DE3727055A1

DE3727055A1 - Verfahren zur messung des zeitlichen verlaufs von magnetfeld-gradienten

Info

Publication number: DE3727055A1
Application number: DE19873727055
Authority: DE
Inventors: Franz Schmitt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-08-13
Filing date: 1987-08-13
Publication date: 1989-02-23

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des zeitlichen Verlaufs von Magnetfeld-Gradienten in Kernspin-Resonanzgeräten mit Spulen zur Erzeugung von magnetischen Grund- und Gradientenfeldern und einer Antenne zum Senden und Empfangen von Hochfrequenzsignalen, wobei eine Probe in N-Schritten mit folgender Impulssequenz beaufschlagt wird:

a) Die Probe wird durch Einstrahlen mindestens eines Hochfrequenzimpulses angeregt.
b) Ein Phasencodiergradient in Richtung des zu messenden Magnetfeld-Gradienten wird eingeschaltet, dessen Amplituden-Zeitintegral von Schritt zu Schritt verändert wird.
c) Nach dem Phasencodiergradienten wird der zu messende Magnetfeld-Gradient eingeschaltet.
d) Die von der Probe ausgesandten Signale werden empfangen und Meßwerte in einem Zeitraster abgetastet und digitalisiert.
e) Die digitalisierten Meßwerte werden je Schritt in eine Zeile einer Meßmatrix abgespeichert.

Für Bildgebungsverfahren in der Kernspin-Tomographie werden gepulste Gradienten verwendet. Die exakte Bestimmung der Gradientenform ist dabei sehr wichtig, vor allem um die von den Gradienten in der metallischen Umgebung des Magneten erzeugten Wirbelströme zu kompensieren.

Üblicherweise wird zur Bestimmung des Gradientenverlaufs eine kleine Meßspule verwendet, der ein Integrator nachgeschaltet ist. Wenn man die Meßspule in das Gradientenfeld einbringt, so erhält man am Ausgang des Integrators den Gradientenverlauf.

Aus der Literaturstelle E. Yamamoto und H. Khono, Journal of Physics E.: Scientific Instrumentation, Seite 708, ist es bekannt, zur Bestimmung des Gradientenverlaufs eine Probe anzuregen und das FID-Signal auszuwerten. Hierbei darf jedoch die Probe in Richtung des Gradienten nur sehr dünn sein, wenn nicht Meßfehler in Kauf genommen werden.

Aus der Literaturstelle P. Heubes, SMRM Abstract Book, Seite 315, 1984, ist ein ähnliches Verfahren zur Bestimmung des Gradientenverlaufs bekannt, das jedoch ebenfalls kleine Proben voraussetzt.

Den bisher genannten Methoden ist also der Nachteil gemeinsam, daß der Gradientenverlauf nur in einem kleinen Bereich des gesamten Meßvolumens bestimmt werden kann. Um eine Information bezüglich des gesamten Meßvolumens zu erhalten, muß die Probe in verschiedene Positionen gebracht werden.

Dieser Nachteil wird durch das eingangs genannte Verfahren vermieden, das in der Literaturstelle T. Onodera et al, SMRM Abstracts Book, 1986, Seite 1398, beschrieben ist. Dabei ist darauf hingewiesen, daß man aufgrund des zweidimensionalen Satzes von Meßsignalen, wie man sie bei dem Verfahren erhält, eine Bildrekonstruktion nach Tropper durchführen kann. Es ist jedoch kein Weg beschrieben, wie man direkt den Gradientenverlauf erhält.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszuführen, daß man mit geringem Aufwand zumindest qualitativ den Gradientenverlauf über das gesamte Meßvolumen erhält, ohne daß die Probe in mehrere Positionen gebracht werden muß.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß folgende weitere Schritte durchgeführt werden:

f) Aufgrund der Meßmatrix wird die k-Raum-Trajektorie als Lage der Maxima der von der Probe ausgesandten Signale in der Meßmatrix gebildet.
g) Die zeitliche Ableitung der k-Raum-Trajektorie wird gebildet.

Die zeitliche Ableitung der k-Raum-Trajektorie stellt unmittelbar den zeitlichen Verlauf des Gradienten dar.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird in jedem Schritt ein 90°-HF-Impuls und ein 180°-HF-Impuls eingestrahlt, wobei der Phasencodiergradient zwischen den beiden HF-Impulsen und der zu messende Magnetfeld-Gradient nach dem 180°-HF-Impuls eingeschaltet wird. Der 180°-HF-Impuls erzeugt auf an sich bekannte Weise ein Spinechosignal, dessen Lage durch den Phasencodiergradienten und den zu messenden Gradienten bestimmt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 9 näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 schematisch das Blockschaltbild eines Gerätes für Untersuchungen mit Hilfe der magnetischen Resonanz,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Hochfrequenzsignale S _HF,

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf eines Gradienten G _S,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Gradienten G _{m 1}, G _{m 2}

Fig. 5 den zeitlichen Verlauf eines Ausgangssignals S _A,

Fig. 6 schematisch eine Meßwertmatrix und

Fig. 7 ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf eines Gradienten G(t),

Fig. 8 ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf eines Gradientensollwertes G _s,

Fig. 9 ein Beispiel für eine Gradientenübertragungsfunktion GTF.

In der Fig. 1 sind mit 1 bis 4 Spulen gekennzeichnet, mit welchen ein magnetisches Gleichfeld B₀ erzeugt wird. Bei Anwendung zur medizinischen Diagnostik befindet sich in diesem magnetischen Gleichfeld B₀ der zu untersuchende Körper eines Patienten, bei der Messung des zeitlichen Verlaufs von Magnetfeldgradienten wird jedoch eine Probe verwendet. Ferner sind Gradientenspulen vorgesehen, die zur Erzeugung unabhängiger, zueinander senkrechter Magnetfeld-Gradienten der Richtungen x, y und z gemäß dem Koordinatenkreuz 6 vorgesehen sind. In der Fig. 1 sind der Übersichtlichkeit halber nur Spulen 7 und 8 gezeichnet, die zusammen mit einem Paar gegenüberliegender gleichartiger Spulen zur Erzeugung eines x-Gradienten dienen. Die gleichartigen, nicht gezeichneten y-Gradientenspulen, liegen oberhalb und unterhalb des Untersuchungsraumes und die für das z-Gradientenfeld quer zur Längsachse des Untersuchungsraumes an beiden Enden.

Die Anordnung enthält außerdem noch eine zur Anregung der Kernresonanz und Aufnahme der Kernresonanzsignale dienende Hochfrequenzspule 9. Die von einer strichpunktierten Linie 10 umgrenzten Spulen 1 bis 9 stellen das eigentliche Untersuchungsinstrument dar. Es wird von einer elektrischen Anordnung aus betrieben, die ein Netzgerät 11 zum Betrieb der Magnetspulen 1 bis 4 sowie eine Gradientenstromversorgung 12, an welcher die Spulen 7 und 8 sowie die weiteren Gradientenspulen liegen, umfaßt. Die sowohl zur Anregung als auch zur Aufnahme des Signals dienende Hochfrequenzspule 9 ist über einen Umschalter 19 mit einem Empfangsverstärker 14 oder einem Sendeverstärker 15 verbunden. Empfangsverstärker 14 und Sendeverstärker 15 sind beide Teile einer Sende/Empfangseinheit 16, die an einen Prozeßrechner 17 zur Steuerung und Auswertung angeschlossen ist. An den Prozeßrechner 17 ist zur Ausgabe einer Abbildung ein Bildschirmgerät 18 angeschlossen.

Mit einem derartigen Gerät können bekannte Bildgebungssequenzen durchgeführt werden. Für eine gute Bildqualität ist dabei die präzise Messung und Einstellung des zeitlichen Gradientenverlaufs erforderlich. Insbesondere ist es notwendig, Wirbelströme zu kompensieren, die in metallischen Teilen des Magneten entstehen und den Gradientenverlauf stark beeinflussen. Für die Bestimmungen des zeitlichen Verlaufs eines Gradienten kann das nachstehend beschriebene Verfahren verwendet werden.

Zur Anregung der Probe, die in N Schritten i erfolgt, wird gemäß Fig. 2 jeweils zunächst ein 90°-HF-Impuls S₁ eingestrahlt, der durch einen gleichzeitig eingeschalteten Gradienten G _{S 1} schichtselektiv gemacht werden kann. Anschließend wird in einer Richtung senkrecht zum Gradienten G _{S 1} ein in Fig. 4 dargestellter Phasencodiergradient G _{m 1} eingeschaltet, dessen Amplitude von Schritt zu Schritt verändert wird. Der Phasencodiergradient G _{m 1} liegt in derselben Richtung wie der Gradient G _{m 2}, dessen zeitlicher Verlauf bestimmt werden soll. Auf den Phasencodiergradienten G _{m 1} folgt ein 180°-HF-Impuls S₂, der durch gleichzeitiges Einschalten eines Gradienten G _{S 2} wieder schichtselektiv gemacht werden kann. Anschließend wird der Gradient G _{m 2} eingeschaltet, dessen zeitlicher Verlauf bestimmt werden soll.

Das Signal S _A aus der Probe enthält Spinechos. Ein Signal-Maximum des Spinechos tritt immer dann auf, wenn die durch den Phasencodiergradienten G _{m 1} erzeugte Dephasierung der Kernspins durch den Gradienten G _{m 2} gerade wieder rückgängig gemacht ist. Der Phasencodiergradient G _{m 1} hat, wie bereits erwähnt, für jeden Schritt i eine unterschiedliche Amplitude und bewirkt somit für jeden Schritt i auch eine unterschiedliche Phasendrehung. In jedem Schritt i tritt ein Echomaximum auf, wenn die Phasendrehung Φ gerade Null ist.

Die durch den Phasencodierungsgradienten G _{m 1} verursacht Phasendrehung Φ i ergibt sich für den Schritt i aus:

Φ i (t) =γ · x · Δ G _{m 1} · i · T _{m 1} (1)

wobei γ die gyromagnetische Konstante, x eine Ortskoordinate in Richtung des Gradienten G _{m 1}, Δ G _{m 1} das Inkrement des Phasencodiergradienten G _{m 1}, um die er je Schritt verändert wird, i die Nummer des jeweiligen Schritts und T _{m 1} die Zeitdauer des Gradienten G _{m 1} ist.

Die durch den Gradienten G _{m 2} verursachte Phasendrehung (t) ergibt sich aus:

Ein Echomaximum erscheint also, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind:

Das während des Gradienten G _{m 2} erhaltene Signal S _A wird in einem festen Zeitraster abgetastet und die je Schritt des Phasencodiergradienten G _{m 1} erhaltenen Meßwerte werden jeweils in einer Zeile einer Meßmatrix abgespeichert. Die Zeilenzahl der Meßmatrix ist somit gleich der Zahl N der Schritte i.

Zur Erläuterung des Auswerteverfahren ist in Fig. 6 schematisch eine Meßmatrix dargestellt, bei der - abweichend von Fig. 4 - eine Rechteckform des Gradienten G _{m 2} angenommen ist. Zur Verdeutlichung sind hierbei die Meßwerte ferner nicht als Digitalwerte eingetragen, sondern in Form von Analogwerten symbolisiert.

Wenn man davon ausgeht, daß beim Schritt i =0 auch der Phasencodiergradient G _{m 1} Null ist und damit keine Dephasierung erfolgt, so folgt auf den 180°-HF-Impuls S₂ das Echo-Maximum am Beginn des Ausleseintervalls. Je höher die Schrittnummer i wird, desto stärker wird auch die Dephasierung durch den Phasencodiergradienten G _{m 1}. Damit braucht ein Gradient G _{m 2} auch länger, um wieder eine Rephasierung und damit ein Echo-Maximum zu bewirken. Das Echomaximum rückt also, wie in Fig. 6 dargestellt, mit zunehmendem Wert i auf der Zeitachse auch immer mehr nach rechts.

Die in Fig. 6 gestrichelt dargestellte Spur der Echo-Maxima kann mathematisch als k-Raum-Trajektorie betrachtet werden. Die Definition des k-Raumes k (t) wurde von S. Ljunggren im "Journal of Magnetic Resonance", 54, 338 wie folgt angegeben:

Diese Definition in Gleichung (3) eingesetzt ergibt:

k (t) = γ · Δ G _{m 1} · i · T _{m 1} (5)

Die k-Raum-Trajektorie kann dann aus der Meßmatrix dadurch bestimmt werden, daß für jeden Wert t die Zeile i bestimmt wird, die das Echo-Maximum enthält.

Aus Gleichung (4) ergibt sich, daß die k-Raum-Trajektorie andererseits auch proportional zum Integral des Gradienten G _{m 2} (t) ist.

Der Zeitverlauf eines (auch modulierten) Gradienten kann damit nach Gleichung (4) als zeitliche Ableitung der k-Raum-Trajektorie k (t) definiert werden:

In Fig. 7 ist zur Veranschaulichung ein Gradient G _{m 2} (t) dargestellt, wie er sich durch zeitliche Ableitung der k-Raum-Trajektorie nach Fig. 6 ergeben würde. Wie bereits in Zusammenhang mit Fig. 6 erläutert, wurde hierbei ein rechteckförmiger Gradient angenommen. Das dargestellte Verfahren ist aber für jede beliebige Gradientenform anwendbar.

Mit der beschriebenen Methode kann der zeitliche Verlauf eines Gradienten mit einer Messung für das gesamte Meßvolumen erfaßt werden. Die Methode kann zur Überwachung der Impulsform, vor allem bezüglich der Wirbelstromkompensation, verwendet werden. Die Genauigkeit des Verfahrens wird durch die Schritthöhe Δ G _{m 1} des Phasencodiergradienten bestimmt.

Das beschriebene Verfahren eignet sich auch sehr gut zur Ermittlung einer Gradienten-Übertragungsfunktion, d. h. dem Verhältnis einer tatsächlich erhaltenen Gradienten-Amplitude zu dem einem Gradientensystem vorgegebenen Sollwert in Abhängigkeit von der Gradientenfrequenz f. Dabei wird dem Gradientensystem beispielsweise ein in Fig. 8 dargestellter Gradienten-Sollwert G _s mit mehreren Frequenzkomponenten vorgegeben. Dabei werden dreieckförmige Impulse mit einer konstanten Anstiegssteilheit verwendet, so daß die Amplitude des Gradienten-Sollwertes G _s der Gradienten-Frequenz umgekehrt proportional ist. Nach dem beschriebenen Verfahren wird dann die tatsächlich erhaltene Gradienten-Amplitude G _{m 2} in Abhängigkeit von der vorgegebenen Frequenz bestimmt. Daraus kann man dann die Gradienten-Übertragungsfunktion G _TF bestimmen, die wie folgt definiert ist:

Ein Beispiel für die Gradienten-Übertragungsfunktion in Abhängigkeit von der Frequenz f des Gradienten ist in Fig. 9 dargestellt.

Claims

1. Verfahren zur Messung des zeitlichen Verlaufs von Magnetfeld-Gradienten in Kernspin-Resonanzgeräten mit Spulen zur Erzeugung von magnetischen Grund- und Gradientenfeldern, und einer Antenne zum Senden und Empfangen von HF-Signalen, wobei eine Probe in N Schritten jeweils mit folgender Impulssequenz beaufschlagt wird:

a) Die Probe wird durch Einstrahlen mindestens eines HF-Impulses (S₁, S₂) angeregt,
b) ein Phasencodiergradient (G _{m 1}) in Richtung des zu messenden Magnetfeld-Gradienten (G _{m 2}) wird eingeschaltet, dessen Amplitude-Zeitintegral von Schritt zu Schritt (i) verändert wird,
c) nach dem Phasencodiergradienten (G _{m 1}) wird der zu messende Magnetfeld-Gradient (G _{m 2}) eingeschaltet,
d) die von der Probe ausgesandten Signale (S _A) werden empfangen, und Meßwerte in einem Zeitraster abgetastet und digitalisiert,
e) die digitalisierten Meßwerte werden je Schritt (i) in eine Zeile einer Meßmatrix abgespeichert,

gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:

f) aufgrund der Meßmatrix wird die k-Raum-Trajektorie als Lage der Maxima der von der Probe ausgesandten Signale (S _A) in der Meßmatrix gebildet,
g) die zeitliche Ableitung der k-Raum-Trajektorie wird gebildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Schritt (i) ein 90°-HF-Impuls (S₁) und ein 180°-HF-Impuls (S₂) eingestrahlt werden und daß der Phasencodiergradient (G _{m 1}) zwischen den beiden HF-Impulsen (S₁, S₂) und der zu messende Magnetfeld-Gradient (G _{m 2}) nach dem 180°-HF-Impuls (S₂) eingeschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Gradientensystem vorgegebener Amplituden-Sollwert für einen Gradienten (G _{m 2}) und ein mit dem Verfahren nach Anspruch 1 bestimmter Amplituden-Istwert des Gradienten (G _{m 2}) bei verschiedenen Gradientenfrequenzen (f) zur Bestimmung einer Übertragungsfunktion miteinander verglichen werden.