DE3606043A1

DE3606043A1 - Verfahren zum korrigieren der phase und der abschattung bei einem nmr-tomographen

Info

Publication number: DE3606043A1
Application number: DE19863606043
Authority: DE
Inventors: Kazuya Tokio/Tokyo Hoshino; Hiroyuki Musashino Tokio/Tokyo Matsuura
Original assignee: Yokogawa Medical Systems Ltd; Yokogawa Hokushin Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1985-02-25
Filing date: 1986-02-25
Publication date: 1986-09-04
Also published as: GB8604414D0; GB2171803A; US4713614A; JPS61194338A; JPH0244220B2

Description

\ Henkel, Feiler, Hänzel & Partner — Patentanwälte

Dr. phil. G. Henkel Dr. rer. nat. L. Feiler Dipl.-Ing. W. Hänzel Dipl.-Ing. D. Kottmann

YOKOGAWA HOKUSHIN ELECTRIC CORPORATION Möh!straße 37

D-8000 München 80 und YOKOGAWA MEDICAL SYSTEMS, Limited

Tel.: 089/982085-87 Tokio, Japan Telex: 529802 hnkl d

Telefax (Gr. 2+3):

089/981426
Telegramm: ellipsoid

FA 86045

Verfahren zum Korrigieren der Phase und der Abschattung bei einem NMR-Tomographen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Bildgüte bei einem mit kernmagnetischer Resonanz arbeitenden Tomographiegerät oder NMR-Tomographen, insbesondere ein Verfahren zum Korrigieren der Phase und der Abschattung bei einem NMR-Tomographen.

Bei einem NMR-Tomographen ist eine Phasenkorrektur zur Beseitigung der Phasenverzerrung von Daten aufgrund d^er Eigenschaften des Geräts beim Rekonstruieren eines Bilds erforderlich. Beim Fourierschen Verfahren als einem der typischen Abtastverfahren bei NMR-Geräten erfolgt die Phasenkorrektur ausschließlich durch Berechnung für den Absolutwert. Wenn für die Bilddaten, die durch eine komplexe Zahl dargestellt werden, die dadurch erhalten wird, daß die abgetasteten Daten oder Abtastdaten einer zweidimensionalen inversen Fourierschen Transformation unterworfen werden, der reelle Teil mit Rij und der imaginäre Teil mit Zij vorausgesetzt werden, berechnet sich ein wiederzugebendes Bild gewöhnlich zu:

Pij = \/R²ij + Z²ij
Darin bedeuten: i, j = Bildzellen- oder Pixelzahlen.

Im Fall einer solchen Impulssequenz oder -folge, bei der negative Daten erhalten werden, wie beim Inversions erholungs- oder -rückgewinnungsverfahren (inversion recovery method) oder IR-Verfahren, werden diese Daten dabei jedoch zur positiven Seite zurückgeführt, wodurch eine Schwierigkeit bezüglich der Betrachtung des Bilds eingeführt wird. Im Hinblick darauf kann bei einem phasenstabilen System eine Methode ins Auge gefaßt werden, nach der eine Phase θ im voraus unter denselben Bedingungen mittels einer zweckmäßigen Einrichtung bestimmt und eine Korrektur der Phase θ wie folgt durchgeführt wird:

-U-

Pi j = Rij-cose +

Da jedoch die Größe der Drehung der Phase allgemein eine Lagenabhängigkeit zeigt, die nach dieser Methode nicht vollständig korrigiert werden kann, treten dabei eine unerwünschte Abschattungserscheinung im Bild und eine Dichtenverzerrung infolge einer ungleichmäßigen Empfindlichkeit von Empfängerspulen o.dgl. auf, die beide nicht korrigiert werden können.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Korrekturverfahrens, nach dem die Güte eines wiederaufgebauten oder rekonstruierten (re-constituted) Bilds durch gleichzeitige Korrektur der Phasenverzerrung, einschließlich der systemeigenen lagenabhängigen Phasen verzerrung, und der Dichtenverzerrung infolge der ungleichmäßigen Empfindlichkeit der Empfängerspulen o.dgl verbessert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch gekennzeichneten Merkmale bzw. Maßnahmen gelöst.

Zur Lösung der obigen Aufgabe besteht ein Merkmal der Erfindung in der Korrektur der rekonstruierten Daten unter Heranziehung eines für die Korrektur verwendeten Phantombilds, das durch Abtastung in Form einer komplexen Zahl rekonstruiert worden ist.

im folgenden ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens

und

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Impulssequenz oder -folge.

Fig. 1 veranschaulicht einen Abschnitt eines NMR-Tomographen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei weist eine Magnetanordnung 1 einen Hohlraum (Durchgang) zum Einbringen eines Untersuchungsobjekts auf. Um den Hohlraum herum sind eine Haupt- feidspule zur Beaufschlagung des Untersuchungsobjekts mit einem konstanten Magnetfeld, Gradientmagnetfeldspulen zum Erzeugen von Gradientmagnetfeldern (in Form je einer X-, Y- und Z-Gradientfeidspule, die jeweils getrennt Gradientmagnetfelder erzeugen), eine Hochfreguenz-Übertragerspule zur Lieferung von Hochfreguenzimpulsen für die Anregung des Spins der Atomkerne im Untersuchungsobjekt, eine Empfängerspule zum Abgreifen der NMR-Signale vom Untersuchungsobjekt und dgl. angeordnet.

Die Hauptfeldspule, die einzelnen Gradientfeldspulen Gx, Gy, Gz, die Hochfreguenz-Übertragerspule und die NMR-Signal-Empfängerspule sind jeweils an eine Hauptfeld-Stromversorgung 2, einen Gradientfeld-Treiber 3, einen Hochfreguenz-Leistungsverstärker 4 und einen Vorverstärker 5 angeschlossen. Eine Folgespeicherschaltung 10 dient zur Steuerung der Sequenz oder Folge der Erzeugung der Gradientmagnetfelder und des Hochfreguenz-Magnetfelds sowie des Takts (timing) bei der A/D-Umwandlung der gewonnenen NMR-Signale.

Eine Tor- oder Gate-Modulationsschaltung 6 moduliert die vom Ausgang einer Hochfreguenz-Schwingschaltung gelieferten Hochfreguenzsignale zwecks Bildung von Hochfreguenzimpulsen mittels des Zeitsteuer- oder Taktsignals von der Folgespeicherschaltung 10. Die Hochfrequenzimpulse werden dem Hochfrequenz-Leistungsverstärker 4 eingespeist.

Ein Phasendetektor 8 führt eine(n) Phasenerfassung (oder -abgriff) bezüglich der von der Empfängerspule angegriffenen und über den Vorverstärker 5 gelieferten NMR-Signale in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Schwingschaltung 7 durch.

Ein A/D-Wandler 11 unterwirft die vom Phasendetektor gelieferten NMR-Signale einer Analog/Digitalumwandlung. 10

Ein Rechner 13 ist so ausgelegt, daß er Berechnungen zum Übertragen/Empfangen von Informationen zu bzw. von einer Bedienkonsole/ zum Umschreiben der Inhalte in der Folgespeicherschaltung 10 zwecks Realisierung verschiedener Abtastsequenzen und zum Rekonstruieren (reconstituting) der Informationsverteilung bezüglich der Resonanzenergie zu einem Bild anhand der vom A/D-Wandler eingegebenen Meßdaten durchführt. Das rekonstruierte Bild wird auf einer Anzeigeeinheit 9 wiedergegeben.

Im folgenden ist die Arbeitsweise des Geräts mit dem beschriebenen Aufbau anhand der ein Beispiel für Impulssequenzen zeigenden graphischen Wellenformdarstellung von Fig. 2 erläutert.

Zunächst ist die Impulssequenz erläutert. Unter der Steuerung der Folgespeicherschaltung 10 über die Gate-Modulationsschaltung 6 erhaltene 90°-Impulse gemäß Fig. 2(a) werden über den Hochfrequenz-Leistungsverstärker 4 an die Hochfrequenz-Übertragerspule zum Anregen eines Untersuchungsobjekts angelegt. Gleichzeitig wird auch ein Gradientmagnetfeld Gz (vgl. Fig. 2(b)) angelegt, um selektiv nur die in einer spezifischen Scheibenebene vorhandenen Spins anzuregen.

Sodann erfolgt eine Phasencodierung mittels des Gradientmagnetfelds Gy, und es wird gleichzeitig ein

χι -?■

Gradientmagnetfeld Gx (vgl. Fig. 2(d)) in Vorbereitung auf die Messung der Echos angelegt.

Anschließend werden die Anlegung des Gradientmagnetfelds unterbrochen und 180°-Impulse zum Invertieren (Umkehren) des Spins angelegt. Unter Anlegung des Magnetfelds Gx werden sodann die erzeugten Echosignale (vgl. Fig. 2(e)) von der Empfängerspule abgegriffen und beobachtet (wiedergegeben). Die von der Empfängerspule abgegriffenen Spinechosignale werden über den Vorverstärker 5, den Phasendetektor 8 und den A/D-Wandler 11 zum Rechner 13 übertragen.

Die.so gewonnenen Echosignale entsprechen einer der zweidimensionalen Fourierschen Transformation unterworfenen Zeile (line) der Spindichtenverteilung in der Scheibenebene. Demzufolge kann ein rekonstruiertes Bild durch Abtasten einer Reihe von Daten unter Änderung der Größe des Gradientmagnetfelds Gy, d.h. der Größe der Phasencodierung für jede Darstellung, und Durchführung der zweidimensionalen inversen Fourierschen Transformation an den Daten gewonnen werden.

Die Korrektur erfolgt bezüglich der Impulsfrequenz, sofern dabei Amplitude und Phasenkennlinie stabil sind, in der folgenden Weise:

1. In die Magnetanordnung wird ein künstliches Objekt (Phantom) für Korrekturzwecke eingebracht, wofür üblicherweise ein den Bildaufnahmebereich genügend übergreifendes Objekt benutzt wird. Dieses Objekt wird mit derselben Scheibendicke und in derselben Scheibenposition (in Z-Achsenrichtung) wie bei der tatsächlichen Abtastung abgetastet, wobei die erhaltenen Echosignale der zweidimensionalen inversen Fourierschen Transformation unterworfen werden. Die

Ergebnisse (C'ij) werden mit der Absolutgröße für das Bildelement am Zentrum oder für das Bildelement mit der größten Amplitude standardisiert und so, wie sie sind, in Form einer komplexen Zahl im Rechner 13 gespeichert. Die Daten werden wiedergegeben als:

Cij = C'ij/ICpql

In obiger Gleichung stehen p, q für Zusätze zur Angabe des Bildelements im Zentrum des Bildschirms oder des Bildelements mit der größten Amplitude.

2. Ein tatsächliches Untersuchungsobjekt wird unter

Durchführung derselben Datenverarbeitung oder -verknüpfung, wie unter 1. beschrieben, abgetastet, um Oij abzuleiten.

3. Die Korrektur erfolgt nach folgender Berechnung (die auf der Grundlage der komplexen Zahl ausgeführt wird):

Sij = Oij/Cij

Die Gleichung kann durch die Absolutgröße und den Abweich- oder Versatzwinkel wie folgt ausgedrückt werden:

ISijI = lOijl/ICijl (1) und

arg[Sij] = arg[Oij] - arg[Cij]= 0 (2)

Damit wird aufgezeigt, daß die Kompensation für die Dichtenverzerrung nach Gleichung (1) und für die Phasenverzerrung nach Gleichung (2) erfolgt. 35

Schließlich kann ein Bild Pij erhalten werden, indem nur der reelle Teil von Sij wie folgt herangezogen wird:

Pij = Re[SiJj

Wenn dabei die Daten Cij so, wie sie sind, für die Korrektur benutzt werden, können sich in manchen Fällen in den Daten Sij enthaltene Störsignale ("Rauschen") aufgrund des Einflusses der in den Daten Cij enthaltenen Störsignale gegenüber denen in den Daten Oij vergrößern. Da die lagenabhängigen Änderungen in der Phasenverzerrung und Dichtenverzerrung vergleichsweise gering sind, ist es durch zweckmäßige Glättung von Cij möglieh, nur die Störsignale genügend zu verringern, während die Informationen bezüglich der Phasen- und Dichtenverzerrung unbeeinflußt bleiben. Im Hinblick darauf wird in der Praxis anstatt Cij vorzugsweise folgendes herangezogen:

Bij = LPF]CiJ]

In obiger Gleichung steht LPF[CiJ] für Mittel zur Anwendung einer Glättung jeweils getrennt für den reellen Teil und den imaginären Teil von Cij.

Auf diese Weise können Phasen- und Dichtenverzerrung gleichzeitig korrigiert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist ohne weiteres auf einen dreidimensionalen Fall erweiterbar, in welchem Abtastung und Rekonstruktion nach einem dreidimensionalen Fourierschen Verfahren erfolgen.

Durch vorherige Bestimmung nur der Daten, die für das Korrigieren nach einem dreidimensionalen Verfahren unter Anwendung eines dreidimensionalen Fourierschen Verfahrens herangezogen werden, können weiterhin zweidimensionale Korrekturdaten entsprechend jeder gewünschten Scheibenebene berechnet werden.

Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren auf beliebige Abtastsysteme anwendbar, vorausgesetzt, daß sie mit dem Fourierschen Prozeß arbeiten.

Die vorstehend beschriebene Erfindung bietet u.a. die Vorteile, daß auch lagenabhängige Phasenverzerrung korrigiert werden kann und die negative Werte oder Größen annehmenden Bereiche ohne Rückführung zur po- ^Q sitiven Seite genau dargestellt werden können. Weiterhin können zufriedenstellende Bilder gewonnen werden, die nicht mit unerwünschter Abschattung infolge ungenügender Phasenkorrektur behaftet sind und die mit der durch ungleichmäßige Empfindlichkeit der Empfängerin spule o.dgl. bedingten Dichtenverzerrung gesammelt oder gewonnen worden sind.

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Claims

Patentanspruch

Verfahren zum Korrigieren der Phase und der Abschattung bei einem NMR-Tomographen, dadurch gekennzeichnet, daß

ein künstliches Objekt (Phantom) zur Verwendung für Korrekturzwecke abgetastet wird, um Signale zu bestimmen (to measure), die Signale einer zweidimensionalen inversen Fourierschen Transformation durch eine Recheneinheit unterworfen werden und ein auf diese Weise erhaltenes Bild (Cij) so, wie es ist, in Form einer komplexen Zahl in einer Speichereinheit (ab)gespeichert wird,

ein Untersuchungsobjekt mittels derselben Operationen wie im vorhergehenden Schritt gemessen bzw. ab- ■*· getastet und eine Datenverarbeitung oder -verknüpfung /

zur Gewinnung eines Bilds (Oij) durchgeführt wird und

das Bild (Oij) des Untersuchungsobjekts durch das Bild (Cij) des künstlichen Objekts durch die Recheneinheit dividiert wird, um die Verzerrung in der Dichte des Bilds vom Untersuchungsobjekt und gleichzeitig die Verzerrung in der Phase der Bilder des Untersuchungsobjekts zu korrigieren und damit ein bezüglich der Dichten- und Phasenverzerrung korrigiertes Bild für das (des) Untersuchungsobjekt(s) zu gewinnen.