein Tensor, bei dem lediglich die Diagonalelemente von Null verschieden sind. Außerdem ergeben sich aus dieser Transformation die Winkel unter denen die Elastizität maximal bzw. minimal ist. Diese Werte sind ebenfalls von klinischem Interesse.the number of unknown tensor elements is reduced to six. This can be calculated from the six equations already mentioned if the others Parameters such as Poisson number, damping and density are known. Through transformation A tensor is then created on the main axes, in which only the diagonal elements are different from zero. The angles also result from this transformation under which the elasticity is maximal or minimal. These values are also from clinical interest.

Bei dem beschriebenen Rekonstruktionsverfahren wurden gewisse Gewebeparameter als bekannt und konstant im gesamten Objekt vorausgesetzt, nämlich die Dichte ρ, die Poisson-Zahl σ und der Dämpfungkoeffizient γ. Die Annahme einer konstanten Dichte sowie einer konstanten Poisson-Zahl ist theoretisch gerechtfertigt. Bei dem Dämpfungkoeffizienten hingegen ist es jedoch bekannt, daß er unterschiedlich für verschiedene Gewebetypen ist, und daß diese Variationen signifikant seien können.In the described reconstruction method, certain tissue parameters were considered known and assumed constant throughout the object, namely the density ρ, the Poisson number σ and the damping coefficient γ. The assumption of a constant density and a constant Poisson number is theoretically justified. In which Attenuation coefficients, however, are known to be different for different tissue types and that these variations can be significant.

Wenn wenigstens einer dieser Parameter - wie etwa der der Dämpfungkoefflzient γ - zusätzlich zu den oben erwähnten Tensorelementen des Elastizitätsmoduls ermittelt werden soll, ist dies mit dem bisherigen Verfahren nicht ohne weiteres möglich, weil mit den sechs aus den Messungen resultierenden Messungen mindestens sieben Unbekannte ermittelt werden müßten. Um zusätzlich die sechs Tensorelemente des Dämpfungkoeffizienten (wobei angenommen ist, daß dieser - ebenso wie der Elastizitätsmodul - lediglich sechs voneinander unabhängige Tensorelemente aufweist) bestimmen zu können, wird anstelle einer einzigen sinusförmigen Schwingung ein Gemisch von wenigstens zwei sinusförmigen Schwingungen - sowohl zur mechanischen Anregung des Objektes als auch für den Gradienten G1 und G2 - benutzt.If at least one of these parameters - such as the damping coefficient γ - determined in addition to the above-mentioned tensor elements of the elasticity module should be, this is not easily possible with the previous method, because with the six measurements resulting from the measurements, at least seven unknowns should be determined. In addition to the six tensor elements of the Attenuation coefficients (assuming that this - as well as the Modulus of elasticity - has only six independent tensor elements) to be able to determine, instead of a single sinusoidal vibration Mixture of at least two sinusoidal vibrations - both for mechanical Excitation of the object as well as for the gradients G1 and G2 - used.

Demgemäß wird der Oszillator mit zwei Frequenzen gleichzeitig angetrieben, d. h. der zeitliche Verlauf der Oszillatorschwingung S(t) ist
Accordingly, the oscillator is driven with two frequencies at the same time, ie the time course of the oscillator oscillation is S (t)

S(t)=a1 sin(ω1t)+a2 sin(ω2t) (13)
S (t) = a1 sin (ω1t) + a2 sin (ω2t) (13)

wobei a1 und a2 die Amplituden der Schwingungen mit der Frequenz ω1 und ω2 sind. Somit wird auch das Objekt gleichzeitig auf zwei Frequenzen angeregt. Da nunmehr im Objekt zwei mechanische Wellen mit unterschiedlicher Frequenz vorliegen, muß auch der die Bewegung codierende Gradient G1(t) - vgl. Fig. 4 -, der die MR-Sequenz bewegungssensitiv macht, aus zwei Frequenzen aufgebaut werden, d. h.
where a1 and a2 are the amplitudes of the vibrations with the frequency ω1 and ω2. Thus, the object is excited on two frequencies at the same time. Since there are now two mechanical waves with different frequencies in the object, the gradient G1 (t) encoding the movement must also - cf. Fig. 4 -, which makes the MR sequence motion sensitive, be built up from two frequencies, ie

G1(t)=b1 sin(ω1t)+b2 sin(ω2t) (14)
G1 (t) = b1 sin (ω1t) + b2 sin (ω2t) (14)

wobei b1 und b2 die Amplituden der Schwingungen mit der Frequenz ω1 und ω2 sind.where b1 and b2 are the amplitudes of the vibrations with the frequency ω1 and ω2.

Mit Vorteil wird dabei
With advantage

ω2=2ω1=2ω (15)
ω2 = 2ω1 = 2ω (15)

gewählt. Dadurch kann man die aus den Messungen resultierenden Verläufe der Phase in den einzelnen Bildpunkten (vgl. Fig. 6) mit nicht mehr Stützstellen (z. B. acht) - bei gleicher Qualität - bestimmen wie bei einer rein sinusförmigen Schwingung. Ebenso kann a1=a2 und ggf. auch b1 und b2 gewählt werden.chosen. As a result, the course of the phase resulting from the measurements in the individual pixels (cf. FIG. 6) with no more support points (e.g. eight) can be determined - with the same quality - as with a purely sinusoidal oscillation. Likewise, a1 = a2 and possibly also b1 and b2 can be selected.

Das beschriebene Rekonstruktionsverfahren verwendet die mittels MR gemessene Oszillation eines jeden Voxels innerhalb des betrachteten 3D-Volumens. Diese Oszillation wird über den Zeitraum einer Schwingung (T=2π/ω sec) mit typischerweise 8 Werten abgetastet. Eine Fouriertransformation dieser Schwingung liefert die gesuchten Größen, um das Differentialgleichungssystem zu lösen, d. h. Amplitude und Phase bei der Frequenz für jeden Voxel. Aufgrund der zusätzlichen Anregung bei der Frequenz 2ω sowie der Anpassung des zeitlichen Verlaufs des Gradienten sind somit auch die vorhandenen Informationen bei der Frequenz 2ω verwertbar. Bei der Messung von 8 Werten für eine Schwingungsperiode 2π/ω liefert die Fouriertransformation Informationen für die Frequenzen ω, 2ω, 3ω und 4ω.The described reconstruction method uses the one measured by MR Oscillation of each voxel within the 3D volume under consideration. This oscillation is over the period of a vibration (T = 2π / ω sec) with typically 8 values scanned. A Fourier transformation of this vibration provides the quantities we are looking for, to solve the differential equation system, d. H. Amplitude and phase at frequency for every voxel. Due to the additional excitation at the frequency 2ω and the Adaptation of the gradient over time is thus also the existing one Information can be used at the frequency 2ω. When measuring 8 values for one Vibration period 2π / ω gives the Fourier transform information for the Frequencies ω, 2ω, 3ω and 4ω.

Weil die mechanische Anregung und die Messung bei zweier Frequenzen erfolgt und die gemischten Informationen durch die Fouriertransformation nachträgliche getrennt werden, liegen nun die Lösungen der Wellengleichung für zwei Frequenzen vor. Anstelle von Gl (6) erhält man somit zwei Gleichungssysteme,
Because the mechanical excitation and the measurement take place at two frequencies and the mixed information is subsequently separated by the Fourier transformation, the solutions of the wave equation for two frequencies are now available. Instead of Eq (6) we get two systems of equations,

die miteinander verkettet werden können. Dadurch ist es jetzt möglich, nicht nur den Elastiziätstensor, sondern auch den Dämpfungstensor zu ermitteln. Dabei wird angenommen, daß beide gesuchten Größen nicht frequenzabhängig sind. Dies ist in dem betrachteten Frequenzbereich von ca. 50-400 Hz gerechtfertigt. Es ist aber auch möglich, den Elastiziätstensor mit beiden Gleichungssystemen zweimal zu ermitteln. Durch Mittelung über die gefunden Werte wird das Signal/Rausch-Verhältnis in den Bilder verbessert.that can be chained together. This makes it possible now, not just that Elasticity tensor, but also to determine the damping tensor. Doing so assume that the two quantities searched for are not frequency-dependent. This is in the considered frequency range of about 50-400 Hz justified. But it is also possible to determine the elasticity tensor twice with both systems of equations. By The signal / noise ratio in the images is averaged over the values found improved.

Claims

1. Method for determining mechanical parameters of an examination object with the steps:

a) generation of mechanical vibrations in the examination object,
b) excitation of the nuclear magnetization in connection with a magnetic gradient field (G1, G2) synchronous with the mechanical vibrations and reception of the resulting MR signals in the examination object to generate an MR phase image
c) changing the direction of the gradient of the gradient field and / or the phase difference between the mechanical vibrations and the gradient field
d) repeated repetition of steps ac)
e) Determination of the deflection of the nuclear spins caused by the mechanical vibrations from their rest position on the basis of the MR phase images and calculation of at least one mechanical parameter as a function of the deflection

characterized by determining the amount and phase of the deflection (U) in a three-dimensional range for three mutually perpendicular directions and calculating at least one mechanical parameter (E) from these values of the deflection and from their spatial derivatives in at least part of the three-dimensional range.

2. The method according to claim 1, characterized by the excitation of essentially longitudinal vibrations in the object under investigation.

3. The method according to claim 1, characterized by the repeated repetition of the excitation of the nuclear magnetization while continuously generating the mechanical vibrations in the Object to be examined, the time interval between two repetitions is an integral multiple of the period of the mechanical vibrations.

4. The method according to claim 1, characterized by the excitation of mutually parallel layers by a Multislice method, whereby after the excitation of one layer, other layers be excited before this layer is excited again.

5. The method according to claim 1, characterized in that the calculation of the mechanical parameter the Calculation of the modulus of elasticity includes.

6. The method according to claim 5, characterized by its application for breast examinations.

7. Arrangement for carrying out the method according to claim 1 with an MR device, a mechanical vibration generator, an evaluation unit, a generator that determines the time profile of magnetic gradient fields and a control unit that controls the MR device, the generator, the vibration generator, and the evaluation unit, which is programmed to perform the following steps

a) generation of mechanical vibrations in the examination object,
b) excitation of the nuclear magnetization in connection with a magnetic gradient field synchronous with the mechanical vibrations and reception of the resulting MR signals in the examination object to generate an MR phase image
c) changing the direction of the gradient of the gradient field and / or the phase difference between the mechanical vibrations and the gradient field
d) repeated repetition of steps ac)
e) Determining the amount and phase of the deflection in a three-dimensional area for three mutually perpendicular directions and calculating at least one mechanical parameter from these values of the deflection and from their spatial derivatives in at least part of the three-dimensional area.

8. Arrangement according to claim 7, characterized by the generation of a temporally sinusoidal oscillation by the oscillation generator ( 26 ) and the generator ( 4 ).

9. An arrangement according to claim 7, characterized by the excitation of a vibration comprising a mixture of at least two sinusoidal vibrations by the vibration generator ( 26 ) and the generator ( 4 ), the frequencies of the two sinusoidal vibrations preferably being in an integer ratio to one another.

10. Arrangement according to claim 9, characterized by means ( 205 ) for calculating the elastic modulus (E) and a further mechanical parameter, preferably the damping coefficient (γ).

11. Computer program for a control unit acting on an MR device, a vibration generator and an evaluation unit for carrying out the method according to claim 1 according to the following sequence: