DE3343966A1 - Verfahren zum messen der magnetischen kernresonanz fuer die nmr-tomographie - Google Patents

Description

Verfahren zum Messen der magnetischen Kernresonanz für die HMR-T omograph ie

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zum Messen der magnetischen Kernresonanz nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 .

Ein solches Verfahren ist aus der DE-OS 32 09 810 bekannt. Bei dem "bekannten Verfahren werden die einzelnen Bildsignal-Sätze zur Erzeugung von getrennten Querschnittsbildern verwendet, die unterschiedliche Details liefern, weil sich die Intensitäten der Induktionssignale aus unterschiedlichen Körperbereichen, in denen die Relaxationszeiten T^ und/

oder Tp verschieden sind, zeitlich unterschiedlich ändern. Außerdem ist es aus der DE-OS 32 09 810 "bekannt, aus der Variation der den einzelnen Bildpunkten zugeordneten Bildsignale die Relaxationszeit T. "bzw. Tp zu "berechnen und einerseits nur Gebiete mit "bestimmter Relaxationszeit darzustellen und andererseits die Intensität sämtlicher Bildpunkte der einzelnen Bilder anhand der den Relaxationszeiten entsprechenden e-Funktionen zu korrigieren und dadurch ohne Verlängerung der Meßzeit eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses und somit der Bildqualität zu erzielen.

Obwohl also das bekannte Verfahren die Möglichkeit bietet, Bilder hoher Qualität mit unterschiedlichem Informationsinhalt zu gewinnen, ist es für die Praxis des Mediziners noch nicht befriedigend. Die Anfertigung einer Mehrzahl von Bildern ist mit einem hohen Dokumentationsaufwand verbunden. Außerdem bedarf es zur Interpretation einer Anzahl unterschiedlicher Bilder einer besonders großen Erfahrung. Es sind genaue Kenntnisse der physikalischen Vorgänge bei der Bilderzeugung erforderlich, um die Bilder richtig interpretieren zu können. Die NMR-Tomographie ist jedoch auf dem Wege, sich zu einem Diagnosemittel zu entwickeln, das der Facharzt auch ohne besondere Kenntnis der physikalischen Vorgänge nutzen können soll. Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die Erzeugung eines einzigen Bildes gestattet, welches eine möglichst umfassende, deutliche und leicht verständliche Information liefert.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs beschriebenen Verfahren gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also nicht eine Mehrzahl unterschiedlicher Bilder angefertigt, sondern unter Verwendung der ermittelten Punktionen ein Bild für einen Zeitpunkt "berechnet, der vor dem Meßzeitpunkt, also gewissermaßen in einem negativen Zeitbereich, liegt. Ein solches Bild entspricht keinem realen Zustand, weist jedoch aufgrund der ins Negative extrapolierten Relaxation besonders große Unterschiede in den Intensitäten der Bildsignale und damit einen "besonders hohen Kontrast auf, und zwar insbesondere von solchen Gewebebereichen, die sich nur wenig durch ei ie Dichte der angeregten Kernspins unterscheiden, dagegen im wesentlichen durch die Relaxationszeiten, wie es "bei erkrankten und gesunden Bereichen eines gleichen Organs gewöhnlich der Fall ist. Daher lassen sich unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens Bilder erzeugen, die kranke und gesunde Gewebe mit einer Deutlichkeit erkennen lassen, wie es "bisher nicht möglich war.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sich auf die Erzeugung weniger SchnittMlder und damit weniger Bildsignale pro Bildpunkt "beschränken, weil schon wenige Bildpunkte ausreichen, um einen für die Extrapolation geeigneten Funktionszusammenhang aufzuzeigen. Wie "bekannt, gehorchen Relaxationsvorgänge prinzipiell einer e-Funktion. Demgemäß kann auch der Extrapolation eine e-Funktion zugrundegelegt werden. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare Kontrasterhöhung kann aber auch unter Verwendung einer Superposition von mehreren e-Funktionen oder anderer, gewillkürter Funktionen erfolgen. Es erscheint durchaus möglich, daß gezielte Diagnosen die Anwendung unterschiedlicher Funktionen verlangen, um in bestimmten, besonders interessierenden Bereichen die erwünschte Kontrastverstärkung zu

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erzielen. Im einfachsten Fall könnte schon die Aufnahme und Erzeugung der Bildsignale zweier Schnittbilder ausreichen, so daß für jeden Bildpunkt zwei Bildsignale zur Verfugung stehen, die durch "beliebige Punktionen verbunden werden können.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die gleichen Impulsfolgen verwendet werden, wie sie auch hei der normalen NMR-Spektrographie zur Ermittlung der Relaxationszeiten verwendet werden, also insbesondere im Falle von T* die DEFT-Folge (siehe E.D. Becker et al in J. Amer. Chem. Soc, Bd. 91 (1969), S. 7784) und entsprechende Varianten bzw. im Fall von T₂ eine Carr-Purcell-Folge mit oder ohne (H. 11-Meiboom-Modifikation. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Impulsfolge eine Spin-Echo-Folge verwendet, insbesondere eine modifizierte Carr-Purcell-Folge, die gemäß der Spin-Spin-Relaxationzeit Tp variierende Bildpunkte liefert, und es geht dem durch den 90°-Impuls definierten Meßpunkt eine solche Erholzeit voraus, daß durch unterschiedliche Spin-G-itter-Relaxationszeiten T. bedingte Intensitätsunterschiede im Meßzeitpunkt noch deutlich vorhanden sind. In diesem Fall spiegeln die Intensitäten im Meßzeitpunkt die longitudinale Relaxationszeit T.. wider, während der Kurvenverlauf sich nach der die tranversale Relaxation beschreibenden Funktion richtet. Das künstlich erzeugte Bild enthält daher eine Information über beide Relaxationszeiten. Daher werden die in unterschiedlichen Relaxationszeiten T^ und T₂ liegenden Informationen im Bild gleichzeitig erfaßt. Bei den herkömmlichen Methoden können sich dagegen diese beiden Informationen eher gegenseitig wieder aufheben.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend anhand der Zeichnung näher "beschrieben und erläutert. Es zeigen

Pig. 1 ein Diagramm zur Erläuterung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugtes Schnittbild (a) im Vergleich zu nach herkömmlichen Verfahren erzeugten SchnittMldern (b) bis (e).

Wie allgemein aus der NMR-Spektrometrie bekannt, beschreibt die longitudinale Relaxationszeit T> den Wiederaufbau der Magnetisierung in der longitudinalen BQ-Richtung nach einem 90°- oder 180°-Anregungs- oder Störimpuls, durch den der Gleichgewichtszustand der longitudinalen Magnetisierung gestört wird. Die sich gemäß T. wiederherstellende longitudinale Magnetisierung bestimmt die Intensität des Induktionssignales nach Anlegen eines zweiten 90°-Impulses als Nachweis impuls. Pig. 1 zeigt die gestrichelten Kurven 1 bie. 4, welche die Wiederherstellung der longitudinalen Magnetisierung und damit die Intensität des Echosignales als Punktion der Zeit nach Anlegen eines 90°-Störimpulses wiedergeben. Wie ersichtlich, haben die den Kurven Ibis 4 entsprechenden Signale nach Wiederherstellung der Magnetisierung annähernd die gleiche Intensität, was darauf zurückzuführen ist, daß allen Kurven im wesentlichen die gleiche Kernspindichte zugrundeliegt, die ebenfalls.die Intensität des Induktionssignales bestimmt. Die starken Unterschiede in den Signalintensitäten im stark gekrümmten Bereich der Kurven bis 4 spiegeln also die unterschiedlichen longitudinalen Relaxationszeiten T^ wider.

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Anstelle eines einzigen Nachweisimpulses kann eine Spin-Echo-Polge verwendet werden, die eine Ermittlung der transversalen Relaxationszeit Tp gestattet. Fig. 1 zeigt die Ergebnisse beim Anlegen einer Carr-Purcell-Polge zu verschiedenen Meßzeitpunkten nach dem zur Zeit t,-. angelegten 90"-Störimpuls. Die Carr-Purcell-Polge liefert im Meßzeitpunkt t.| die von den Einhüllenden der Echosignale gebildeten Relaxationskurven 11, 12, 13 und 14 für Tp. Ähnliche Kurven für die Relaxationszeit Tp werden auch dann erhalten, wenn eine Carr-Purcell-Polge in einer der Meßzeiten tp, t-z oder t. angelegt werden, wie es die Kurven 21 bis 24, 31 bis 34 und 41 bis 44 in Pig. 1 veranschaulichen. Wie dargestellt, kommt es dabei wegen der unterschiedlichen Neigungen der Relaxationskurven zu Überschneidungen. An den Schnittstellen haben die durch die verschiedenen Kurven repräsentierten Signale die gleiche Intensität, es tritt also ein Kontrastverlust ein. Die zusätzliche Information, die in Tp steckt, wirkt also eher kontrastvermindernd als kontrasterhöhend. Anders ist es jedoch, wenn die Kurven für die Relaxationszeit Tp nach links bis über den Meßpunkt hinaus verlängert werden, wie es in Pig. 1 für die Relaxationskurven 21 bis 24 dargestellt ist, die bis über die Meßzeit tp hinaus bis zu einem Zeitpunkt t-g verlängert ist, der gegenüber t£ um einen negativen Betrag At verschoben ist. Es ist deutlich erkennbar, daß die Intensitätsunterschiede nunmehr stark vergrößert sind und daher ein für die irreale Bildzeit t-g berechnetes Bild einen bedeutend erhöhten Kontrast aufweist. Es sei noch darauf hingewiesen, daß in Pig. 1 die Signalintensität im logarithmischen Maßstab dargestellt ist, so daß die den Relaxationszeiten T2 entsprechenden Exponentialfunktionen sich als Gerade darstellen.

Die in Pig. 1 veranschaulichten Kurven geben qualitativ die Relaxationszeiten der Induktionssignale wieder, welche von menschlichem Kopfgewebe geliefert werden, nämlich die Kurven 1, 11, 21, 31 und 41 die Intensität der vom Liquor gelieferten Induktionssignale, die Kurven 2, 12, 22, 32 und 42 die von Tumorgewebe gelieferten Induktionssignale, die Kurven 3j 13, 23, 33 und 43 die von gesundem Hirngewebe gelieferten Induktionssignale und die Kurven 4, 14, 24, 34 und 44 die von Fettgewebe gelieferten Induktionssignale. Pig. 2 zeigt NMR-Bilder, die einen Sagittal-Schnitt durch einen menschlichen Kopf wiedergeben. Bild (a) in Pig· 2 ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt, indem die Kernspins 860 ms nach Anlegen eines 90°-Störimpulses eine Carr-Purcell-Impulsfolge ausgesetzt wurden. Die für die einzelnen Bildpunkte gewonnenen Bildsignale wurden nach einer e-Punktion rückwärts um 180 ms über den Meßzeitp\inkt hinaus extrapoliert, so daß der Zeitpunkt der Bildaufnahme bei -180 ms liegt. Das Bild (a) läßt deutlich erkennen, daß sich in dem hell wiedergegebenen Hirngewebe 51 ein großes Ödem 52 befindet, in dem sich wiederum ein Nekrose-Bereich 53 befindet, der von einem Ring hellen Tumorgewebes 54 umgeben ist. Die hohen Kontraste zwischen Gehirn, Ödem, Tumor und Nekrose ermöglichen auf einen Blick eine sehr sichere Diagnose.

Im Gegensatz dazu stellen die Bilder (b) bis (e) Schnittbilder herkömmlicher Art dar, die aus den Induktionssignalen der Carr-Purcell-Impulsfolge zu verschiedenen Zeitpunkten nach dem Meßzeitpunkt erhalten worden sind. Das Bild (b) gibt den Zustand 49 ms, das Bild (c) den Zustand 133 ms, das Bild (d) den Zustand 217 ms und das Bild (e) den Zustand 301 ms nach dem Meßzeitpunkt wieder. Obwohl sich die BiI-

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der (ti) bis (e) entsprechend der transversalen Relaxation voneinander erheblich unterscheiden, zeigt keines der Bilder die Gesamtinformation, welche dem nach der Erfindung erhaltenen Bild (a) zu entnehmen ist. Im Bild (b) unterscheidet sich das Ödem 52 kaum von dem gesunden Hirngewebe 51, und es ist auch der von der Nekrose 53 gebildete, etwas dunklere Fleck nicht ohne weiteres deutbar, weil keine Spur von dem die Nekrose ringförmig umgebenden Tumor erkennbar ist. Mit zunehmender Relaxationszeit tritt zwar das Ödem 52 immer deutlicher hervor, jedoch ist im Bild (c) der in Bild (b) die Nekrose wiedergebende dunkle Fleck 53 verschwunden, so daß eine Deutung hier noch schwieriger ist. Bei den weiteren Aufnahmen verschwindet in zunehmendem Maße das gesunde Gewebe, wodurch eine Deutung des Bildes immer schwieriger wird, und es ist trotzdem im Bereich des Ödems die für einen Tumor typische Ringstruktur mit der zentralen Nekrose nicht klar erkennbar.

Das vorstehende Beispiels macht deutlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines einzigen Bildes führt, dessen Informationsgehalt den Informationsgehalt der bisher erzeugten Bildsätze erheblich überschreitet und daher sowohl eine schnellere und trotzdem genauere Diagnose ermöglicht als auch den Dokumentationsaufwand bedeutend vermindert.

Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf das beschriebene Anwendungsbeispiel beschränkt ist, sondern die Verwendung unterschiedlicher Impulsfolgen sowie die Wahl der Meß- und negativen Extrapolationszeiten viele Variationsmöglichkeiten bieten, durch die das erfindungsgemäße Verfahren auch spezifischen Untersuchungen optimal angepaßt werden kann.

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Claims (3)

1. Patentansprüche

   Verfahren zum Messen der magnetischen Kernresonanz in ausgewählten Bereichen eines Körpers zum Zwecke der zwei- oder dreidimensionalen Bilddarstellung (NMR-Tomographie), bei dem

   zunächst die in den ausgewählten Bereichen des Körpers befindlichen Kernspins einer ausgewählten Art einem statischen Magnetfeld und mindestens einem überlagerten G-radientenfeld ausgesetzt und mittels einer Impulsfolge selektiv angeregt werden, welche die Kernspins veranlaßt, in einem Durchgang eine Anzahl zeitlich aufeinanderfolgender Induktionssignale zu liefern, und

   dann die jeweils gemäß ihrer zeitlichen Folge einander entsprechenden Induktionssignale rechnerisch zu je einem Satz von Bildsignalen verarbeitet werden, die der Intensität der Induktionssignale in zugeordneten Volumenelementen des Körpers proportional sind,

   so daß bei einer einzigen Messung mehrere Bildsignal-Sätze erzeugt werden, die einer Folge von Schnittbildern entsprechen, die sich voneinander durch die gemäß der Relaxationszeit T.. oder Tp variierende Intensität der Induktionssignale unterscheiden,

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   dadurch gekennzeichnet,

   daß für jeden einem einzelnen Volumenelement des
   Körperquerschnittes zugeordneten Bildpunkt eine Punktion "bestimmt wird, welche die zeitliche Variation der diesem Bildpunkt zugeordneten Bildsignale in den
   verschiedenen Bildsignal-Sätzen "beschreibt, und daß
   dann ein weiterer Satz Bildsignale erzeugt und zur
   Darstellung eines Schnittbildes verwendet wird, indem die ermittelten Punktionen "bis zu einem vorgegebenen, vor dem durch den Beginn einer Impulsfolge nach einem ersten Ausgangs impuls "bestimmten Meßzeitpunkt liegenden Zeitpunkt extrapoliert werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Funktion eine der zeitlichen Variation der Bildpunkte angenäherte e-Funktion "bestimmt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Impulsfolge eine Spin-Echo-Folge verwendet wird, die gemäß der Spin-Spin-Relaxationszeit Tp
   variierende Bildpunkte liefert, und der durch ihren
   ersten Impuls definierte Meßpunkt in einen solchen
   Abstand vom Ausgangsimpuls gelegt wird, daß durch
   unterschiedliche Spin-Gitter-Relaxationszeiten T.
   bedingte Intensitätsunterschiede im Meßzeitpunkt noch deutlich vorhanden sind.