DE19954926C2

DE19954926C2 - Verfahren zum Korrigieren linearer Feldinhomogenitäten in einer Apparatur der magnetischen Resonanz

Info

Publication number: DE19954926C2
Application number: DE19954926A
Authority: DE
Inventors: Arno Nauerth
Original assignee: Bruker Medizintechnik GmbH
Current assignee: Bruker Biospin MRI GmbH
Priority date: 1999-11-16
Filing date: 1999-11-16
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2019-11-17
Also published as: US6528999B1; GB2357851A; DE19954926A1; GB2357851B; GB0027994D0

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Korrigieren linearer Feldinhomogenitäten in einer Apparatur der magnetischen Resonanz. Nach einem Anregungspuls und dem Einwirken eines Phasengradienten in einer vorgegebenen Richtung wird nach einer fest vorgegebenen Zeit t¶d¶ ein Datenpunkt genommen. Dies wird für systematisch veränderte Stärken des Phasengradienten und gleichbleibendem t¶d¶ wiederholt. Der Phasengradient mit maximalem Meßsignal entspricht einem Feldkorrekturgradienten in die entsprechende Richtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Korrigieren linearer Magnet feldinhomogenitäten eines bereits nahezu homogenen Magnetfelds B₀ im Untersuchungsvolumen einer Apparatur der magnetischen Resonanz, wobei in einer im Untersuchungsvolumen angeordneten Probe durch einen Hochfrequenzpuls magnetische Resonanz angeregt wird, minde stens ein zusätzliches, lineares magnetisches Gradientenfeld angelegt und ein magnetisches Resonanzsignal gemessen wird.

Ein solches Verfahren ist beispielsweise für eine Apparatur der Kern spintomographie bekannt aus US 5,391,990 A.

Bei dem bekannten Verfahren wirkt nach einer Hochfrequenzanregung ein bipolarer Gradientenpulszug auf eine Probe ein und eine Reihe von Echos wird gemessen und in einer Signalmatrix abgespeichert. Die (zeitliche) Position des Echomaximums und seine Verschiebung von Zeile zu Zeile der Matrix wird bestimmt und daraus Korrekturströme für lineare Shimspulen berechnet.

Das bekannte Verfahren hat u. a. die Nachteile, daß die chemische Ver schiebung zwischen Wasser- und Fettanteilen des Signals eine uner wünschte Signalmodulation aufprägt und bei Proben mit kurzen T₁/T*₂- Zeiten nur schlecht oder gar nicht anwendbar ist. Im allgemeinen muß mehrmals iteriert werden.

Es besteht daher der Bedarf nach einem schnellen, unkomplizierten, direkten Shimverfahren, das unempfindlich gegen Einflüsse der chemi schen Verschiebungen gemacht werden kann und auch bei Proben mit kurzen Relaxationszeiten erfolgreich angewendet werden kann.

Die Aufgabe wird durch ein eingangs genanntes Verfahren gelöst mit den folgenden Schritten:

Auf die Probe wird ein Anregungshochfrequenzpuls eingestrahlt;

A) Ein Phasengradient G_ix in einer vorgegebenen Richtung x wird angelegt;
B) Zu einem festen Zeitpunkt t_dx nach dem Anregungshoch frequenzpuls wird ein Wert S_ix des von der Probe ausge henden magnetischen Resonanzsignals gemessen, digi talisiert und abgespeichert;
C) Die Schritte A) bis B) werden mehrmals mit systematisch geänderter Stärke des Phasengradienten G_ix wiederholt;
D) Die Werte der gemessenen Resonanzsignale S_i werden verglichen und daraus ein Maximalwert S_xmax bestimmt, dem eine bestimmte Starke G_xmax des Phasengradienten zugeordnet ist;
E) Aus der so bestimmten Stärke G_xmax des Phasengradien ten wird ein lineares Korrekturgradientenmagnetfeld B(x) für die vorgegebene Richtung x ermittelt;
F) In folgenden Messungen der magnetischen Resonanz in der Apparatur wird das Korrekturgradientenmagnetfeld B(x) zur Homogenisierung des Magnetfeldes B₀ im Unter suchungsvolumen angelegt.

Nach jeder Anregung wird nicht ein vollständiges Signalecho gemessen sondern es wird nur bei fest vorgegebener Zeit nach der Anregung ein einziger Meßpunkt aufgenommen. Die Zeit t_d ist immer dieselbe, daher auch die Dephasierung aufgrund der Inhomogenitäten des Magnetfelds B₀. Zusätzlich wird durch Anlegen eines Phasengradienten im Intervall zwischen t = 0 und t = t_d eine zusätzliche, definiert einstellbare Depha sierung aufgeprägt. Zum Zeitpunkt der Datenaufnahme überlagern sich die beiden Effekte. Variiert man nun die Stärke des angelegten Pha sengradienten, so erhält man dann ein maximales Meßsignal, wenn der Dephasierungseinfluß der Feldinhomogenitäten in der betreffenden Richtung durch den Phasengradienten gerade optimal kompensiert wird und nur noch nicht-lineare Beiträge bzw. Beiträge senkrecht zur Gra dientenrichtung übrig bleiben.

Den Einfluß der chemischen Verschiebung kann man dadurch minimie ren, daß die Zeit t_d so gewählt wird, daß Fett- und Wasserbeiträge im B₀-Feld zu diesem relativen Zeitpunkt gerade in-Phase sind, jedenfalls nicht gegenphasig.

Die Zeit t_d kann weitgehend frei gewählt werden, insbesondere kann sie für Proben mit kurzen Relaxationszeiten T₁/T*₂ auch sehr kurz sein.

Da der angelegte optimale Phasengradient direkt dem Korrekturgra dienten entspricht, sind an sich keinerlei Iterationen notwendig.

Parameter, die in andere Verfahren bekannt sein müssen, wie die Posi tion der Probe im Untersuchungsvolumen, die Resonanzfrequenz oder die angelegte HF-Leistung, müssen nicht exakt bestimmt sein.

Das zunächst für eine lineare Dimension beschriebene Verfahren läßt sich zwanglos auf mehr Dimensionen übertragen, indem es z. B. analog für eine weitere vorgegebene Richtung y durchgeführt wird, die vor zugsweise, senkrecht auf der Richtung x steht. Es ist dabei nicht zwin gend, aber durchaus möglich und bevorzugt, wenn die im ersten Teil ermittelte Korrektur für die x-Richtung bereits erfolgt ist. An sich überla gern sich die Effekte einfach. Eine Kompensation in zwei Dimensionen bietet sich insbesondere bei der Untersuchung von Scheiben aus einem Objekt an. Dabei kann das Feld bei Mehrfachscheibenuntersuchungen für jede Scheibe separat homogenisiert werden.

Selbstverständlich kann das Verfahren entsprechend für dreidimensio nale Volumina erweitert werden, indem es analog für eine weitere vor gegebene Richtung z durchgeführt wird, die vorzugsweise senkrecht auf den Richtungen x und y steht. Damit kann das Feld im gesamten Probenvolumen homogenisiert werden oder in Verbindung mit volu menselektiven Maßnahmen auch für ausgewählte Teilvolumina, ggf. viele unterschiedliche innerhalb eines Objekts.

Am einfachsten läßt sich das Verfahren durchführen, wenn als Signal maximum S_xmax, S_ymax, S_zmax jeweils das maximale gemessene Signal aller S_ix, S_iy bzw. S_iz verwendet wird.

Eine genauere interpolierte Position läßt sich ermitteln, wenn als Si gnalmaximum S_xmax, S_ymax, S_zmax jeweils das Maximum einer glatten Funktion S_x(G_x), S_y(G_y), S_z(G_z) verwendet wird, die an die gemessenen Gradientenstärken in der Umgebung des Maximums, vorzugsweise durch eine Gaußfunktion, angefittet wird.

Soll das Korrekturgradientenfeld sehr genau und dennoch in kurzer Zeit bestimmt werden, so empfiehlt es sich, das Verfahren zunächst in gro ben Gradientenschritten durchzuführen und dann mindestens für eine Richtung (x, y, z) die Schritte A) bis E) in der Umgebung der ermittelten Signalmaxima mit kleinerer Schrittweite der Gradientenstärke zu wie derholen und dadurch einen verfeinerten Wert der Signalmaxima zu ermitteln.

Eine weitere Möglichkeit, die Genauigkeit zu steigern, besteht darin, mindestens für eine Richtung (x, y, z) die Verfahrensschritte A) bis E) für ein verändertes, vorzugsweise verlängertes t_dx, t_dy bzw. t_dzzu wie derholen. Dabei kann man sich auf einen engen Bereich um das bereits ermittelte vorläufige Maximum beschränken. Ein längeres t_d bedeutet eine längere Dephasierungszeit durch die noch verbleibenden Inhomo genitäten. Da jedoch bereits ein Homogenisierungsschritt erfolgt ist, bleibt dennoch ausreichend Signalstärke zur Verfügung.

Bevorzugt handelt es sich bei dem Verfahren um ein Verfahren der kernmagnetischen Resonanz, insbesondere ist es in ein Verfahren der bildgebenden magnetischen Resonanz integriert. Bildgebende Kernre sonanzapparaturen, aber auch immer mehr solche der hochauflösen den Kernresonanzspektroskopie, sind standardmäßig mit Gradienten spulen und Shimsystemen ausgestattet. Insbesondere in den bildge benden Apparaturen, kann es ohne Hardwareprobleme in die beste hende Software integriert werden, insbesondere kann es der eigentli chen Messung vorgeschaltet werden, aber auch in diese vollständig integriert sein, so daß das Feld während eines Untersuchungspro gramms neu homogenisiert wird. Wie weiter oben bereits ausgeführt, kann die Homogenisierung einzeln für getrennte Untersuchungsteilbe reiche erfolgen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Verfah ren für zwei vorzugsweise orthogonale Richtungen, z. B. x, y, durchge führt und es geht ihm, ggf. inklusive Schritt A) ein Scheibenselektionsschritt voran, der im Untersuchungsobjekt eine Scheibe senkrecht zu einer Richtung, z. B. z, selektiert. Die selektierte Scheibe kann im allge meinen Fall auch geneigt zu ausgezeichneten Achsen liegen.

Alternativ wird ihm ggf. inklusive Schritt A) ein Volumenselektionsschritt vorangehen, der im Untersuchungsobjekt ausgewähltes Volumen se lektiert.

Bei Mehrfachvolumenexperimenten bzw. Mehrfachscheibenexperi menten werden mehrere Sätze von Korrekturgradientenfeldern ermit telt, die unterschiedlichen Volumina bzw. Scheiben zugeordnet sind.

Aus den ermittelten Korrekturgradientenmagnetfeldern können Korrek turströme zum Einspeisen in Shimspulen der Apparatur ermittelt wer den.

Alternativ oder auch zusätzlich können aus den ermittelten Korrektur gradientenmagnetfeldern Offsetströme zum Einspeisen in Gradienten spulen der Apparatur ermittelt werden. Dadurch lassen sich diese Ströme besonders einfach auch während eines Pulsprogramms verän dern.

In einer Ausführungsform umfaßt die Probe biologisches Gewebe. Die obengenannten Vorteile der Erfindung wirken sich besonders positiv aus, bei nicht homogenen Proben mit Fett- und Wasseranteil, deren Position ggf. nicht exakt bekannt ist. Dies trifft auf biologische Proben wie Versuchstiere oder auch menschliche Patienten zu.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Zeichnungen und der Beschrei bung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß einzeln für sich und zu meh reren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Cha rakter für die Schilderung der Erfindung.

Die Erfindung ist in Zeichnungen dargestellt und wird anhand von Aus führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch drei HF-Anregungen, Phasengradienten und Meß signale für drei orthogonale Richtungen;

Fig. 2 Pulssequenz mit integrierter Scheibenselektion.

Fig. 1 zeigt in der ersten Zeile schematisch den zeitlichen Verlauf eines angeregten NMR-Signals nach den Zeitpunkt eines Hochfrequenzanre gungspulses (t = 0), der hier jeweils durch einen vertikalen, schwarzen Balken symbolisiert ist. Die sich jeweils anschließenden vier Kurven sollen die von der Stärke des jeweiligen Phasengradienten abhängigen Verläufe der Signaleinhüllenden nach der Anregung darstellen. Sie sind noch jeweils durch die überlagerten, zu bestimmenden Feldinhomoge nitäten des Magnetfelds B₀ leicht unterschiedlich modifiziert (nicht dar gestellt). Zum Zeitpunkt t_d erfolgt jeweils die Messung. In Fig. 1 sind die Zeiten t_d für alle Richtungen gleich, dies ist jedoch nicht zwingend.

In der zweiten Zeile der Fig. 1 ist jeweils der zeitliche Verlauf der Pha sengradienten dargestellt. Im Beispiel wird der Phasengradient erst nach dem HF-Puls eingeschaltet und steht während der Datenaufnah me an. Dies ist nicht zwingend. Wichtig ist nur, daß das Integral der Gradientenstärke im Intervall zwischen HF-Puls (t = 0) und Datenauf nahme (t = t_d) systematisch variiert wird und daß für jede Richtung t_d konstant bleibt. Wenn der Gradient im gesamten Intervall konstant an steht, entspricht der für eine Richtung (Spalte in Fig. 1) ermittelte opti male Gradient direkt dem Kompensationsgradienten. Ansonsten ist er nur proportional zu diesem. Der Zusammenhang ist jedoch von einem Fachmann in jedem Fall leicht zu berechnen.

In der dritten Zeile der Fig. 1 ist für eine hypothetische Inhomogenität die Abhängigkeit der jeweils gemessenen Signalstärke von der einge stellten Gradientenstärke (allgemeiner: Integral) dargestellt. In x- Richtung (1. Spalte) ist die Probe homogen, d. h. das maximale Signal wird für G_x = 0 erhalten, es ist kein Korrekturgradientenmagnetfeld für diese Richtung nötig.

In y-Richtung (2. Spalte) ergibt sich ein Maximum des Signals bei ne gativem Gradienten G_y. Es ist zur Kompensation ein Gradientenma gnetfeld anzulegen, das proportional zum für das Signalmaximum er mittelten G_y ist. Die Proportionalitätskonstante hängt vom Verlauf von G_y im Intervall von t = 0 bis t = t_d (2. Zeile, 2. Spalte) ab. Falls G_y in die sem Intervall konstant eingeschaltet bliebe, wäre sie exakt 1.

In z-Richtung (3. Spalte) ergibt sich ein Maximum des Signals bei posi tivem Gradienten G_z. Es ist entsprechend zur Kompensation ein Gra dientenmagnetfeld anzulegen, das proportional zum für das Signalma ximum ermittelten G_zist. Die Proportionalitätskonstante hängt vom Verlauf von G_z im Intervall von t = 0 bis t = t_d (2. Zeile, 2. Spalte) ab. Falls G_z in diesem Intervall konstant eingeschaltet bliebe, wäre sie ex akt 1.

In Fig. 2 ist schematisch ein zweidimensionales Shimverfahren mit inte grierter Scheibenselektion dargestellt. Der selektive Anregungspuls er folgt in Anwesenheit eines Scheibenselektionsgradienten G_s (z. B. Scheibe senkrecht zur z-Richtung), dessen dephasierender Einfluß in bekannter Weise durch Gradienteninversion anschließend kompensiert wird. Zum festen Zeitpunkt t_d nach der Anregung wird das Kernreso nanzsignal ausgelesen. Im Intervall zwischen Anregung (t = 0) und Da tenaufnahme (t = t_d) wirkt ein Phasengradient, der innerhalb der durch den Scheibenselektionsgradienten G_s ausgewählten Scheibe zwei i. a. zueinander orthogonale (z. B. x, y) Komponenten G_p1, G_p2 aufweist. Das Experiment wird mit systematisch variierierten Komponenten G_p1, G_p2 des Phasengradienten wiederholt, wobei die anderen Parameter (Anregung, Scheibenselektion, Detektionszeitpunkt t_d) fest bleiben. Anschlie ßend wird, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert, jeweils ein Si gnalmaximum für die beiden Richtungen der Komponenten G_p1 und G_p2 des Phasengradienten ermittelt und jeweils ein Wert für ein Kompensa tionsgradientenmagnetfeld gewonnen.

Es versteht sich, daß die im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebene Integration des erfindungsgemäßen Verfahrens in ein Experiment der Scheibenselektion nur beispielhaften Charakter hat. Der Fachmann er kennt, daß das Verfahren mit vielen in der magnetischen Resonanz üblichen Pulssequenzen kombiniert bzw. in diese integriert werden kann.

Claims

1. Verfahren zum Korrigieren linearer Magnetfeldinhomogenitäten eines bereits nahezu homogenen Magnetfelds B₀ im Untersu chungsvolumen einer Apparatur der magnetischen Resonanz, wobei in einer im Untersuchungsvolumen angeordneten Probe durch einen Hochfrequenzpuls magnetische Resonanz angeregt wird, mindestens ein zusätzliches, lineares magnetisches Gra dientenfeld angelegt und ein magnetisches Resonanzsignal ge messen wird, mit folgenden Schritten:

A) Auf die Probe wird ein Anregungshochfrequenzpuls ein gestrahlt;
B) Ein Phasengradient G_ix in einer vorgegebenen Richtung x wird angelegt;
C) Zu einem festen Zeitpunkt t_dx nach dem Anregungshoch frequenzpuls wird ein Wert S_ix des von der Probe ausge henden magnetischen Resonanzsignals gemessen, digi talisiert und abgespeichert;
D) Die Schritte A) bis C) werden mehrmals mit systematisch geänderter Starke des Phasengradienten G_ix wiederholt;
E) Die Werte der gemessenen Resonanzsignale S_i werden verglichen und daraus ein Maximalwert S_xmax bestimmt, dem eine bestimmte Stärke G_xmax des Phasengradienten zugeordnet ist;
F) Aus der so bestimmten Stärke G_xmax des Phasengradien ten wird ein lineares Korrekturgradientenmagnetfeld B(x) für die vorgegebene Richtung x ermittelt;
G) In folgenden Messungen der magnetischen Resonanz in der Apparatur wird das Korrekturgradientenmagnetfeld B(x) zur Homogenisierung des Magnetfeldes B₀ im Unter suchungsvolumen angelegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es analog für eine weitere vorgegebene Richtung y durchgeführt wird, die vorzugsweise senkrecht auf der Richtung x steht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es analog für eine weitere vorgegebene Richtung z durchgeführt wird, die vorzugsweise senkrecht auf den Richtungen x und y steht.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Signalmaximum S_xmax, S_ymax, S_zmax je weils das maximale gemessene Signal aller S_ix, S_iy bzw. S_iz ver wendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß als Signalmaximum S_xmax, S_ymax, S_zmax jeweils das Maximum einer glatten Funktion S_x(G_x), S_y(G_y), S_z(G_z) verwendet wird, die an die gemessenen Gradientenstärken in der Umge bung des Maximums vorzugsweise durch eine Gaußfunktion an gefittet wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens für eine Richtung (x, y, z) die Schritte A) bis E) in der Umgebung der ermittelten Signalmaxima mit kleinerer Schrittweite der Gradientenstärke wiederholt und dadurch ein verfeinerter Wert der Signalmaxima ermittelt wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens für eine Richtung (x, y, z) die Schritte A) bis E) für ein verändertes, vorzugsweise verlängertes t_dx, t_dy bzw. t_dz wiederholt wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein Verfahren der kernmagneti schen Resonanz handelt.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es in ein Verfahren der bildgebenden ma gnetischen Resonanz integriert ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren für zwei vorzugsweise orthogonale Richtungen, z. B. x, y, durchgeführt wird und ihm, ggf. inklusive Schritt A) ein Schei benselektionsschritt vorangeht, der im Untersuchungsobjekt eine Scheibe senkrecht zu einer Richtung, z. B. z selektiert.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ihm ggf. inklusive Schritt A) ein Volumenselektionsschritt vorangeht, der im Untersuchungsobjekt ein ausgewähltes Volumen selektiert.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß für Mehrfachvolumenexperimente mehrere Sätze von Korrekturgra dientenfeldern ermittelt werden, die unterschiedlichen Volumina zugeordnet sind.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus den ermittelten Korrekturgradienten magnetfeldern Korrekturströme zum Einspeisen in Shimspulen der Apparatur ermittelt werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, daß aus den ermittelten Korrekturgradientenmagnetfel dern Offsetströme zum Einspeisen in Gradientenspulen der Ap paratur ermittelt werden.

15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe biologisches Gewebe umfaßt.

16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe sehr kurze Relaxationszeiten T₁ und/oder T₂ aufweist.