DE3518950A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen mehrdimensionaler abbildungen in der nmr-tomographie - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erzeugen mehrdimensionaler abbildungen in der nmr-tomographie

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Bernhard Dipl.-Phys. Dr.rer.nat 7512 Waldbronn Ströbel
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Bruker Biospin MRI GmbH
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Bruker Medizintechnik GmbH
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/44Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
    • G01R33/48NMR imaging systems
    • G01R33/4818MR characterised by data acquisition along a specific k-space trajectory or by the temporal order of k-space coverage, e.g. centric or segmented coverage of k-space
    • G01R33/482MR characterised by data acquisition along a specific k-space trajectory or by the temporal order of k-space coverage, e.g. centric or segmented coverage of k-space using a Cartesian trajectory
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Description

  • Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen mehrdimensionaler
  • Abbildungen in der NMR-Tomographie Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen mehrdimensionaler Abbbildungen in der NMR-Tomographie, bei dem die zu messende Probe einem entlang einer ersten Koordinatenachse gerichteten Magnetfeld hoher Feldstärke und Homogenität ausgesetzt wird, alsdann Kernspins der Probe durch Einstrahlen eines oder mehrerer Hochfrequenzimpulse um einen Winkel aus der Richtung der Koordinatenachse ausgelenkt und beim Relaxieren der Kernspins zurück in die Richtung der Koordinatenachse Meßsignale erzeugt werden, wobei durch Einschaltung von magnetischen Gradientenfeldern entlang mehrerer Koordinatenachsen die Messsignale entsprechend vorgegebener Raumebenen, -linien oder -punkte codiert werden und schlieB-lich aus den codierten Meßsignalen eine mehrdimensionale Abbildung einer oder mehrerer Querschnittsflächen der Probe erzeugt wird.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Erzeugen mehrdimensionaler Abbildungen in der NMR-Tomographie, mit einem ersten Magnetsystem zum Erzeugen eines ersten Magnetfeldes hoher Intensität und Homogenität in einem von einem Halter für eine Probe, insbesondere einen lebenden menschlichen oder tierischen Körper, definierten Raum, mit einem Magnetspulensystem zum Erzeugen von Gradientenfeldern in gleicher oder unterschiedlicher Richtung bezogen auf die Richtung des ersten Magnetfeldes, mit Hochfrequenz-Sendespulen zum Einstrahlen impulsförmiger Hochfrequenzfelder in den Probenraum, mit Hochfrequenz-Empfangsspulen zum Empfangen von von der Probe abgegebenen Meßsignalen, mit Stromversorgungseinheiten zum Ansteuern der Magnetspulensysteme, mit einem Hochfrequenz-Impulsgenerator zum Ansteuern der Hochfrequenz-Sendespulen, mit einer Steuereinheit für die Stromversorgungseinheiten und den Hochfrequenz-Impulsgenerator, und mit einer Auswerteeinheit für die Verarbeitung der von den Hochfrequenz-Empfangsspulen empfangenen Signale, die mit der Steuereinheit zusammenwirkt und die Abbildungen erzeugt.
  • Das Verfahren und die Vorrichtung der vorstehend genannten Art sind aus der sogenannten NMR-Toarapie bekannt, wobei die Buchstaben NMR für "Nuclear Magnetic Resonance" stehen.
  • Wird die zu untersuchende Probe, beispielsweise ein lebender menschlicher oder tierischer Körper in das Magnetfeld hoher Intensität und Homogenität gebracht, richten sich die Kernspins entlang der Koordinatenrichtung dieses Peldes aus.
  • Durch Einstrahlen von impulsförmigen Hochfrequenz-Magnetfeldern wird nun die Probe "angeregt", d.h. die Kernspins werden aus der durch die Richtung des Magnetfeldes definierten Richtung ausgelenkt.
  • Bislang hat man in der NMR-Tomographie ausschließlich sogenannte "90°-Impulse" verwendet, d.h. Impulse, unter deren Wirkung die Kernspins gerade um 90" aus der üblicherweise mit z bezeichneten Richtung des Magnetfeldes in die sogenannte x, y-Ebene ausgelenkt werden, so daß die vor dem Einstrahlen des Impulses ausschließlich longitudinal gerichtete Magnetisierung in eine vollständige transversale Magnetisierung umgewandelt wird. Nach dem Ende des Impulses bildet sich entlang einer Exponentialfunktion der Ausgangszustand wieder zurück, wobei die Zeitkonstante als longitudinale Relaxationszeit T1 bezeichnet wird. Die longitudinale Relaxationszeit derjenigen Substanzen, die für die NMR-Tomographie von Interesse sind, d.h. die Relaxationszeiten von Körperflüssigkeiten, Gewebe und Knochen liegen in der Größenordnung zwischen 0,5 und 2 Sekunden.
  • Da man in der NMR-Tomographie komplette Querschnittsbilder darstellen will, benötigt man für jede Messung eine Anzahl von Einzelmessungen, die von der gewünschten Auflösung der Bilddarstellung abhängt. Will man beispielsweise eine Bildmatrix von 256 x 256 Bildpunkten erzeugen, benötigt man hierzu 256 Einzelmessungen.
  • Bei den bisher ausschließlich verwendeten 90°-Impulsen für die Anregung der Probe bedeutet dies, daß die Anregunssimpulse aufeinanderfolgender Einzelmessungen zeitlich mindestens so weit beabstandet werden müssen, daß die angeregten Kernspins wenigstens näherungsweise wieder in ihre Ausgangslage zurückkehren. Dies bedeutet, daß zwischen den Rinzelimpulsen eine Zeit abgewartet werden muß, die größenordnungsmäßig der longitudinalen Relaxationszeit entspricht. Beträgt diese ca. eine Sekunde und sind 256 Einzelmessungen erforderlich, bedeutet dies, daß zum Erzeugen eines vollständigen Querschnittsbildes eine Zeit von ca. 5 Minuten erforderlich ist.
  • Man kann zwar auch ohne Rücksicht auf die noch nicht vollständige Relaxation der Kernspins die Repetitionszeit zwischen den Einzelmessungen auf Werte verkürzen, die kleiner als die Relaxationszeit sind, in diesen Fällen stellt sich jedoch eine drastische Verschlechterung der Signal intensität ein. So kann man typischerweise damit rechnen, daß bei einer longitudinalen Relaxationszeit von einer Sekunde und einer verkürzten Repetitionszeit von 20 ms nur noch eine Signalintensität von 2 verbleibt. Angesichts des bei Tomographie-Messungen ohnehin ungünstigen Signal/Rauschverh+ltnisses sind derartige Messungen praktisch nicht mehr auswertbar.
  • Andererseits sind die Zeiten von ca. 5 Minuten z,lm Erstellen einer vollständigen und auswertbaren Querschnittsabbildung deswegen problematisch, weil bei lebenden Meßobjekten innerhalb dieser 5 Minuten zahlreiche Störungen auftreten, beispielsweise Artefakte durch Atmllr, rfi IJnruole les Patienten ( tl.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren und die Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß komplette und auswertbare Querschnittsdarstellungen in wesentlich kürzerer Zeit möglich werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgeinäß gemäß dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, daß die Hochfrequenzimpulse in ihrer Amplitude oder zeitlichen Dauer derart eingestellt sind, daß der Winkel kleiner als 90°, typischerweise 5° bis 25° beträgt. Es können auch andere, beliebige Winkel verwendet werden, die von 90" abweichen, also auch Winkel die größer als 90" sind, wie dies noch erläutert wird.
  • Gemäß der eingangs genannten Vorrichtung wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, daß der Hochfrequenz-Impulsgenerator Mittel zum Einstellen der zeitlichen Dauer und/oder der Amplitude der Hochfrequenz-Impulse auf einen Wert aufweist, bei dem ausgewählte Kernspins der Probe um einen Winkel aus der Richtung des ersten Magnetfeldes ausgelenkt werden, der kleiner als 90°, typischerweise 50 bis 250 beträgt.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird damit vollkommen gelöst.
  • Durch die grundsätzliche Abkehr der seither ausschließlich verwendeten 90°-Impulse zur Verwendung in der NMR-Tomographie wird auf überraschend einfache Weise ein Ergebnis erzielt, bei dem komplette und auswertbare Querschnittsdarstellungen bereits bei einer Gesamtmeßzeit von 5 Sekunden erzielbar sind. Diese Meßzeit ist physiologisch unproblematisch, weil es beispielsweise durchaus einem Patienten zugemutet werden kann, während einer sehr kurzen Zeitdauer von 5 Sekunden den Atem anzuhalten, wie dies auch seit jeher bei Röntgenaufnahmen der Fall ist.
  • Auf diese Weise ergeben sich völlig nee Anwendungsbereiche für die NMR-Tomographie und zwar sowohl für orientierende Messungen mit verhältnismäßig grober Auflösung wie auch für Feinmessungen mit sehr hoher Auflösung. Bei den genannten Meßzeiten von nur 5 Sekunden können auch therapiebegleitende Messungen durchgeführt werden, beispielsweise um den Fortgang einer Operation, einer Geburt oder dergleichen zu überwachen.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine zweidimensionale Abbildung von n x n Bildpunkten aus den Meßsignalen erzeugt, die sich beim n-maligen aufeinanderfolgenden Einstrahlen der Hochfrequenzimpulse unter jeweiligem Umschalten der Gradientenfelder ergeben.
  • Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß auf die kiirzest mögliche Art eine komplette Bilddarstellung erfolgt, weil unmittelbar aufeinanderfolgende Anregungsimpulse zur Verarbeitung der Bildpunkte herangezogen werden.
  • Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß bei vorgegebener longitudinaler Relaxationszeit T1 eines Bestandteiles der Probe die Wiederholzeit TR aufeinanderfolgender Tmpll1se und der Winkel P so eingestellt werlen, lal3 sich ein Gleichgewichtszustand einstellt, bei dem die Zunahme an Magnetisierung der Kernspins durch Einwirkung eines Impulses gerade so groß ist wie die Abnahme an Magnetisierung durch longitudinale Relaxation während der Dauer der Wiederholzeit TR.
  • Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß es sich bereits nach wenigen Anregungsimpulsen ein Gleichgewichtszustand einstellt, der kontinuierliche Messungen ermöglicht.
  • Besonders bevorzugt bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, wenn der Winkel P nach der Beziehung P = arc cos exp (TR/T1) eingestellt wird.
  • Diese Maßnahme hat nämlich den Vorteil, daß sich innerhalb des genannten Gleichgewichtszustandes derjenige Zustand einstellt, bei dem die Signalausbeute für eine vorgegebene Relaxationszeit T1 und eine vorgegebene Wiederholzeit TR maximal ist. Auf diese Weise können nämlich dann gezielte Kontrastmessungen durchgeführt werden, indem man die Impulse oder die Wiederholzeit so einstellt, daß die interessierenden Bestandteile der Probe, deren Relaxationszeit T1 bekannt ist, gerade maximales Signal liefern.
  • Eine besonders gute Wirkung wird auch dadurch erzielt, daß der Probe Kontrastsubstanzen definierter longitudinaler Relaxationszeit T1 zugeführt werden und daß die Wiederholzeit TR und der Winkel P in Abhängigkeit von dieser Relaxationszeit eingestellt werden.
  • Diese Maßnahme hat damit den Vorteil, daß, ähnlich wie dies bei Röntgenmessungen bekannt ist, Kontrastmittel verabfolgt werden können, beispielsweise paramagnetische Ionen, deren Relaxationszeit bekannt ist und die sich bevorzugt an bestimmten interessierenden Gewebeteilen, beispielsweise malignen Tumoren ansiedeln. Durch geeignete Wahl der Kontrastsubstanz und durch geeignete Einstellung der Impulse und der Wiederholzeit kann man dann schnelle Messungen mit maximalem Kontrast durchführen.
  • Schließlich ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens noch bevorzugt, bei der die Messung der n Bildpunkte zyklisch wiederholt und die so erhaltenen Einzeldurchgänge einer Mittelwertbildung unterworfen werden.
  • Diese Maßnahme, die an sich bekannt ist, hat im vorliegenden Zusammenhang einen besonderen Vorteil. Aufgrund der bereits beschriebenen Maßnahmen sind nämlich die erfindungsgemäß durchgeführten Einzeldurchgänge um mehr als eine Größenordnung schneller als dies seither möglich war, so daß, sofern dieselbe Maßzeit wie seither zur Verfügung steht, diese Zeit dazu ausgenutzt werden kann, um durch zyklische Wiederholung der Messungen und Mittelwertbildung eine Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses zu erzielen. Man erhält dann in derselben Messzeit wie bisher komplette Querschnittsbilder mit deutlich verbessertem Signal/Rauschabstand.
  • Es versteht sich, daß die vorstehend im einzelnen genannten und die nachstehend noch erläuterten Merkmale auch jeweils für sich alleine oder in beliebiger anderer Kombination verwendet werden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Koordinatensystems zur Erläuterung der Selektion eines Bildpunktes; Fig. 1 schematische Darstellungen zur Erläuterung des bis 4 Relaxationsvorganges bei Verfahren nach dem Stande der Technik; Fig. 5 Zeitdiagramme von Magnetisierungen und Impulsen nach dem Stande der Technik; Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Signalausbeute bei Verfahren nach dem Stande der Technik; Fig. 7 Zeitdiagramme von Magnetisierungen 1md Impulsen gemäß der Erfindung; Fig. 8 eine schematische Darstellung des Relaxationsvorganges gemäß der Erfindung; Fig. 9 Diagramme zur Erläuterung der Signaloptimierung gemäß der Erfindung; Fig. 10 ein Diagramm zum Vergleich der Signalausbeute nach dem Stand der Technik und gemäß der Erfindung; Fig. 11 eine Variante der Darstellung gemäß Fig. 10.
  • Fig. 12 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • In Fig. 1 ist ein kartesisches Koordinatensystem mit aufeinander senkrecht stehende Achsen x, y, z dargestellt. In der NMR-Tomographie wird dieses Koordinatensystem üblicherweise so definiert, daß die Achse z mit der Richtung eines Magnetfeldes hoher Homogenität und Intensität zusammenfällt.
  • Durch Anlegen von Gradientenfeldern, d.h. Feldern, deren Intensität sich in Richtung einer der Achsen x, y, z ändert, lassen sich Feldprofile erzeugen, bei denen jeder Punkt im Raum in einer bestimmten Weise codiert ist. Wird nun zur Anregung einer Probe ein Hochfrequenzimpuls, d.h. ein Hochfrequenz-Magnetfeld kurzer Dauer eingestrahlt, so ergibt sich aus der Form des Impulses bzw. dessen Frequenzverteilung ein bestimmter Bereich 4 x,2 y, n z auf allen drei Achsen x, y, z, so daß insgesamt ein Volumenelement 10 definiert wird, das bei entsprechender Einstellung und Präzision der Meßwerte ein nahezu punktförmiges Volumen haben kann.
  • Innerhalb des so definierten bzw. codierten Volumenelementes 10 wird eine Kernresonanz angeregt und die erhaltenen Meßsignale, die vom Spinsystem in dem Volumenelement ausgesandt werden, werden ausgewertet, so daß nach einer bestimmten Anzahl von Einzelmessungen ein bestimmter Flächen- oder Raumbereich als Bilddarstellung erzeugt werden kann.
  • Bei allen bisher bekannten Verfahren der NMR-Tomographie wird die Probe zur Anregung der Kernspins einem sogenannten 90°-Hochfrequenzimpuls ausgesetzt, der die im Gleichgewicht in der Richtung z des statischen Magnetfeldes ausgerichtete Magnetisierung der Kernspins um 90" in die x, y-Ebene dreht. Dies ist in den Fig. 2 und 3 veranschaulicht. Fig. 2 zeigt den Ruhezustand des Systems, in dem die Gesamtmagnetisierung Mo infolge des wirkenden statischen Magnetfeldes in z-Richtung zeigt, so daß die Magnetisierung M z in z-Richtung mit der Magnetisierung Mg zusammenfällt. Man spricht in diesem Falle von ausschließlich longitudinaler Magnetisierung und eine transversale, d.h. dazu senkrechte Magnetisierung Mx oder My ist Null.
  • Der 900Impuls kann unter Anwesenheit der bereits genannten Selektionsgradienten eingestrahlt werden, die zur Definition des Volumenelementes 10 dienen. Wird nur ein solcher Gradient angelegt, werden nur die Spins innerhalb einer der Bandbreite des Impulses entsprechenden Scheibe, beispielsweise der durch den AbschnittiS z definierten Scheibe senkrecht zur z-Achse angeregt.
  • Die Magnetisierung der nach dem Ende des 90°-Impulses in der xy-Ebene präzedierenden Spins erzeugt ein hochfrequentes Signal, das unter Anwesenheit sogenannter Besegradienten, d.h. beispielsweise in x oder y-Richtung wirkender Gradienten gemessen wird und Information über die räumliche Verteilung der Kernspins liefert.
  • Das hochfrequente Signal wird entweder direkt oder als sogenannter FID (free induction decay) gemessen oder es werden die unter dem Einfluß der Gradienten auseinanderlaufenden Phasen der Kernspins durch Umkehr der Gradienten oder die Wirkung eines 1800-Impulses wieder zum Zusammenlaufen gebracht, so daß ein sogenanntes Echo entsteht. Es ist auch möglich, durch wiederholte Anwendung der Gradientenumkehr oder von 180°-Impulsen mehrere Echos zu erzeugen und die entsprechenden Signale zu messen. Diese Art der Aufbereitung der Kernspins ist ans ich bekannt und nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
  • Nach Ablauf des 90°-Impulses liegt ein Zustand vor, wie ihn Fig. 7 schematisch darstellt. Die Magnetisierung Mo ist nun ausschließlich transversal, da der Impuls in seiner Breite und Amplitude so bemessen war, daß er die Magnetisierung Mg gerade um 90" drehte.
  • In Abwesenheit von Hochfrequenzimpulsen relaxiert nun die Magnetisierung Mo der angeregten Spins wieder zur z-Achse hin, wie dies Fig. 4 andeutet. Bei diesem Relaxationsprozeß geht somit die transversale Magnetisierung Mx y stetig wieder in die longitudinale Magnetisierung Mz über.
  • Die longitudinale Magnetisierung M z baut sich entlang einer exponentiellen Funktion auf, deren Zeitkonstante T als longitudinale Relaxationszeit bezeichnet wird.
  • Zum Zweck der Datenaufnahme für eine Bildaufnahme muß der Anregungsimpuls n-fach wiederholt werden, wobei von mal zu mal die Stärke und/oder Dauer der angelegten Gradientenfelder verändert wird, um nacheinander unterschiedliche Volumenelemente 10 zu erfassen. Typische Werte für n sind 128 oder 256. Der Zeitabstand zweier aufeinanderfolgender Anregungsimpulse ist üblicherweise konstant und wird als Wiederholzeit TR bezeichnet. Die Dauer der Anregungsimpulse selbst ist stets sehr klein gegenüber TR und für die nachfolgende Betrachtung können Relaxationsvorgänge während der Wirkungsdauer des Impulses vernachlässigt werden.
  • Werden nach dem 90°-Anregungsimpuls keine weiteren Hochfrequenzimpulse angelegt, so ergibt sich für die longitudinale Magnetisierung Mz eine Zeitfunktion der Form: Mz= Mo(l-exp(-t/Tl)).
  • Zum Zeitpunkt des nächsten Anregungsimpulses beträgt somit die longitudinale Magnetisierung Mz bereits wieder: Mz= MO(l-exp(-TR/T1)) Durch den nachfolgenden 90°-Anregungsimpuls wird diese Magnetisierung M z wieder vollständig in die xy-Ebene gedreht, d.h. sie geht wieder vollständig in transversale Magnetisierung über. Die Stärke der transversalen Magnetisierung unmittelbar nach dem Anregungsimpuls bestimmt die Amplitude des FID und aller eventuell nachfolgend erzeugter Echos. Sie wird daher im folgenden als Signalstärke S bezeichnet.
  • Für alle bisher bekannten Verfahren der NMR-Tomographie, die. wie bereits erwähnt, sämtlich mit 90°-Impulsen arbeiten, gilt demnach für die erzielbare Signalstärke: S=Mo(l-exp(-TRlTl)) Diese Verhältnisse sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Man erkennt in Fig. 5 mit 20 den Verlauf der longitudinalen Magnetisierung MZ, der sich zum Zeitpunkt T1 nach dem Einwirken eines ersten 90°-Impulses 22 in Richtung auf den Ausgangswert M0 zurückbildet, diesen jedoch nicht vollständig erreicht, weil zum Zeitpunkt T2 bereits wieder der nächste 900Impuls 23 einwirkt, der die longitudinale Magnetisierung Mz wieder zu Null macht, worauf sich das Spiel wiederholt, bis zum Zeitpunkt T3 der nächste 900Impuls 24 eingestrahlt wird. Die longitudinale Relaxationszeit T1 kann in der üblichen Weise aus einer Tangente 21 an den Ursprung des Verlaufes 20 ermittelt werden. Die Wiederholzeit TR ist bei der Darstellung in Fig. 5, wie auch in der Praxis, konstant.
  • Fig. 6 zeigt als graphische Darstellung einen Verlauf 30, der die weiter oben formelmäßig entwickelte Signalstärke über dem Verhältnis TROTZ angibt.
  • Die Gesamtmeßzeit für die Erstellung eines Bildes beträgt das n-fache der Wiederholzeit TR. . Die Zahl n der zu Erstellung eines Bildes mindestens notwendigen, unter verschiedenen Gradientenwerten erfolgenden Datenaufnahmen ist durch die Bildmatrixgröße und das Rekonstruktionsverfahren bestimmt. Für die vollständige Bestimmung einer Matrix mit 256 x 256 Bildpunkten nach dem sogenannten 2DFT-Verfahren (Two Dimensional-Fourier-Transform) beträgt n z.B. also 256.
  • Wenn man die Gesamtmeßzeit verkürzen will, besteht daher bei gegebener Bildmatrixgröße nur die Möglichkeit, die Wiederholzeit TR zu verkürzen. Dabei nimmt jedoch, wie man der zuletzt entwickelten Gleichung für die Signalstärke und dem Verlauf 30 in Fig. 6 entnehmen kann, die erzielbare Signalstärke bei vorgegebenem T rasch ab. Dieser Effekt ist an sich bekannt und wird in der Fachwelt als "Sättigung" bezeichnet.
  • Wie bereits weiter vorne erwähnt wurde, liegen typische Werte von T1 im menschlichen Körper im Bereich zwischen 0,5 und 2 Sekunden. Wenn eine Gesamtmeßzeit von 5 Sekunden bei n = 256 angestrebt wird, so ergibt sich mit TR = 20 ms und T1 = 1000 ms, d.h. einem Wert TR/l1 von 0,02 eine relative Signalstärke von nur noch 2%, bezogen auf die mit sehr großen Werten von TR erzielbare Signalstärke, von Messungen also, bei denen TR so groß ist, daß die Spins des interessierenden Volumenelementes 10 wieder nahezu vollständig relaxieren können. Man kann daher auf dieser Weise zwar (rein theoretisch) die in jenem Falle erforderliche Meßzeit von ca. 5 Minuten auf 5 Sekunden reduzieren, man erhält jedoch nach dem Stand der Technik einen dermaßen starken Verlust an Signalstärke, der angesichts des bei der NMR-Tomographie prinzipiell nicht sehr günstigen Signal/-Rauschverhältnisses nicht hingenommen werden kann, weil die so erzielten Bilder nicht mehr zuverlässig interpretierbar sind.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung sehen demgegenüber ein Verfahren vor, wie es nachstehend anhand der Fig. 7 bis 12 erläutert wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren löst sich nämlich grundsätzlich von der seither ausschließlich bekannten Verwendung von 90°-Anregungsimpulsen und ersetzt diese Impulse durch einen Impuls mit dem Drehwinkel P, der kleiner als 90°, vorzugsweise sehr viel kleiner ist und typischerweise im Bereich zwischen 5° und 250 liegt. Die sich dabei einstellenden Verhältnisse sind in Fig. 7 und 8 veranschaulicht.
  • Durch einen Impuls, der nur einen solch kleinen Verdrehwinkel P zur Folge hat, wird die z-Komponente der Magnetisierung nicht vollständig abgebaut (vgl. Fig. 3 beim Stand der Technik) sondern nur geringfügig reduziert. Geht man von einer Anfangsmagnetisierung Me aus, ergibt sich gemäß Fig.
  • 8 bei einer Auslenkung um den Winkel P eine verbleibende longitudinale Magnetisierung Me cosP und eine entsprechende transversale Magnetisierung Me sinP.
  • Man erkennt aus Pig. 8 ohne weiteres, daß die Zunahme an transversaler Magnetisierung mit zunehmendem Winkel P zunächst sehr groß ist und sich anschließend immer weiter vermindert. Andersherum ausgedrückt bedeutet dies, daß man bereits mit relativ kleinen Auslenkwinkeln P eine beträchtliche Signalstärke erreichen kann und daß die vollständige Auslenkung der Kernspins um 90" nur noch geringfügige Vorteile bringt.
  • Das in Fig. 7 dargestellte Meßverfahren zeigt, daß bei zyklischem Anlegen von Impulsen 41, 42, 43, die jeweils nur eine Auslenkung um den kleinen Winkel P zur Folge haben, sich ein Verlauf 40 der longitudinalen Magnetisierung ergibt, der vor Anlegen der Impulse 41, 42, 43 jeweils von dem Anfangswert Me ausgeht.
  • Geht man von einem Ausgangszustand aus, bei dem alle Kernspins in z-Richtung ausgerichtet sind, ergibt sich nach wenigen Impulsen ein Gleichgewichtszustand, der durch den Wert Me gekennzeichnet ist. Dieser dynamische Gleichgewichtszustand ist durch die Bedingung bestimmt, daß der Verlust an M z durch den Anregungsimpalls durch die während der Zeit TR erfolgende Relaxation gerade wiener ausgetJlichen wird.
  • Überträgt man diese Erkenntnis auf die eingangs genannten Gleichungen, ergibt sich für das erfindungsgemäße Verfahren eine Signalstärke von S=Mo sinp(l-exp(-TR/Tl))/(1+exp(-TR/Tl)cosp) Diese Beziehung ist in Fig. 9, parametriert nach TR/Ta aufgetragen. Man erkennt aus den Verläufen 50, 51, 52, daß diese ein ausgeprägtes Maximum aufweisen, so daß sich für jedes Wertepaar TROTZzuein Winkel P ermitteln läßt, bei dem sich eine optimale Signalausbeute ergibt.
  • Dieser Winkel beträgt POpt=arc cos(exp(-TR/T1)) Die Fig. 10 und 11 zeigen nun, welche Verbesserung sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber dem Stand der Technik ergibt.
  • Das Diagramm gemäß Fig. 10 entspricht dem Diagramm gemäß Fig. 6, allerdings ist zum Vergleich mit dem nach dem Stand der Technik erzielbaren Verlauf 30 für die Signalausbeute über dem Wertepaar TR/T noch ein Verlauf 60 für die Signalausbeute nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgetragen.
  • Man erkennt aus Fig. 10 deutlich, daß sich durch Optimierung des Winkels P in jedem Fall eine Verbesserung gegenüber den durch den Verlauf 30 dargestellten Verfahren nach dem Stand der Technik ergibt, die nur 90°-Anregungsimpulse verwendeten.
  • Fig. 11 zeigt in direktem Vergleich der beiden Verfahren den Signalgewinn in einem Verlauf 70 und man erkennt, daß sich ein dramatischer Signalgewinn für kleine Werte TR/Tl ergibt.
  • Bei dem oben durchgerechneten Beispielsfall, bei dem nach dem Stand der Technik nur eine Signalausbeute von 2 erzielbar war, ergibt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Steigerung um den Faktor 5, so daß gegenüber dem Fall ohne Sättigung (mit sehr langer Meßzeit) immerhin noch 10% Signalausbeute erzielbar sind gegenüber nur 2% nach dem Stand der Technik. Bei diesem Gewinn läßt sich aber bereits eine deutliche und zuverlässige Aussage aus den so gewonnenen Bildern erzielen.
  • Wie bereits zu Fig. 7 erläutert, sind mehrere Anregungsimpulse erforderlich, bis der dort durch den Wert Me charakterisierte Gleichgewichtszustand erreicht ist. Während dieser Einstellungsphase sinkt die Signalstärke von ihrem durch das thermische Gleichgewicht gegebenen Anfangswert von Mg sinP ab und nähert sich asymptotisch dem dynamischen Gleichgewichtswert. Das Signal/Rauschverhältnis der Bilder kann daher noch weiter verbessert werden, wenn für die Datenaufnahme zur Bildherstellung das durch Anregungen während der Einstellungsphase gewonnene Signal verwendet wird. In diesem Falle ist die Signalintensität in jedem Bildpunkt jedoch nicht mehr eine lokale Punktion der physikalischen Parameter (Spindichte, Relaxationszeiten) in dem durch den Bildpunkt dargestellten Volumenelement.
  • Es versteht sich, daß die zur Herleitung des optimalen Winkels Popt angezogenen Gleichungen verschiedene Lösungen zulassen, die außerhalb des Intervalls zwischen 0° und 9" liegen. Diese periodischen Lösungen sind selbstverständlich ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung, sie sind nur der Übersichtlichkeit halber nicht nochmals im einzelnen dargestellt worden.
  • P ist eine Funktion von exp (-TR/T1). Der Drehwinopt kel kann daher bei gegebenem TR nur auf einen bestimmten Wert von T1 optimiert werden, obwohl ein Schnittbild durch den menschlichen Körper erfahrungsgemäß Bereiche mit verschiedenen Geweben und damit verschiedenen Werten von T1 erfaßt. Dennoch ergibt sich, wie man aus Fig. 9 ersieht, auch für Bereiche mit nicht optimal angepaßtem Winkel P in vielen Fällen eine beträchtliche Signalverbesserung zu den bekannten Verfahren, bei denen P immer = \;0 war. Dies gilt insbesondere für Substanzen mit kurzen Werten von T1.
  • Man kann erfindungsgemäß durch Gabe geeigneter Kontrastmittel, die z.B. paramagnetische Ionen enthalten, die Werte von T1 in pathologischen Strukturen, z.B. Tumoren, erheblich verkürzen. Diese Strukturen treten bei Verwendung kleiner Drehwinkel P besonders signalstark und gut gegen ihre mebung kontrastiert hervor. Auch ohne Verwendung von Kontrastmitteln haben die nach dem erfindungsg'einäßen Verfahren erzeugten Bilder einen guten T1-Kontrast, wobei im wesentlichen die Gewebe mit T1-Werten unterhalb des für die Optimierung von P eingesetzten Wertes als signalstark, und oberhalb dieses Wertes als zunehmend signaischwach erschenen. Der Kontrast kann durch Variation von P vernndert und der jeweiligen diagnostischen Fragestellung angepaßt werden.
  • } . 12 zeigt noch eine Vorrichtung, wie sie zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann.
  • Mit 80 ist ein erstes Magnetspulensystem zur Erzeugung des homogenen Hauptfeldes angedeutet, das beispielsweise ein Doppel-Helmholtz-System sein kann. Mit 81 und 82 sind zwei Gradientenspulensysteme angedeutet. Auf einem Probenhalter 83 ruht eine Probe 84, beispielsweise ein lebender mensch3icher oder tierischer Körper. Oberhalb und unterhalb der Probe 84 befinden sich Sendespulen 85, deren Achse senkrecht zur Achse des ersten Magnetspulensystems 80 steht. Zu diesen beiden Achsen wiederum senkrecht sind Empfangsspulen 86 angedeutet.
  • Ein Netzgerät 87 dient zur Versorgung des ersten Magnets lensystems 80, während weitere Netzgeräte 88, 89, 90 zur Versorgung der Gradientenspulensysteme 81, 82 usw. dienen, wobei die Verbindungen der Übersichtlichkeit halber im einzelnen nicht dargestellt sind, da diese an sich bekannt sind.
  • Die Netzgeräte 87 bis 90 werden mittels einer Steuerleitung 91 von einer Steuereinheit 92 betätigt, die außerdem über ein Einstellorgan 93 einen Hochfrequenz-Impulsgenerator 94 steuert, der seinerseits an die Sendespulen 85 angeschlossen ist.
  • In entsprechender Weise sin die Empfanssp@len 86 an einen Hochfrequenz-Empfänger 95 angeschlossen, der auf eine Auswertinheit 96 arbeitet. Die Auswerteinheit 6 ist ausgangsseitig mit einem Bildschirm 97 und einen, Plotter 98 verbunlet, Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren werden in an sich bekannter Weise von der Steuereinheit 92 die Netzgeräte 87 bis 90 eingestellt und es wird auch der Impulsgenerator 94 betätigt. Allerdings wird mittels des Einstellorganges 93 eine Veränderung der Hochfrequenzimpulse gegenüber dem Stand der Technik insofern vorgenommen, als die vorstehend ausführlich geschilderten Drehwinkel P für die interessierenden Kernspins eingestellt werden.
  • Der Empfang der Messignale über die Empfangsspulen 86, den Hochfrequenzempfänger 95 und die Auswertung in der Auswerteinheit 96 sowie Anzeige auf dem Bildschirm 97 und Plotter 98 erfolgen in ebenfalls ansich bekannter Weise.

Claims (8)

  1. Patentansprüche Cl Verfahren zum Erzeugen mehrdimensionaler Abbildungen in der NMR-Tomographie, bei dem die zu messende Probe (84) einem entlang einer ersten Koordinatenaehse (z) gerichteten Magnetfeld hoher Feldstärke und Homogenität ausgesetzt wird, alsdann Kernspins der Probe (84) durch Einstrahlen eines oder mehrerer Hochfrequenzimpulse (22 bis 24, 41 bis 43) um einen Winkel (P) aus der Richtung der Koordinatenachse (z) ausgelenkt und beim Relaxieren der Kernspins zurück in die Richtung der Koordinatenachse (z) Meßsignale erzeugt werden, wobei durch Einschaltung von magnetischen Gradientenfeldern entlang mehrerer Koordinatenachsen (x, y, z) die Meßsignale entsprechend vorgegebener Raumebenen, -linien oder -punkte (10) codiert werden und schließlich aus den codierten Meßsignalen eine mehrdimensionale Abbildung einer oder mehrerer Querschnittsflächen der Probe (84) erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzimpulse (41 bis 43) in ihrer Amplitude oder zeitlichen Dauer derart eingestellt sind, daß der Winkel (P) kleiner als 90", typischerweise 5° bis 25° beträgt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweidimensionale Abbildung von n mal n Bildpunkten aus den Meßsignalen erzeugt wird, die sich beim n-maligen aufeinanderfolgenden Einstrahlen er Hochfrequenzimpulse (41 bis 43) unter jeweiliges Umschalten der Gradientenfelder ergeben.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei vorgegebener longitudinaler Relaxationszeit (Ti ) eines Bestandteiles der Probe (84) die Wiederholzeit (TR) aufeinanderfolgender Impulse (41 bis 43) und der Winkel (P) so eingestellt werden, daß sich ein Gleichgewichtszustand einstellt, bei dem die Zunahme an Magnetisierung der Kernspins durch Einwirkung eines Impulses (41 bis 43) gerade so groß ist, wie die Abnahme an Magnetisierung durch longitudinale Relaxation während der Dauer der Wiederholzeit TR.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (P) nach der Beziehung P = arc cos exp (-TR/T1) eingestellt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die zunächst nicht angeregte Probe (84) Impulse (41 bis 43) eingestrahlt werden und die vor Erreichen des Gleichgewichtszustandes erzeugten Meßsignale zur Erzeugung der Abbildung verwendet werden.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Probe (84) Kontrastsubstanzen definierter longitudinale Relaxationszeit (T1) zugefügt werden und daß die Wiederholzeit (TR) und der Winkel (P) in Abhändigkeit von dieser Relaxationszeit (T1) eingestellt werden.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der n Bildpunkte zyklisch wiederholt und die so erhaltenen Einzeldurchgänge einer Mittelwertbildung unterworfen werden.
  8. 8. Vorrichtung zum Erzeugen mehrdimensionaler Abbildungen in der NMR-Tomographie, mit einet ersten Magnetspulensystem (80) zum Erzeugen eines ersten Magnetfeldes hoher Intensität und Homogenität in einem von einer Halterung (83) für eine Probe (84), insbesondere einen lebenden menschlichen oder tierischen Körper, definierten Raum, mit weiteren Magnetspulensystemen (81, 82) zum Erzeugen von Gradientenfeldern in gleicher oder unterschiedlicher Richtung bezogen auf die Richtung des ersten Magnetfeldes, mit Hochfrequenz-Sendespulen (85) zum Einstrahlen impulsförmiger Hochfrequenz-Pelder in den Probenraum, mit Hochfrequenz-Empfangsspulen (86) zum Empfangen von von der Probe (84) abgegebenen Meßsignalen, mit Stromversorgungseinheiten (87 bis 90) zum Ansteueren der Magnetspulensysteme (80, 81, 82), mit einem Hochfrequenz-Impulsgenerator (94) zum Ansteuern der Hochfrequenz-Sendespulen (85), mit einer Steuereinheit (92) für die Stromversorgungseinheiten (87 bis 90) und des Hochfrequenz-Impulsgenerators (94), und mit einer Auswerteinheit (96) für die Verarbeitung der von den Hochfrequenz-Empfangsspulen (86) empfangenen Signale, die mit der Steuereinheit (92) zusammenwirkt und die Abbildung erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenz-Impulsgenerator (94) Mittel (93) zum Einstellen der zeitlichen Dauer und/oder der Amplitude er Hochfrequenz-Impulse (22 bis 24, 41 bis 43) auf einen Wert aufweist, bei dem ausgewählte Kernspins der Probe (84) um einen Winkel (P) aus der Richtung des ersten Magnetfeldes ausgelenkt werden, der kleiner als 90°, typischerweise 5° bis 25° beträgt.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0307064A2 (de) * 1985-06-12 1989-03-15 Koninklijke Philips Electronics N.V. Verfahren zur Bilderzeugung mittels magnetischer Resonanz durch kleine Anregungsimpulse
WO1990000743A1 (de) * 1988-07-09 1990-01-25 Spectrospin Ag Verfahren zur erzeugung einer folge von spinechosignalen, die verwendung dieses verfahrens bei der kernspintomographie und vorrichtung zum durchführen bzw. zur verwendung dieses verfahrens

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0307064A2 (de) * 1985-06-12 1989-03-15 Koninklijke Philips Electronics N.V. Verfahren zur Bilderzeugung mittels magnetischer Resonanz durch kleine Anregungsimpulse
EP0307064A3 (de) * 1985-06-12 1990-03-07 Koninklijke Philips Electronics N.V. Verfahren zur Bilderzeugung mittels magnetischer Resonanz durch kleine Anregungsimpulse
WO1990000743A1 (de) * 1988-07-09 1990-01-25 Spectrospin Ag Verfahren zur erzeugung einer folge von spinechosignalen, die verwendung dieses verfahrens bei der kernspintomographie und vorrichtung zum durchführen bzw. zur verwendung dieses verfahrens
US5126673A (en) * 1988-07-09 1992-06-30 Spectrospin Ag Method for generating a sequence of spin echo signals, the application of this method in nuclear spin tomography, and a devicefor carrying out and/or for applying this method

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