DE3701850A1 - Verfahren und anordnung zur bestimmung der raeumlichen und spektralen verteilung der kernmagnetisierung in einem untersuchungsbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen und spektralen Verteilung der Kernmagneti­ sierung in einem Untersuchungsbereich, wobei in Anwesen­ heit eines homogenen stationären Magnetfeldes auf den Untersuchungsbereich eine Anzahl von Sequenzen einwirkt, die je einen ersten Hochfrequenzimpuls und danach zwei 180°-Hochfrequenzimpulse sowie von Sequenz zu Sequenz geänderte magnetische Gradientenfelder umfassen, wobei wenigstens eines der beiden in Abwesenheit von magne­ tischen Gradientenfeldern auftretenden Spin-Echo-Signale einer Fourier-Transformation unterzogen wird, sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein solches Verfahren ist aus der EP-OS 1 06 226, Fig. 3 bekannt. Der erste Hochfrequenzimpuls hat bei dem be­ kannten Verfahren einen Flipwinkel von 90° (der Flipwinkel ist der Winkel, um den die Kernmagnetisierung aus der Richtung des stationären homogenen Magnetfeldes gekippt wird). Die Repetitionszeit - das ist der zeitliche Abstand zweier aufeinanderfolgender Sequenzen - ist dabei so gewählt, daß zu Beginn einer Sequenz die Kernmagneti­ sierung ihren Ruhewert erreicht hat; der Ruhewert der Kernmagnetisierung ergibt sich, wenn der Untersuchungs­ bereich lediglich dem homogenen stationären Feld ausge­ setzt ist. Die Repetitionszeit liegt daher bei einer Sekunde oder darüber. Wenn man auf diese Weise die spek­ trale Verteilung der Kernmagnetisierung in z. B. 64 × 64 Volumenelementen feststellen wollte, wären Meßzeiten von einer Stunde oder mehr erforderlich, was im medizinischen Bereich bei weitem zu lang ist. Mit dem bekannten Verfahren wird daher auch nur die Kernmagnetisierung in einem oder wenigen Volumenelementen des Untersuchungs­ bereichs ermittelt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Meß­ zeit wesentlich herabgesetzt wird, ohne daß der Vorteil des bekannten Verfahrens - die Unabhängigkeit der er­ mittelten Kernmagnetisierungsverteilung von Inhomogeni­ täten des stationären Magnetfeldes - verloren geht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der erste Hochfrequenzimpuls einen Flipwinkel von weniger als 90° aufweist, daß die Repetitionszeiten der Sequenzen so kurz sind, daß bei Beginn einer Sequenz die Kernmagne­ tisierung ihren Ruhewert noch nicht erreicht hat, und daß den Sequenzen, deren Spin-Echo-Signale einer Fourier- Transformation unterzogen werden, eine Anzahl weiterer Sequenzen vorausgeht, bis die Längskomponente der Kern­ magnetisierung zu Beginn einer Sequenz jeweils einen stationären Wert erreicht hat.

Bei der Erfindung hat der erste Hochfrequenzimpuls also einen Flipwinkel von weniger als 90° und die Sequenzen folgen so dicht aufeinander, daß die Längskomponente (die in Richtung des homogenen stationären Magnetfeldes ver­ läuft) der Kernmagnetisierung bei Beginn einer Sequenz, d. h. unmittelbar vor dem Auftreten des ersten Hoch­ frequenzimpulses dieser Sequenz, noch nicht ihren ur­ sprünglichen Wert wieder erreicht hat. Wenn die Sequenzen in derart geringem zeitlichen Abstand aufeinander folgen, nimmt zunächst mit jeder Sequenz die Längskomponente der Kernmagnetisierung ab - und damit auch die Größe der Spin-Echo-Signale -, bis ein stationärer Wert erreicht ist. Erst die nach diesen Anfangssequenzen folgenden Sequenzen liefern Spin-Echo-Signale, die zur Rekonstruk­ tion der spektralen und räumlichen Verteilung der Kern­ magnetisierung im Untersuchungsbereich herangezogen werden können.

Bekanntlich sind die Kernspin-Resonanzsignale, die von einem Hochfrequenzimpuls erzeugt werden, um so größer, je größer die Längskomponente der Kernmagnetisierung un­ mittelbar vor Beginn dieses Hochfrequenzimpulses war und - bis zu einem Winkel von 90° - je größer der Sinus des Flipwinkels des Hochfrequenzimpulses ist. Ein 90°-Hoch­ frequenzimpuls hätte zwar den größtmöglichen Sinus des Flipwinkels, doch würde es relativ lange dauern, bis die Längskomponente der Kernmagnetisierung einen definierten Wert - z. B. einen stationären Wert - erreicht hat, weil diese Komponente unmittelbar nach einem 90°-Hochfrequenz­ imuls vollständig verschwunden ist. Bei einer vorgegebe­ nen Repetitionszeit bedeutet das, daß die Längskomponente der Kernmagnetisierung im stationären Zustand - wenn also so viele Sequenzen erzeugt worden sind, daß die Längs­ komponente zu Beginn einer Sequenz nicht weiter abnimmt - relativ klein ist. Infolgedessen erreicht das Produkt aus der Längskomponente der Kernmagnetisierung (unmittelbar vor dem ersten Hochfrequenzimpuls einer Sequenz) und dem Sinus des Flipwinkels dieses Hochfrequenzimpulses nicht sein Maximum. Dieses ergibt sich vielmehr erst bei kleine­ ren Flipwinkeln, weil dabei der stationäre Wert der Längs­ komponente der Kernmagnetisierung mit abnehmendem Flip­ winkel zunächst stärker zunimmt als der Sinus des Flip­ winkels abnimmt. Aus diesem Grund ist der Flipwinkel des ersten Hochfrequenzimpulses kleiner als 90°.

Ein 180°-Impuls bewirkt bekanntlich, daß die Längskompo­ nente der Quermagnetisierung ihre Richtung umkehrt (d. h. diese Komponente weist dann nicht mehr in die Richtung des homogenen stationären Magnetfeldes, sondern in die Gegen­ richtung). Wenn daher bei der Erfindung nach dem ersten Hochfrequenzimpuls (oder eine ungerade Anzahl solcher Impulse) erzeugt würde, dann würde die unmittelbar vor dem 180°-Hochfrequenzimpuls vorhandene Kernmagnetisierung invertiert werden, so daß es relativ lange dauern würde, bis ein stationärer Wert erreicht wäre. Dies hätte wiede­ run bei vorgegebener Repetitionszeit zur Folge, daß der stationäre Wert relativ niedrig und somit die erzeugten Kernspin-Resonanzsignale relativ klein wären. Dadurch, daß noch ein zweiter 180°-Hochfrequenzimpuls erzeugt wird, wird die Längskomponente der Quermagnetisierung wieder in die ursprüngliche Richtung zurückgedreht, so daß der stationäre Wert wesentlich schneller erreicht wird.

Die beiden Spin-Echo-Signale, die während jeder Sequenz entstehen, können addiert oder nach geeigneter T 2-Kali­ brierung zur Mittelwertbildung herangezogen werden, so daß das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert wird. Eine Weiter­ bildung der Erfindung sieht demgegenüber vor, daß eines dieser Gradientenfelder zwischen den beiden Spin-Echo- Signalen, aber nicht gleichzeitig mit dem zweiten 180°- Hochfrequenzimpuls, ein- und ausgeschaltet wird. Dadurch ist es möglich, bei gleichbleibender Anzahl von Bild­ punkten die Zahl der zur Bestimmung der spektralen Ver­ teilung der Kernmagnetisierung in diesen Bildpunkten erforderlichen Sequenzen auf die Hälfte zu senken.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß jeweils nach dem zweiten Spin-Echo-Signal ein magne­ tisches Gradientenfeld eingeschaltet wird, so daß bei Beginn der nachfolgenden Sequenz die Querkomponente der Kernmagnetisierung im Untersuchungsbereich dephasiert ist. Dadurch wird verhindert, daß die am Ende einer Sequenz noch verbleibende Querkomponente der Kernmagneti­ sierung sich auf die Spin-Echo-Signale der nachfolgenden Sequenz störend auswirkt.

Die Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens, die versehen ist mit einem Magneten zur Erzeugung eines homogenen stationären Feldes, einer Hochfrequenz- Spulenanordnung zur Erzeugung eines vom hochfrequenten zum stationären Feld senkrechten Magnetfeldes, einem Hoch­ frequenzgenerator zur Speisung der Hochfrequenz-Spulen­ anordnung, Miteln zur Erzeugung von magnetischen Gradien­ tenfeldern mit einer Steuereinheit zur Steuerung des Hoch­ freqenzgenerators und der Mittel, und mit einer Rechen­ einheit zur Verarbeitung der Kernspin-Resonanzsignale, ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine solche Pro­ grammierung der Steuereinheit, daß in jeder Sequenz ein erster Hochfrequenzimpuls mit einem Flipwinkel von weniger als 90° und zwei 180°-Hochfrequenzimpulse erzeugt werden, daß die Sequenzen so dicht aufeinander folgen, daß bei Beginn einer Sequenz der Ruhewert der Kernmagnetisierung noch nicht erreicht ist, und daß vor der Erzeugung der Sequenzen, aus denen die räumliche und spektrale Ver­ teilung der Kernmagnetisierung abgeleitet wird, eine Anzahl gleichartiger Sequenzen so oft eingeschaltet wird, bis die Kernmagnetisierung bei Beginn einer Sequenz einen stationären Wert erreicht hat.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Gerät für medizinische Kernspinuntersuchungen, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren durchführ­ bar ist,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines solchen Gerätes,

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf verschiedener Signale bei einer Sequenz, und

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung einer Variante der Erfindung.

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Kernspin-Unter­ suchungsgerät enthält eine aus vier Spulen 1 bestehende Anordnung zur Erzeugung eines homogenen stationären Magnetfeldes, das in der Größenordnung von einigen Zehntel T bis einigen T liegen kann. Dieses Feld verläuft in z-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems. Die zur z-Achse konzentrisch angeordneten Spulen 1 können auf einer Kugeloberfläche 2 angeordnet sein. Im Innern dieser Spulen befindet sich der zu untersuchende Patient 20.

Zur Erzeugung eines in z-Richtung verlaufenden und sich in dieser Richtung linear ändernden Magnetfeldes Gz sind vier Spulen 3 vorzugsweise auf der gleichen Kugeloberfläche angeordnet. Weiterhin sich vier Spulen 7 vorgesehen, die ein ebenfalls in z-Richtung verlaufendes magnetisches Gradientenfeld (d. h. ein Magnetfeld, dessen Stärke sich in einer Richtung linear ändert) Gx erzeugen, dessen Gradient jedoch in x-Richtung verläuft. Ein in z-Richtung ver­ laufendes magnetisches Gradientenfeld Gy mit einem Gradien­ ten in y-Richtung wird von vier Spulen 5 erzeugt, die die gleiche Form haben können wie die Spulen 7, die jedoch diesen gegenüber um 90° versetzt angeordnet sind. Von diesen vier Spulen sind in Fig. 1 nur zwei dargestellt.

Da jede der drei Spulenanordnungen 3, 5 und 7 zur Erzeu­ gung der magnetischen Gradientenfelder Gz, Gy und Gx symmetrisch zur Kugeloberfläche 2 angeordnet ist, ist die Feldstärke im Kugelzentrum, das gleichzeitig den Koordi­ natenursprung des erwähnten kartesischen xyz-Koordinaten­ systems bildet, nur durch das stationäre homogene Magnet­ feld der Spulenanordnung 1 bestimmt. Weiterhin ist eine Hochfrequenzspule 11 symmetrisch zur Ebene z = 0 des Koordinatensystems angeordnet, die so ausgebildet ist, daß damit ein im wesentlichen homogenes und in x-Richtung, d. h. senkrecht zur Richtung des stationären homogenen Magnetfeldes verlaufendes hochfrequentes Magnetfeld erzeugt wird. Der Hochfrequenzspule wird während jedes Hochfrequenzimpulses ein hochfrequenter modulierter Strom von einem Hochfrequenzgenerator zugeführt. - Im Anschluß an drei Hochfrequenzimpulse dient die Hochfrequenzspule 11 zum Empfangen des im Untersuchungsbereich erzeugten Echo­ signals. Statt dessen kann aber auch eine gesonderte Hochfrequenz-Empfangsspule verwendet werden.

Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild dieses Kernspin-Untersuchungsgerätes. Die Hochfrequenzspule 11 ist über eine Umschalteinrichtung 12 einerseits an einen Hochfrequenzgenerator 4 und andererseits an einen Hoch­ frequenzempfänger 6 angeschlossen.

Der Hochfrequenzgenerator 4 enthält einen in seiner Frequenz digital steuerbaren Hochfrequenzoszillator 40, der Schwingungen mit einer Frequenz gleich der Larmor­ frequenz der anzuregenden Atomkerne bei der von den Spulen 1 erzeugten Feldstärke liefert. Die Larmor­ frequenz f berechnet sich bekanntlich nach der Beziehung f = cB, wobei B die magnetische Induktion in dem stationären homogenen Magnetfeld darstellt und c das gyromagnetische Verhältnis, das beispielsweise für Protonen 42,56 MHz/T beträgt. Der Ausgang des Oszillators 40 ist mit einem Eingang einer Mischstufe 43 verbunden. Der Mischstufe 43 wird ein zweites Eingangssignal von einem Digital-Analog-Wandler 44 zugeführt, dessen Ausgang mit einem digitalen Speicher 45 verbunden ist. Aus dem Speicher wird - gesteuert durch eine Steuereinrichtung 15 - eine Folge von ein Hüllkurvensignal darstellenden digitalen Datenworten ausgelesen.

Die Mischstufe 43 verarbeitet die ihr zugeführten Eingangssignale so, daß an ihrem Ausgang die mit dem Hüllkurvensignal modulierte Trägerschwingung erscheint. Das Ausgangssignal der Mischstufe 43 wird über einen von der Steuereinrichtung 15 gesteuerten Schalter 46 einem Hochfrequenz-Leistungsverstärker 47 zugeführt, dessen Ausgang mit der Umschalteinrichtung 12 verbunden ist. Diese wird ebenfalls durch die Steuereinrichtung 15 gesteuert.

Der Empfänger 6 enthält einen Hochfrequenzverstärker 60, der mit der Umschalteinrichtung verbunden ist und dem das in der Hochfrequenzspule 11 induzierte Echosignal zuge­ führt wird, wobei die Umschalteinrichtung den entsprechen­ den Schaltzustand haben muß. Der Verstärker 60 besitzt einen von der Steuereinrichtung 15 gesteuerten Stumm­ schalteingang, über den er gesperrt werden kann, so daß die Verstärkung praktisch Null ist. Der Ausgang des Verstärkers ist mit den ersten Eingängen zweier multipli­ kativer Mischstufen 61 und 62 verbunden, die jeweils ein dem Produkt ihrer Eingangssignale entsprechendes Ausgangs­ signal liefern. Den zweiten Eingängen der Mischstufen 61 und 62 wird ein Signal mit der Frequenz des Oszillators 40 zugeführt, wobei zwischen den Signalen an den beiden Ein­ gängen eine Phasenverschiebung von 90° besteht. Diese Phasenverschiebung wird mit Hilfe eines 90° Phasendreh­ gliedes 48 erzeugt, dessen Ausgang mit dem Eingang der Mischstufe 62 und dessen Eingang mit dem Eingang der Mischstufe 61 und mit dem Ausgang des Oszillators 40 verbunden ist.

Die Ausgangssignale der Mischstufe 61 und 62 werden über Tiefpässe 63 und 64, die die vom Oszillator 40 gelieferte Frequenz sowie alle darüberliegenden Frequenzen unter­ drücken und niederfrequente Anteile durchlassen, je einem Analog-Digital-Wandler 65 bzw. 66 zugeführt. Dieser setzt die analogen Signale der einen Quadratur-Demodulator bildenden Schaltung 61 . . . 64 in digitale Datenworte um, die einem Speicher 14 zugeführt werden. Die Analog-Digital- Wandler 65 und 66 sowie der Speicher 14 erhalten ihre Taktimpulse von einem Taktimpulsgenerator 16, der über eine Steuerleitung von der Steuereinrichtung 15 blockiert bzw. freigegeben werden kann, so daß nur in einem durch die Steuereinrichtung 15 definierten Meßintervall die von der Hochfrequenzspule 11 gelieferten, in den Nieder­ frequenzbereich transponierten Signale in eine Folge digitaler Datenworte umgesetzt und in dem Speicher 14 gespeichert werden können.

Die drei Spulenanordnungen 3, 5 und 7 werden von Strom­ generatoren 23, 25 und 27 jeweils mit einem Strom ver­ sorgt, dessen zeitlicher Verlauf durch die Steuerein­ heit 15 steuerbar ist. Die im Speicher 14 gespeicherten Datenworte bzw. Abtastwerte werden einem Rechner zuge­ führt, der daraus durch eine diskrete Fourier-Transforma­ tion die spektrale Verteilung der Kernmagnetisierung ermittelt und an einer geeigneten Wiedergabeeinheit, z. B. einem Monitor 18, ausgibt.

Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf verschiedener Signale und physikalischer Parameter bei einer Sequenz nach der Erfindung. Zur Zeit t = 0 wird der erste Hochfrequenz­ impuls HF 1 (vgl. erste Zeile) einer Sequenz erzeugt. Gleichzeitig mit dem Hochfrequenzimpuls wird der Strom­ generator 23 eingeschaltet, so daß die Gradientenspulen 3 ein magnetisches Gradientenfeld Gz erzeugen (vgl. zweite Zeile von Fig. 3). Das magnetische Gradientenfeld wechselt unmittelbar nach dem Ende des Hochfrequenzimpulses HF 1 seine Polarität und wird danach zu einem Zeitpunkt abge­ schaltet, der so gewählt ist, daß das zeitliche Integral über Gz von der Mitte des Hochfrequenzimpulses bis zum Abschaltzeitpunkt gerade Null ist. Dadurch wird erreicht, daß die Kernmagnetisierung lediglich in einer Schicht angeregt wird, deren Dicke von der Bandbreite des Hoch­ frequenzimpulses und von der Größe des Gradienten des magnetischen Gradientenfeldes abhängt. Der Hochfrequenz­ impuls, dessen Flipwinkel vorzugsweise zwischen 20° und 50° liegt, bewirkt, daß die Längskomponente der Kernmagne­ tisierung, deren zeitlicher Verlauf in der sechsten Zeile von Fig. 3 dargestellt ist, entsprechend dem Kosinus des Flipwinkels reduziert wird.

Unmittelbar nach dem Ende des Hochfrequenzimpulses HF 1 werden auch die Stromgeneratoren 25 und 27 von der Steuer­ einheit 15 so gesteuert, daß sie für wenige Millisekunden jeweils einen konstanten Strom liefern, der anschließend abgeschaltet wird. Dadurch erzeugen die Spulenanord­ nungen 5 und 7 magnetische Gradientenfelder Gy und Gx (vgl. vierte und dritte Zeile), so daß die Phase der Kern­ magnetisierung in der angeregten Schicht ortsabhängig wird. - Nach dem Hochfrequenzimpuls HF 1 nimmt die Längs­ komponente der Kernmagnetisierung mit einer durch die sogenannte Längsrelaxationszeit T 1 bestimmten Geschwindig­ keit zu.

Zur Zeit t = t 1, wobei t 1 z. b. 10 msec betragen kann, wird ein 180°-Hochfrequenzimpuls erzeugt, der die Längs­ komponente der Kernmagnetisierung invertiert (vgl. sechste Zeile von Fig. 3). Dieser 180°-Impuls hat das Entstehen eines ersten Spin-Echo-Signals SE 1 zur Zeit t = t 2 zur Folge, wobei t 2 = 2 t 1 ist. Wie aus der fünften Zeile von Fig. 3 ersichtlich, die den zeitlichen Verlauf des Signals S 16 am Freigabeeingang des Taktgenerators 16 zeigt, wird der Taktgenerator 16 um den Zeitpunkt t = t 2 herum freigegeben, so daß das von der Hochfrequenzspule 11 gelieferte, in den Niederfrequenzbereich transponierte Signal SE 1 in eine Folge digitaler Datenworte umgesetzt und in dem Speicher 14 gespeichert wird.

Zur Zeit t = t 3, wobei t 3 gleich 3 t 1 ist, wird ein weiterer 180°-Hochfrequenzimpuls erzeugt, der bewirkt, daß die dann noch verbliebene Längskomponente der Kernmagnetisierung erneut invertiert wird und der zur Zeit t = t 4, d. h. um t 1 später, ein zweites Spin-Echo-Signal SE 2 erzeugt wird. Wenn dieses zweite Spin-Echo-Signal auftritt, liegt erneut S 16 an derart, daß auch das Signal SE 2 in eine Folge digitaler Datenworte umgesetzt und in dem Speicher 14 gespeichert wird.

Nachdem der Taktgenerator 16 wieder gesperrt ist, steuert die Steuereinheit 15 einen der Stromgeneratoren 23 . . . 27, z. B. den Stromgenerator 27, derart, daß die Gradienten­ spule 7 während eines definierten Zeitraumes von einem Strom durchflossen wird, wodurch erneut ein magnetisches Gradientenfeld Gx ein- und ausgeschalter wird, das dazu führt, daß die nach dem zweiten Spin-Echo-Signal in der angeregten Schicht noch verbliebene Querkomponente der Kernmagnetisierung dephasiert wird, so daß diese Kompo­ nente die nachfolgende Sequenz nicht mehr beeinflussen kann. Die nachfolgende Sequenz beginnt zur Zeit t = tr mit ihrem ersten Hochfrequenzimpuls HF 2, wobei tr zwischen sieben und zehnmal so groß ist wie t 1; in diesem Zeitpunkt hat die Längskomponente gerade wieder ihren stationären Wert erreicht, der deutlich kleiner ist als der Ruhewert der Kernmagnetisierung, der sich ergibt, wenn über einen längeren Zeitraum ausschließlich das von den Spulen 1 erzeugte homogene stationäre Magnetfeld auf den Unter­ suchungsbereich eingewirkt hat.

Der zeitliche Verlauf der Hochfrequenzimpulse - und damit auch die zeitliche Lage der Spin-Echo-Signale SE 1 und SE 2 - bleibt bei der folgenden und allen weiteren Sequenzen unverändert. Das gleiche gilt im Hinblick auf das magne­ tische Gradientenfeld Gz und das Signal S 16. Lediglich die Amplitude (und/oder die Dauer) des magnetischen Gradien­ tenfeldes Gx und/oder des magnetischen Gradientenfeldes Gy werden von Sequenz zu Sequenz variiert, so daß am Ende der Untersuchung für eine Vielzahl von Werten Gx und für eine Vielzahl von Werten Gy die digitalisierten Spin-Echo- Signale SE 1 und SE 2 vorliegen. Daraus kann durch mehrfache Fourier-Transformation die räumliche und die spektrale Verteilung der Kernmagnetisierung in der angeregten Schicht rekonstruiert werden. Da die Repetitionszeit tr verhältnismäßig kurz ist, ist die gesamte Meßzeit eben­ falls relativ kurz; zur Darstellung der Spektralkompo­ nenten in 32 × 32 Bildpunkten beispielsweise ist nur eine Meßzeit von etwa 70 sec erforderlich. Es ist auch möglich, die spektrale Verteilung in einem dreidimensionalen Unter­ suchungsbereich zu rekonstruieren. In diesem Fall muß zusätzlich auch noch das magnetische Gradientenfeld Gz nach dem ersten Hochfrequenzimpuls HF 1 einer Sequenz variiert werden, wie durch gestrichelte Linien ange­ deutet. Die Meßzeiten werden dadurch allerdings ent­ sprechend länger.

An sich ist zur Rekonstruktion der Spektralverteilung nur eines der beiden Spin-Echo-Signale SE 1, SE 2 erforderlich, wobei zweckmäßigerweise das Signal SE 1 verwendet wird, weil es wegen des Zerfalls der Querkomponente der Kern­ magnetisierung während einer Sequenz die größere Amplitude hat. Jedoch ergibt sich eine Verbesserung des Signal- Rausch-Verhältnis, wenn auch das zweite Signal (SE 2) zur Rekonstruktion herangezogen wird, beispielsweise durch Addition zum Signal SE 2. Es kann aber auch für jedes der beiden Echosignale SE 1 und SE 2 gesondert die räumliche spektrale Verteilung der Kernmagnetisierung bestimmt werden und bildpunktweise der Mittelwert gebildet werden, nachdem zuvor der Wert der aus dem Signal SE 2 abgeleiteten Kernmagnetisierung mit einem Faktor multipliziert ist, der den Zerfall der Quermagnetisierung berücksichtigt. Der Zerfall der Quermagnetisierung bzw. die diesen Zerfall beschreibende Querrelaxationszeit T 2 kann in an sich bekannter Weise (vgl. das von Philips Medical Systems herausgegebene Buch "Prinzipien der MR-Tomographie" Seite 22 bzw. 29) aus der Abnahme der Kernmagnetisierung zwischen den zwei Spin-Echo-Signalen durch exponentielle Anpassung bestimmt werden.

Da an sich jedes der beiden Echosignale S 1 und S 2 die Information zur Rekonstruktion der Verteilung der Kern­ magnetisierung enthält, ist es auch möglich, die Meßzeit zu halbieren. Zu diesem Zweck wird nach dem Ende des ersten Spin-Echo-Signales SE 1 und vor dem Beginn des zweiten Spin-Echo-Signals SE 2 - und außerhalb des zweiten 180°-Hochfrequenzimpulses - entweder - wie gestrichelt angedeutet - das magnetische Gradientenfeld Gx oder das magnetische Gradientenfeld Gy kurzzeitig eingeschaltet. Die Wirkung dieser Maßnahme wird anhand von Fig. 4 er­ läutert, die die Verhältnisse bei einer Sequenz im soge­ nannten k-Raum zeigt.

Der k-Raum ist der Ortsfrequenzraum, und der in einer Sequenz erreichte k-Wert entspricht einer bestimmten Raumfrequenz. Zur vollständigen Erfassung der räumlichen Verteilung der Kernmagnetisierung bis zu einer bestimmten Ortsfrequenz müssen die Gradientenfelder Gx und Gy (und bei der Bestimmung der räumlichen Verteilung in einem Volumen auch Gz) so geändert werden, daß die Spin-Echo- Signale für ein Raster von Punkten in zumindest einer Schicht des k-Raums erfaßt werden.

In Fig. 4 ist eine Schicht des k-Raums dargestellt, die die Ortsfrequenzachsen kx (das ist das zeitliche Integral über das magnetische Gradientenfeld Gx) und ky (das ist das zeitliche Integral über Gy) enthalten. Um eine Abbil­ dung der dargestellten Schicht zu erreichen, müssen die magnetischen Gradientenfelder Gx und Gy (und bei Unter­ suchung eines dreidimensionalen Volumens gegebenenfalls Gz) so variiert werden, daß der k-Raum in dem durch den Rahmen K definierten Bereich abgetastet wird.

Nach dem Ein- und Ausschalten der magnetischen Gradienten­ felder Gx und Gy im Zeitintervall t 0 und t 1 wird im k-Raum der Punkt P 0 erreicht. Der erste 180°-Hochfrequenzimpuls bewirkt, daß der Punkt P 0 in den spiegelbildlich dazu liegenden Punkt P 1 übergeht. Das erste Spin-Echo- Signal SE 1 ist diesem Punkt P 1 im k-Raum zugeordnet. Durch das anschließende Ein- und Ausschalten des magnetischen Gradientenfeldes Gx ergibt sich im k-Raum eine Ver­ schiebung des Punktes in Richtung der kx-Achse, so daß der Punkt P 2 erreicht wird. 180°-Impuls bewirkt eine Spiege­ lung in bezug auf den Koordinatenursprung, so daß der Punkt P 3 erreicht wird, dem das zweite Spin-Echo- Signal SE 2 zugeordnet wird. Somit beinhalten die zwei Spin-Echo-Signale SE 1 und SE 2 unterschiedliche Orts­ frequenzinformation, so daß die Zahl der Sequenzen, die zur vollständigen Abtastung des k-Raums erforderlich sind, halbiert werden kann.

Die aus dem jeweils zweiten Echo gewonnene Information weist wegen des Zerfalls der Quermagnetisierung je nach dem Wert T 2 der betrachteten Gewebestruktur eine geringere Amplitude auf als die aus dem ersten Echo gewonnene Information. Die dadurch bedingte Verschlechterung der Rekonstruktion läßt sich weitgehend vermeiden, wenn benachbarte Rasterpunkte im k-Raum schachbrettartig aus unterschiedlichen Echos gewonnen werden. Dies läßt sich z. B. dadurch erreichen, daß bei der nächsten, zur Zeit t = tr beginnenden Sequenz, bei der z. B. die Amplitude von Gy um eine Stufe verändert wird, die Polarität der magne­ tischen Gradientenfelder Gx und Gy invertiert wird. Das erste Spin-Echo-Signal ist dann einem Punkt im rechten unteren Quadranten des k-Raumes zugeordnet und das zweite Spin-Echo-Signal einem Punkt in dem linken oberen Quadran­ ten. Nach der nächsten Sequenz werden die Polaritäten wieder invertiert usw. Dadurch werden die Störungen durch die anschließende Fourier-Transformation an den Bildrand gebracht.

Claims (5)

1. Verfahren zur Bestimmung der räumlichen und spektralen Verteilung der Kernmagnetisierung in einem Untersuchungsbereich, wobei in Anwesenheit eines homogenen stationären Magnetfeldes auf den Untersuchungsbereich eine Anzahl von Sequenzen einwirkt, die je einen ersten Hoch­ frequenzimpuls und danach zwei 180°-Hochfrequenzimpulse sowie von Sequenz zu Sequenz geänderte magnetische Gradientenfelder umfassen, wobei wenigstens eines der beiden in Abwesenheit von magnetischen Gradientenfeldern auftretenden Spin-Echo-Signale einer Fourier-Transforma­ tion unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Hochfrequenz­ impuls (HF 1) einen Flipwinkel von weniger als 90° auf­ weist, daß die Repetitionszeiten (tr) der Sequenzen so kurz sind, daß bei Beginn einer Sequenz die Kernmagneti­ sierung (Mz) ihren Ruhewert noch nicht erreicht hat, und daß den Frequenzen, deren Spin-Echo-Signale einer Fourier-Transformation unterzogen werden, eine Anzahl weiterer Frequenzen vorausgeht, bis die Längskomponente der Kernmagnetisierung (Mz) zu Beginn einer Sequenz jeweils einen stationären Wert erreicht hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei von Sequenz zu Sequenz das zeitliche Integral über wenigstens zwei magnetische Gradientenfelder mit zueinander senkrecht verlaufenden Gradienten variiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eines dieser Gradientenfelder zwischen den beiden Spin-Echo-Signalen, aber nicht gleich­ zeitig mit dem zweiten 180°-Hochfrequenzimpuls, ein- und ausgeschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils nach dem zweiten Spin-Echo-Signal ein magnetisches Gradientenfeld einge­ schaltet wird, so daß bei Beginn der nachfolgenden Sequenz die Querkomponente der Kernmagnetisierung im Unter­ suchungsbereich dephasiert ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Gradienten­ felder in den Sequenzen so geschaltet werden, daß die Rasterpunkte im k-Raum schachbrettartig alternierend dem ersten (SE 1) bzw. dem zweiten Spin-Echo-Signal (SE 2) zugeordnet sind.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Magneten zur Erzeugung eines homo­ genen stationären Feldes, einer Hochfrequenz-Spulenanord­ nung zur Erzeugung eines vom hochfrequenten zum statio­ nären Feld senkrechten Magnetfeldes, einem Hochfrequenz­ generator zur Speisung der Hochfrequenz-Spulenanordnung, Mitteln zur Erzeugung von magnetischen Gradientenfeldern mit einr Steuereinheit zur Steuerung des Hochfrequenz­ generators und der Mittel, und mit einer Recheneinheit zur Verarbeitung der Kernspin-Resonanzsignale, gekennzeichnet durch eine solche Programmierung der Steuereinheit, daß in jeder Sequenz ein erster Hoch­ frequenzimpuls mit einem Flipwinkel von weniger als 90° und zwei 180°-Hochfrequenzimpulse erzeugt werden, daß die Sequenzen so dicht aufeinander folgen, daß bei Beginn einer Sequenz der Ruhewert der Kernmagnetisierung noch nicht erreicht ist, und daß vor der Erzeugung der Sequen­ zen, aus denen die räumliche und spektrale Verteilung der Kernmagnetisierung abgeleitet wird, eine Anzahl gleich­ artiger Sequenzen so oft eingeschaltet wird, bis die Kernmagnetisierung bei Beginn einer Sequenz einen stationären Wert erreicht hat.