DE3729306A1 - Verfahren zur bestimmung der kernmagnetisierungsverteilung in einer schicht eines untersuchungsbereiches und kernspintomograph zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Kernmagnetisierungsverteilung in einer Schicht eines Untersuchungsbereiches, bei dem eine Anzahl von Sequenzen in Anwesenheit eines stationären Magnetfeldes auf den Untersuchungsbereich einwirkt, wobei jede Sequenz wenigstens einen Hochfrequenzimpuls umfaßt, während dessen ein magnetisches Gradientenfeld mit senkrecht zur Schicht verlaufendem Gradienten wirksam ist. Außerdem betrifft die Erfindung einen Kernspintomographen zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bekanntlich nimmt die Amplitude eines Kernspinresonanz­ signales, das in einem Untersuchungsbereich erzeugt wird, nachdem in Anwesenheit eines stationären homogenen Magnet­ feldes ein zu diesem Feld senkrecht verlaufendes hochfre­ quentes Magnetfeld mit Lamorfrequenz auf ihn eingewirkt hat, exponentiell mit der Zeit ab. Dementsprechend ändert sich auch das Signal-Rauschverhältnis mit der Zeit. Die Zeitkonstante, mit der diese Abnahme erfolgt, ist dabei durch die sogenannte Spin-Spin-Relaxationszeit bzw. die Quer-Relaxationszeit T 2 gegeben - falls das stationäre Magnetfeld exakt homogen ist; andernfalls ist sie noch kürzer. Die Relaxationszeit T 2 hängt einerseits von der Art der Atomkerne ab, deren Resonanz durch das Hochfre­ quenzfeld angeregt wird und andererseits von der Art ihrer Bindung im Untersuchungsbereich. In verschiedenen Fällen ergeben sich dabei relativ kurze Relaxationzeiten. So liegt beispielsweise die Querrelaxationzeit des Natrium­ isotops 23, wenn es sich in den Zellen des menschlichen Körpers befindet, in der Größenordnung von wenigen ms.

Es leuchtet ein, daß in solchen Fällen der Zeitraum zwischen der Anregung der Kerne durch den Hochfrequenz­ impuls und dem Meßintervall, in denen das Kernspin-reso­ nanzsignal zum Zwecke der Rekonstruktion der Kernmagneti­ sierungsverteilung empfangen und digitalisiert wird, möglichst kurz sein muß. Dieser Zeitraum wird auch als Echozeit bezeichnet.

Die kürzesten Echozeiten ergeben sich, wenn nach einem Hochfrequenzanregungsimpuls die im freien Induktions­ zerfall auftretenden Signale, die sogenannten FID-Signale, ausgewertet werden. Wenn mit einem solchen Hochfrequenz­ impuls jedoch nur die Kernmagnetisierung in einer Schicht angeregt werden soll, können auch hierbei noch relativ große Echozeiten auftreten. Solche Hochfrequenzimpulse, die als selektive Hochfrequenzimpulse bezeichnet werden, haben nämlich eine Bandbreite, die der Dicke der anzure­ genden Schicht proportional ist. Je dünner die anzuregende Schicht ist, desto länger dauert daher der sie anregende Hochfrequenzimpuls und desto größer ist naturgemäß die Echozeit für die FID-Signale. Es kommt hinzu, daß bei selektiven Hochfrequenzimpulsen ein magnetisches Gradien­ tenfeld eingeschaltet ist, dessen Gradient nach dem Hoch­ frequenzimpuls invertiert werden muß, damit die Kernmagne­ tisierung bei Beginn des Meßintervalles überall innerhalb der Schicht die gleichen Phasenlagen hat. Daraus resultie­ ren in der Praxis Echozeiten von einigen ms.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß sich besonders kurze Echozeiten ergeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede Sequenz zwei Teilsequenzen umfaßt, daß die eine Teilsequenz einen selektiven 180°-Hochfrequenzimpuls und einen darauf folgenden nichtselektiven Hochfrequenzimpuls und die andere Teilsequenz einen mit dem nichtselektiven Hoch­ frequenzimpuls identischen Hochfrequenzimpuls umfaßt, und daß die Differenz der nach den Teilsequenzen beim freien Induktionszerfall auftretenden Kernresonanzsignale gebil­ det wird.

Die Erfindung basiert auf folgender Überlegung: Die Teil­ sequenz mit dem nichtselektiven Hochfrequenzimpuls liefert ein erstes FID-Signal, das Information über das gesamte Objekt enthält. In der Teilsequenz mit dem selektiven 180°-Hochfrequenzimpuls wird durch diesen die Kernmagneti­ sierung innerhalb einer Schicht invertiert, deren Dicke von der Bandbreite dieses Hochfrequenzimpulses und von der Größe des Gradienten des während dieses Hochfrequenz­ impulses wirksamen magnetischen Gradientenfeldes abhängt. Wenn dann in dieser Teilsequenz der nichtselektive Hoch­ frequenzimpuls folgt, ergibt sich danach ein zweites FID- Signal mit Signalkomponenten aus dem Untersuchungsbereich außerhalb der Schicht, die die gleiche Phasenlage haben wie beim ersten FID-Signal und Signalkomponenten aus der Schicht, die wegen der Invertierung der Kernmagnetisierung die entgegengesetzte Phasenlage haben. Subtrahiert man daher die beiden FID-Signale voneinander, dann enthält die Differenz nur noch Information über die Kernmagnetisierung innerhalb der Schicht.

In beiden Teilsequenzen wird das FID-Signal durch den nichtselektiven Hochfrequenzimpuls verursacht. Dieser kann, auch wenn eine dünne Schicht angeregt werden soll, relativ breitbandig sein, und während dieses Impulses ist kein magnetisches Gradientenfeld eingeschaltet. Der Abstand von der Mitte des Hochfrequenzimpulses bis zum Beginn des Meßintervalles, in dem die FID-Signale empfan­ gen werden, kann daher bei den beiden Teilsequenzen viel kürzer sein, als bei einer Sequenz, bei der die Kernmagne­ tisierung in der Schicht unmittelbar durch einen selekti­ ven Hochfrequenzimpuls angeregt wird.

Wenn der selektive 180°-Hochfrequenzimpuls von einer nichtidealen Hochfrequenzspule erzeugt wird, besteht die Möglichkeit, daß die Kernmagnetisierung nicht überall innerhalb der Schicht um 180° gekippt wird. Die Kernmagne­ tisierung enthält dann auch eine senkrecht zum stationären Hauptmagnetfeld verlaufende Komponente, die zu einem Kern­ resonanzsignal führen kann, das sich dem FID-Signal über­ lagert, das nach dem nichtselektiven Hochfrequenzimpuls auftritt. Die daraus resultierende Verfälschung des Meß­ ergebnisses läßt sich nach einer Weiterbildung der Erfin­ dung dadurch vermeiden, daß jede Sequenz noch mindestens eine weitere Teilsequenz mit den gleichen Hochfrequenz­ impulsen wie die eine Teilsequenz umfaßt, wobei jedoch der 180°-Hochfrequenzimpuls so gestaltet ist, daß die Kern­ magnetisierung mit entgegengesetztem Drehsinn gekippt wird wie bei der einen Teilsequenz und daß die nach der weite­ ren Teilsequenz im freien Induktionszerfall auftretenden Kernresonanzsignale zu den Kernresonanzsignalen der einen Teilsequenz addiert wird.

Bei der weiteren Teilsequenz hat die unerwünschte Kompo­ nente der Kernmagnetisierung nämlich die entgegengesetzte Richtung wie bei der einen Teilsequenz. Infolgedessen haben die daraus resultierenden Kernresonanzsignale auch die entgegengesetzte Phasenlage und kompensieren sich bei der Addition.

Um die Verteilung der Kernmagnetisierung in der Schicht bestimmmen zu können, ist es erforderlich, die Frequenz oder die Phase der Kernspins in der angeregten Schicht ortsabhängig zu beeinflussen. Dazu könnte an sich ein zweidimensionales Fourierverfahren verwendet werden, bei dem nach dem Hochfrequenzimpuls und vor der Erfassung des FID-Signals ein magnetisches Gradientenfeld mit von Sequenz zu Sequenz variierender Größe des Gradienten eingeschaltet wird. Hierdurch würde jedoch die Echozeit vergrößert. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht daher vor, daß nach dem nichtselektiven Hochfrequenzimpuls einer jeden Teilsequenz ein magnetisches Gradientenfeld einge­ schaltet wird, dessen Richtung von Sequenz zu Sequenz geändert wird. Bei einem derartigen Rückprojektions- Rekonstruktions-Verfahren kann die Messung bekanntlich erfolgen, solange die magnetischen Gradientenfelder anliegen.

Ein Kernspin-Tomograph zur Durchführung des Verfahrens der versehen ist mit einem Magneten zur Erzeugung eines homo­ genen stationären Magnetfeldes, einer Gradientenspulen­ anordnung zur Erzeugung von in Richtung des stationären Magnetfeldes verlaufenden Magnetfeldern mit in verschie­ denen Richtungen verlaufenden Gradienten, einer Hochfre­ quenzspulenanordnung zum Erzeugen eines hochfrequenten, zum stationären Feld senkrechten Magnetfeldes und zum Auf­ nehmen von Kernresonanzsignales, einem Empfänger, dem die aufgenommenen Kernresonanzsignale zugeführt werden, einer Recheneinheit, die aus den Empfangssignalen die Verteilung der Kernmagnetisierung in einer Schicht bestimmt und mit einer Steuereinheit, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit die Hochfrequenzspulenanordnung und die Gradientenspulenanordnung so steuert, daß die eine Teilse­ quenz einen selektiven 180°-Hochfrequenzimpuls und einen nichtselektiven Hochfrequenzimpuls und die andere Teilse­ quenz einen mit dem nichtselektiven Hochfrequenzimpuls identischen Hochfrequenzimpuls umfaßt und daß die Rechen­ einheit, die von dem Empfänger im Anschluß an die Teilse­ quenzen gelieferten Signale voneinander subtrahiert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Kernspinuntersuchungsgerät, bei dem die Erfindung anwendbar ist,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines solchen Gerätes,

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf verschiedener Signale bei einer erfindungsgemäßen Sequenz.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Kernspin-Tomograph 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 konzen­ trisch angeordneten Spulen 1 können auf einer Kugelober­ fläche 2 angeordnet sein. Im Inneren dieser Spule 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 sind vier Spulen 7 vorgesehen, die ein ebenfalls in z-Richtung verlaufendes magnetisches Gradientenfeld Gx erzeugen, dessen Gradient jedoch in x-Richtung verläuft. Ein in z-Richtung verlaufendes magnetisches Gradientenfeld Gy mit einem Gradienten in y-Richtung wird von vier Spulen 5 erzeugt, die mit den Spulen 7 identisch sein können, die jedoch diesen gegen­ über um 90° räumlich versetzt angeordnet sind. Von diesen vier Spulen 5 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 Koordina­ tenursprung des erwähnten kartesischen x,y,z-Koordinaten­ system bildet, nur durch das stationäre homogene Magnet­ feld der Spulenanordnung 1 bestimmt. Weiterhin ist eine Hochfrequenzspule 11 symmetrisch zur Ebene z = O des Koordi­ natensystemes angeordnet, die so ausgebildet ist, das 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 einen oder mehrere Hochfrequenzimpulse dient die Hoch­ frequenzspule 11 zum Empfangen der durch Kernspinresonanz im Untersuchungsbereich erzeugten Echosignale. Statt dessen könnte aber auch eine gesonderte Hochfrequenz- Empfangsspule verwendet werden.

Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild dieses Kernspintomographen. Die Hochfrequenzspule 11 ist über eine Umschalteinrichtung 12 einerseits an einen Hochfre­ quenzgenerator 4 und andererseits an einen Hochfrequenz­ empfänger 6 angeschlossen.

Der Hochfrequenzgenerator 4 enthält einen in seiner Frequenz digital steuerbaren Hochfrequenzoszillator 40, der Schwingungen mit einer Frequenz gleich der Larmor­ frequenz derjenigen Atomkerne, deren räumliche Verteilung in der Schicht ermittelt werden soll, bei der von den Spulen 1 erzeugten Feldstärken aufweist. 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 Wasser­ stoffprotonen 42,56 MHz/T und für das Natriumisotop Na 23 11,26 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 Eingang mit einem digitalen Speicher 45 verbunden ist. Aus dem Speicher 45 wird - gesteuert durch eine Steuereinrich­ tung 15 - eine Folge von ein Hüllkurvensignal darstel­ lenden digitalen Datenworten ausgelesen.

Die Mischstufe 43 verarbeitet die ihr zugeführten Ein­ gangssignale so, daß an ihrem Ausgang die mit dem Hüll­ kurvensignal modulierte Trägerschwingung erscheint. Das Ausgangssignal der Mischstufe 43 wird über einen von der Steuereinrichtung 15 gesteuerten Schalter 46 einem Hoch­ frequenz-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 die in der Hochfrequenzspule 11 induzierten, durch Kernspin­ resonanz hervorgerufenen Echosignale zugeführt werden, wenn die Umschalteinrichtung 12 entsprechend gesteuert ist. Der Verstärker 60 besitzt einen von der Steuerein­ richtung 15 gesteuerten Stummschalteingang, über den er gesperrt werden kann, so daß die Verstärkung praktisch Null ist. Der Ausgang des Verstärkers 60 ist mit den ersten Eingängen zweier multiplikativer Mischstufen 61 und 62 verbunden, die jeweils ein dem Produkt ihrer Eingangs­ signale entsprechendes Ausgangssignal 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 Eingängen eine Phasenverschie­ bung von 90° besteht. Diese Phasenverschiebung wird mit Hilfe eines 90°-Phasendrehgliedes 48 erzeugt, dessen Aus­ gang 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 darüber liegenden 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 Niederfre­ quenzbereich transportierten Signale in eine Folge digi­ taler Datenworte umgesetzt und in dem Speicher 14 gespei­ chert werden können.

Die drei Spulenanordnungen 3, 5 und 7 werden von Strom­ generatoren 23, 25 und 27 jeweils mit einem Strom versorgt, dessen zeitlicher Verlauf durch die Steuerein­ heit 15 steuerbar ist. Die im Speicher 14 gespeicherten Datenworte bzw. Abtastwerte werden einem Rechner 17 zuge­ führt, der daraus die räumliche Verteilung der Kern­ magnetisierung in der untersuchten Schicht ermittelt und die ermittelte Verteilung an einer geeigneten Wiedergabe­ einheit, z.B. einem Monitor 18, ausgibt.

Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der von der Hochfre­ quenzspule 11 und den Gradientenspulen 3,5 und 7 erzeugten Signale und die Lage der Abtastzeitpunkte, an denen das Kernresonanzsignal abgestastet wird.

In der ersten Zeile von Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf der Hochfrequenzimpulse dargestellt. Der erste Hochfre­ quenzimpuls HF 1 ist ein 180°-Impuls. Während dieses Hoch­ frequenzimpulses wird durch die Steuereinheit 15 der Stromgenerator 23 eingeschaltet, so daß die Gradienten­ spulen 3 ein magnetisches Gradientenfeld Gz mit einem in z-Richtung verlaufenden Gradienten erzeugen (vgl. zweite Zeile von Fig. 3). Dadurch wird eine zur z-Achse senkrech­ te Schicht festgelegt. Wenn die ausgewählte Schicht anders orientiert sein soll, müssen statt dessen während des Hochfrequenzimpulses HF 1 die Stromgeneratoren 25 oder 27 eingeschaltet werden. Soll die Schicht schräg in Bezug auf das kartesische Koordinatensystem liegen, müssen zwei oder alle Stromgeneratoren gleichzeitig eingeschaltet werden. Die Dicke der Schicht ist durch die Bandbreite des Hoch­ frequenzimpulses und den Gradienten des magnetischen Gradientenfeldes Gz bestimmt.

Der Hochfrequenzimpuls HF 1 hat in Verbindung mit dem magnetischen Gradientenfelde Gz die Wirkung, daß die Kern­ magnetisierung innerhalb der Schicht invertiert wird. Sie verläuft innerhalb der Schicht also antiparallel zum stationären homogenen Magnetfeld, das von den Spulen 1 erzeugt wird und außerhalb der Schicht verläuft sie parallel dazu.

Nach dem selektiven 180°-Hochfrequenzimpuls HF 1 wird ein nichtselektiver Hochfrequenzimpuls HF 2 eingeschaltet, d.h. während dieses Hochfrequenzimpulses ist kein magne­ tisches Gradientenfeld wirksam. Der Hochfrequenzimpuls HF 2 ist vorzugsweise ein 90°-Hochfrequenzimpuls. Dadurch wird die Kernmagnetisierung im gesamten Untersuchungsbereich (um 90°) gekippt wobei die Kernmagnetisierung innerhalb der Schicht der Kernmagnetisierung außerhalb der Schicht entgegengerichtet ist.

Unmittelbar nach dem Ende des Hochfrequenzimpulses HF 2 werden die Stromgeneratoren 25 und 27 eingeschaltet, so daß magnetische Gradientenfelder Gx, Gy (vgl. dritte und vierte Zeile) mit einem Gradienten eingeschaltet werden, der senkrecht zu dem während des ersten Hochfrequenzimpulses HF 1 wirksamen Gradienten Gz verläuft. Gleichzeitig wird der Umschalter 12 in die in Fig. 2 dargestellte Stellung gebracht und der Taktgene­ rator 16 freigegeben. Infolgedessen werden die beim freien Induktionszerfall entstehenden und in der Hochfrequenz­ spule 11 induzierten FID-Signale im Empfänger 6 demodu­ liert und in eine Folge von Datenworten umgesetzt, die dem Speicher 14 zugeführt werden (vgl. fünfte Zeile). Sobald die magnetischen Gradientenfelder Gx und Gy ausgeschaltet werden, wird der Taktgenerator 16 wieder von der Steuer­ einrichtung blockiert.

Nach einem hinreichend langen Zeitraum beginnt eine weitere Teilsequenz, die jedoch nur einen einzigen nicht­ selektiven Hochfrequenzimpuls HF 3 umfaßt, dessen zeit­ licher Verlauf mit dem des Hochfrequenzimpulses HF 2 iden­ tisch ist. Dieser kippt die Kernmagnetisierung im gesamten Untersuchungsbereich (vorzugsweise um 90°) in die gleiche Richtung. Nach dem Hochfrequenzimpuls HF 3 werden - im gleichen zeitlichen Abstand wie vom Hochfrequenzimpuls HF 2 - die magnetischen Gradientenfelder Gx und Gy mit der gleichen Größe wie zuvor eingeschaltet und das demodu­ lierte FID-Signal in eine Folge von digitalen Datenworten umgesetzt.

Nach dem Hochfrequenzimpuls HF 3 hat außerhalb der angereg­ ten Schicht die Kernmagnetisierung die gleiche Größe und Phase wie nach dem Hochfrequenzimpuls HF 2. Die hieraus resultierenden Komponenten in den FID-Signalen kompensie­ ren sich daher, wenn die FID-Signale der beiden Teil­ sequenzen voneinander subtrahiert werden. - Auf der ande­ ren Seite hat nach dem Hochfrequenzimpuls HF 3 die Kern­ magnetisierung innerhalb der Schicht die entgegengesetzte Phasenlage wie nach dem Hochfrequenzimpuls HF 2, weil diese vor dem Hochfrequenzimpuls HF 2 durch den Hochfrequenz­ impuls HF 1 invertiert wurde. Bei einer Subtraktion der FID- Signale der beiden Teilsequenzen addieren sich daher die Komponenten, die aus der vom Hochfrequenzimpuls HF 1 beein­ flußten Schicht stammen, und das nach der Subtraktion ent­ stehende Signal ist ein Maß für die Kernmagnetisierung ausschließlich innerhalb der Schicht.

Da die FID-Signale unmittelbar nach Abschalten der schmal­ bandigen und daher relativ kurzen Hochfrequenzimpulse HF 2 bzw. HF 3 aufgenommen werden, ergibt sich eine relativ kurze Echozeit und damit ein gutes Signal-Rausch-Verhält­ nis - auch beim Nachweis von Stoffen mit sehr kurzer Quer­ relaxationszeit.

Nach der Teilsequenz mit dem Hochfrequenzimpuls HF 3 folgt eine weitere Sequenz (wiederum mit den beiden Teilsequen­ zen mit den Hochfrequenzimpulsen HF 1, HF 2, HF 3, usw.), wobei der einzige Unterschied gegenüber der vorhergehenden Sequenz ist, das die Größe des Gradienten der magnetischen Gradientenfelder Gx und Gy variiert wird, derart, daß die Summe der Quadrate dieser Gradienten konstant bleibt. Es wird also lediglich von Sequenz zu Sequenz die Richtung des resultierenden Gradienten geändert. Dies wird wieder­ holt, bis für eine Vielzahl von Gradientenrichtungen die Differenz der FID-Signale der beiden Teilsequenzen gebil­ det ist. Aus diesen Differenzen wird in an sich bekannter Weise die Kernmagnetisierungsverteilung innerhalb der Schicht rekonstruiert.

Es sind verschiedene Modifikationen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich.

• a) Bei der vorstehenden Erläuterung wurde davon ausge­ gangen, daß die Hochfrequenzimpulse HF 2 und HF 3 den Kernmagnetisierungsvektor (in einem mit Larmorfrequenz mit rotierendem Koordinatensystem)jeweils mit gleichem Drehsinn um die gleiche Achse kippen. Es ist jedoch auch möglich, die Kernmagnetisierung in den beiden Teilsequenzen um die gleiche Achse aber mit entgegen­ gesetztem Drehsinn zu kippen. In diesem Fall weist nach den beiden Hochfrequenzimpulsen HF 2 und HF 3 die Kern­ magnetisierung außerhalb der Schicht in entgegenge­ setzte Richtung und innerhalb der Schicht in die glei­ che Richtung. Deshalb müssen die beiden Signale addiert werden, damit sich die Komponenten der FID-Signale kompensieren, die von der Kernmagnetisierung außerhalb der Schicht bestimmt sind. - Die geschilderte Änderung der Drehrichtung des Kernmagnetisierungsvektors läßt sich dadurch erreichen, daß zwischen den beiden Teil­ sequenzen entweder das Signal des Oszillators 40 oder das aus dem Speicher 45 entnommene Hüllkurvensignal invertiert wird.
• b) Vorstehend wurde davon ausgegangen, daß die beiden Teilsequenzen, die jeweils mit der gleichen Größe der Gradienten Gx, Gy durchgeführt werden, unmittelbar auf­ einander folgen. Es ist jedoch auch möglich, zunächst nur die Teilsequenzen der einen Art (z.B. die mit den Hochfreqenzimpulsen HF 1 und HF 2) mit von Teilsequenz zu Teilsequenz geänderter Richtung des Gradienten durchzu­ führen und anschließend die Teilsequenzen der anderen Art - wiederum mit von Teilsequenz zu Teilsequenz geän­ derter Gradientenrichtung. Allerdings wird hierbei der zeitliche Abstand zwischen zwei zusammengehörenden Teilsequenzen vergrößert und damit auch die Gefahr von Bewegungsartefakten.
• c) Vorstehend wurde davon ausgegangen, daß vor der Rekon­ struktion der Kernmagnetisierung zunächst die FID- Signale von zusammengehörenden Teilsequenzen überlagert (addiert bzw. subtrahiert) werden. Da die Rekonstruk­ tion der Kernmagnetisierungsverteilung (Fourier-Trans­ formation und Rückprojektion) jedoch ein linearer Prozeß ist, ist auch eine umgekehrte Reihenfolge möglich. Es kann also zunächst aus den Teilsequenzen der einen Art (z.B. HF 1 und HF 2) und dann aus den Teil­ sequenzen der anderen Art (HF 3) je ein Bild rekonstru­ iert werden, und die beiden Bilder können einander überlagert (subtrahiert bzw. addiert) werden. Aller­ dings ergibt sich hieraus ein vergrößerter Speicher­ platzbedarf.

In der Praxis läßt sich insbesondere bei ausgedehnten Objekten nicht immer erreichen, daß überall innerhalb der Schicht die Kernmagnetisierung durch den Hochfrequenz­ impuls HF 1 um genau 180° gekippt wird. Das bedeutet, daß nach dem Hochfrequenzimpuls die Kernmagnetisierung nicht überall in der Schicht exakt antiparallel zum stationären homogenen Hauptmagnetfeld der Spulenanordnung 1 ist, son­ dern eine dazu senkrechte Komponente aufweist. Der Zerfall dieser Komponente erzeugt ein Kernresonanzsignal, das sich dem nach dem Hochfrequenzimpuls HF 2 auftretenden FID- Signal überlagert und einen Fehler in der Rekonstruktion der Kernmagnetisierungsverteilung innerhalb der Schicht hervorruft. Dieser Fehler läßt sich dadurch beseitigen, daß jede Sequenz noch wenigstens eine weitere Teilsequenz umfaßt, die ebenso wie die eine Teilsequenz einen selekti­ ven 180°-Hochfrequenzimpuls und einen darauf folgenden nichtselektiven Hochfrequenzimpuls umfaßt, mit dem einzi­ gen Unterschied, daß der selektive 180°-Hochfrequenzimpuls die Kernmagnetisierung zwar um die gleiche Achse, jedoch mit entgegengesetzter Drehrichtung kippt wie der Hoch­ frequenzimpuls HF 1 der einen Teilsequenz. Der unterschied­ liche Drehsinn läßt sich dabei dadurch erreichen, daß entweder das vom Oszillator 40 gelieferte Signal oder das dem Speicher 45 entnommene Hüllkurvensignal invertiert wird.

Auch bei dem selektiven 180°-Hochfrequenzimpuls dieser dritten Teilsequenz ergeben sich an einigen Stellen inner­ halb der Schicht Komponenten des Vektors der Kernmagneti­ sierung, die senkrecht zur Richtung des stationären homo­ genen Magnetfeldes verlaufen. Diese Komponeneten treten an der gleichen Stelle auf wie die mit dem Hochfrequenzimpuls HF 1 verknüpften Komponenten, haben jedoch die entgegen­ gesetzte Richtung, so daß die daraus resultierenden Kern­ resonanzsignale sich kompensieren, wenn die entsprechenden FID-Signale addiert werden. Allerdings hat dies zur Folge, daß das verbleibende Signal, das mit der zum stationären Feld antiparallelen Kernmagnetisierung innerhalb der Schicht verknüpft ist, doppelt so groß ist, wie zuvor. Vor der geschilderten Überlagerung mit dem FID-Signal der Teilsequenz mit dem Hochfrequenzimpuls HF 3 muß daher entweder die Amplitude des letzteren verdoppelt werden, oder es muß für jede Sequenz eine vierte Teilsequenz erzeugt werden, mit dem gleichen zeitlichen Verlauf wie die mit dem Hochfrequenzimpuls HF 3, wobei jeweils die FID- Signale der beiden gleichartigen Teilsequenzen zueinander addiert und von den jeweils andersartigen Teilsequenzen subtrahiert werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Bestimmung der Kernmagnetisierungs­ verteilung in einer Schicht eines Untersuchungsbereiches, bei dem eine Anzahl von Sequenzen in Anwesenheit eines stationären Magnetfeldes auf den Untersuchungsbereich einwirkt, wobei jede Sequenz wenigstens einen Hochfre­ quenzimpuls umfaßt, währenddessen ein magnetisches Gradientenfeld mit senkrecht zur Schicht verlaufendem Gradienten wirksam ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Sequenz zwei Teilsequen­ zen umfaßt, daß die eine Teilsequenz einen selektiven 180°-Hochfrequenzimpuls (HF 1) und einen darauf folgenden nichtselektiven Hochfrequenzimpuls (HF 2) und die andere Teilsequenz einen mit dem nichtselektiven Hochfrequenz­ impuls identischen Hochfrequenzimpuls (HF 3) umfaßt, und daß die beim freien Induktionszerfall auftretenden Kern­ resonanzsignale einander derart überlagert werden, daß sich die aus dem Untersuchungsbereich außerhalb der durch den selektiven Hochfrequenzimpuls (HF 1) angeregten Schicht herrührenden Signalkomponenten kompensieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Sequenz noch mindestens eine weitere Teilsequenz mit den gleichen Hochfrequenz­ impulsen wie die eine Teilsequenz umfaßt, wobei jedoch der 180°-Hochfrequenzimpuls so gestaltet ist, daß die Kern­ magnetisierung mit entgegengesetztem Drehsinn gekippt wird wie bei der einen Teilsequenz und daß die nach der weite­ ren Teilsequenz im freien Induktionszerfall auftretenden Kernresonanzsignale zu den Kernresonanzsignalen der einen Teilsequenz addiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem nichtselektiven Hoch­ frequenzimpuls einer jeden Teilsequenz ein magnetisches Gradientenfeld (6 x, 6 y) eingeschaltet wird, dessen Richtung von Sequenz zu Sequenz geändert wird.

4. Kernspintomograph zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Magneten (1) zur Erzeugung eines homogenen stationären Magnetfeldes, einer Gradienten­ spulenanordnung (3, 5, 7) zur Erzeugung von in Richtung des stationären Magnetfeldes verlaufenden Magnetfeldern mit in verschiedenen Richtungen verlaufenden Gradienten, einer Hochfrequenzspulenanordnung (11) zum Erzeugen eines hochfrequenten, zum stationären Feld senkrechten Magnet­ feldes und zum Aufnehmen von Kernresonanzsignales, einem Empfänger (6), dem die aufgenommenen Kernresonanzsignale zugeführt werden, einer Recheneinheit (17), die aus den Empfangssignalen die Verteilung der Kernmagnetisierung in einer Schicht bestimmt und mit einer Steuereinheit (15), dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (15) die Hochfrequenzspulenanordnung (11) und die Gradientenspulen­ anordnung (3, 5, 7) so steuert, daß die eine Teilsequenz einen selektiven 180°-Hochfrequenzimpuls und einen nicht­ selektiven Hochfrequenzimpuls und die andere Teilsequenz einen mit dem nichtselektiven Hochfrequenzimpuls identi­ schen Hochfrequenzimpuls umfaßt und daß die Recheneinheit die von dem Empfänger im Anschluß an die Teilsequenzen gelieferten Signale voneinander subtrahiert.