DE3742490A1 - Verfahren zur einstellung eines hochfrequenten magnetfeldes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Einstellung von Zuständen eines hochfrequenten [normalerweise radiofrequenten (RF)] Magnetfeldes (sogenannter Anregungsimpulse). Diesem Magnetfeld wird ein zu untersuchendes Objekt ausgesetzt, damit in einem Magnetresonanzabbildungssystem (MRI) magnetische Resonanz angeregt wird. Bei dem Magnetresonanzabbildungssystem wird ein Computer dazu verwendet, Informationen auf der Grundlage eines spezifischen Atomkernspins an einer ausgewählten Scheibe, das heißt, einem interessierenden Teil des Objekts, unter Verwendung der Erscheinung der Magnetresonanz des Atomkernspins zu verarbeiten. Die verarbeitete Information wird zum Aufbau eines Bildes verwendet.

Ein herkömmliches MRI-Diagnosesystem erzeugt ein tomografisches Bild eines ausgewählten Teils eines zu untersuchenden Objekts, das heißt eines lebenden Subjekts. Das Objekt wird in ein gleichförmiges statisches Magnetfeld gebracht. Dem statischen Magnetfeld wird ein pulsierendes Gradientenfeld überlagert. Ein stationäres Gradientenfeld kann anstelle des pulsierenden Gradientenfeldes verwendet werden. Damit die magnetische Resonanz angeregt wird, muß ein pulsierendes hochfrequentes Magnetfeld zusätzlich zu dem statischen Feld und dem Gradientenfeld in einer Richtung senkrecht zum statischen Magnetfeld angelegt werden. Bei dem MRI-System wird ein Magnetresonanz-(MR-)Signal, das aufgrund der angeregten magnetischen Resonanz erzeugt wird, erfaßt und verarbeitet, und man erhält ein tomografisches Bild eines speziellen Teils, der durch eine Kombination aus dem Gradientenfeld und dem hochfrequenten Magnetfeld ausgewählt wird.

Das hochfrequente Magnetfeld enthält Anregungsimpulse, die als 90°- und 180°-Impulse bezeichnet werden. Der 90°-Impuls ist eine hochfrequente Komponente zur Anregung der magnetischen Resonanz zum Drehen eines magnetischen Momentes eines Spinsystems (das heißt eines Kernspins) um 90°, bis das magnetische Moment von einer Richtung parallel zum statischen Magnetfeld in eine Richtung senkrecht dazu geändert wurde. Der 180°-Impuls ist eine hochfrequente Komponente zum Drehen des magnetischen Momentes des Spinsystems um 180° in eine Richtung antiparallel zur Richtung des statischen Magnetfeldes.

Wenn die 90°- und 180°-Zustände dieser hochfrequenten Anregungsimpulse (das heißt der RF-Impulse) und somit die durch die RF-Impulse bestimmten Kippwinkel genau eingestellt sind, kann man ein MR-Signal mit einem hohen Störabstand (Signal-Rausch-Verhältnis) erhalten. Daher ist die Einstellung der Zustände des Kippwinkels der RF-Impulse sehr wichtig.

Der Q-Wert (Gütefaktor) eines Übertragungsspulensystems wird nach Maßgabe von Attributen eines Objekts (zum Beispiel Erwachsener oder Kind, dick oder schlank), also nach Maßgabe von Form und/oder Größe des Objekts verändert. Wenn ein RF-Impuls einer vorgegebenen Leistung bei verschiedenen Objekten angewendet wird, ändern sich die Kippwinkelzustände in Abhängigkeit der verschiedenen Objekte.

Zum Erhalt von RF-Impulsen zur genauen Einstellung eines Kippwinkels von 90° oder 180° für jede einzelne Untersuchung oder einen Aufnahmezyklus beim herkömmlichen MRI-System wird vor der Hauptabtastung in jedem Aufnahmezyklus eine Vorabtastung durchgeführt und ein Spinechosignal auf maximalen Pegel gebracht.

Beispielsweise werden zur Einstellung der Intensität eines hochfrequenten Magnetfeldes Echosignale durch die in den Fig. 1A bis 1C gezeigte Impulsfolge erhalten. H₁ in Fig. 1A zeigt einen RF-Anregungsimpuls. T _E ist die Zeit, die verstreicht, bis nach Anlegen des Impulses H₁ ein Echosignal auftritt. T _R ist die Periode der RF-Impulse H₁.

Wenn die longitudinale und die transversale Relaxationszeitkonstante des Spins mit T₁ bzw. T₂ bezeichnet werden, dann ist die Signalintensität S zum Zeitpunkt t=T _E , die die Bedingung T _R <T₁, T₂ erfüllt, proportional zur y′-Achsenkomponente My′ der Magnetisierung wie folgt:

S ∼ My′ (1)

My′ = M₀′ sin R exp {-(T _E /T₁)} (2)

wobei M₀′ die Anfangsmagnetisierung, das heißt die thermische Gleichgewichtsmagnetisierung, ist.

Unter Änderung der Amplitude des RF-Impulses H₁ wird die Abtastung zum Erhalt von Echosignalen mehrfach durchgeführt. Ein Punkt (die Amplitude des RF-Impulses H₁), der zu einem maximalen Echosignal führt, wird ausgewählt, um Amplitudenbedingungen des 90°-RF-Impulses zu erhalten.

Um den Maximalwert in oben beschriebener Weise zu erhalten, wird der Eingangsleistungspegel verändert und die Abtastung mehrfach durchgeführt und dabei der Maximalwert des Echosignals erhalten. Wenn ein Objekt mit einer eine lange longitudinale Relaxationszeit T₁ enthaltenen Komponente zu untersuchen ist, muß die Anregungswiederholzeit ausreichend verlängert werden (zum Beispiel T _R =3T₁), um einen Einfluß von T₁ auszuschließen. Die Periode oder Wiederholzeit T _R wird deshalb normalerweise auf zwei Sekunden oder länger eingestellt. Zur Einstellung der Zustände des 90°- und des 180°-RF-Impulses wird deshalb eine Zeit von einer Minute oder mehr benötigt. Die für die Hauptabtastung benötigte Zeit konnte in den letzten Jahren verkürzt werden. Eine lange Zeit der Vorabtastung vor der Hauptabtastung ist deshalb das größte Hindernis auf dem Wege zur Verringerung der Gesamtabtastzeit.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Einstellung eines hochfrequenten Magnetfeldes zu schaffen, mit dem sich die Anregungswiederholzeit bei einem MRI- System stark verkürzen läßt, wenn die Zustände der hochfrequenten Anregungsmagnetfeldimpulse justiert und zum Erhalt eines vorbestimmten Kippwinkels eingestellt werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei diesem Verfahren zur Einstellung eines hochfrequenten Magnetfeldes in einem MRI-System wird die Amplitude des hochfrequenten Anregungsmagnetfeldimpulses geändert und dieser Impuls zur Verursachung magnetischer Resonanz angelegt. Dann wird ein magnetisches Resonanzsignal ausgelesen. Dieser Vorgang wird mehrfach wiederholt. Nach jedem Lesezyklus des magnetischen Resonanzsignals wird das Objekt einem hochfrequenten Magnetfeldimpuls entgegengesetzter Phase und gleicher Amplitude wie der hochfrequente Anregungsmagnetfeldimpuls und mit einer Trägerwelle, die, bezogen auf den hochfrequenten Anregungsmagnetfeldimpuls, 180° phasenverschoben ist, ausgesetzt. Das hochfrequente Magnetfeld wird unter Verwendung von Impulsamplituden entsprechend dem maximalen oder dem minimalen Pegel des magnetischen Resonanzsignals eingestellt.

Bei dem herkömmlichen Pulsfolgeverfahren ist es unmöglich, genaue 90°- und 180°-Zustände entsprechend den Signalgrößen dadurch zu finden, daß der Impuls nach jeder kurzen Wiederholzeit TR wiederholt angelegt wird, da zu Beginn des Impulsanlegens Magnetisierungsvektoren mit Ausnahme des Mz′- Vektors als des z′-Achsen-Magnetisierungsvektors vorhanden sind.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird jedesmal, wenn der Signallesevorgang beendet ist, das Objekt einem hochfrequenten Magnetimpuls mit entgegengesetzter Phase und gleicher Amplitude wie der hochfrequente Anregungsmagnetfeldimpuls und mit einer Trägerwelle, die gegenüber der Phase des hochfrequenten Anregungsmagnetfeldimpulses 180° verschoben ist, ausgesetzt. Daher ist zu Beginn des Anlegens des hochfrequenten Anregungsmagnetfeldimpulses nur die Mz′-Vektorkomponente vorhanden. Selbst wenn die Bedingung T _R <T₁, T₂ nicht erfüllt ist, können aufgrund der Größen des Signals genaue Zustände erhalten werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Änderung der Amplitude des hochfrequenten Magnetfeldimpulses gleichbedeutend mit der Änderung der Übertragungsleistung. Daher läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren gut bei einem magnetischen Resonanzabbildungssystem mit automatischer Leistungsregelung, wie es im US-Patent 46 75 608 offenbart ist, einsetzen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Einstellung des hochfrequenten Magnetfeldes kann die Wiederholzeit stark verkürzt werden, wenn die Zustände zum Erhalt eines genauen Kippwinkels des hochfrequenten Magnetfeldimpulses eingestellt werden.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1A bis 1C Zeitdiagramme zur Erläuterung einer herkömmlichen Impulsfolge zum Einstellen der Intensität eines hochfrequenten Magnetfeldes,

Fig. 2A bis 2C Zeitdiagramme zur Erläuterung einer Impulsfolge zum Einstellen eines hochfrequenten Magnetfeldes und

Fig. 3A bis 3C Ansichten zur Erläuterung der Spinzustände in der Folge der Fig. 2A bis 2C.

Die Fig. 2A bis 2C zeigen eine Impulsfolge eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Einstellung eines hochfrequenten Magnetfeldes.

Die in den Fig. 2A bis 2C gezeigte Impulsfolge ergibt sich aus einer Modifikation der Impulsfolge des sogenannten Gradientenechoverfahrens und unterscheidet sich von diesem in folgenden Punkten:

• (1) Nachdem das Echosignal ausgelesen wurde, wird das Objekt einem RF-Impuls H₁ (-x′) entgegengesetzter Phase, der die gleiche Amplitude wie der hochfrequente Anregungsmagnetfeldimpuls, das heißt der RF-Impuls H₁ (x′), aufweist und gegenüber diesem 180° phasenverschoben ist, ausgesetzt.
• (2) Vor dem Anlegen des RF-Impulses H₁ (-x′) werden Gradientenfelder G _{S C} und G _{R C} erzeugt.

Aufgrund der Maßnahme in (1) des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zu Beginn des Anlegens des RF-Anregungsimpulses H₁ (x′) nur der Mz′-Vektor vorhanden.

Die Maßnahme in (2), derzufolge Gradientenfelder G _{S C} und G _{R C} erzeugt werden, ist für die vorliegende Erfindung nicht unbedingt notwendig. Wenn jedoch die Wiederholzeit, verglichen mit der transversalen Relaxationszeit T₂, verkürzt wird, bleibt der Einfluß der transversalen Magnetisierungskomponente zum Zeitpunkt des Anlegens des nächsten RF-Impulses erhalten. Daher wird durch Maßnahme (2) die transversale magnetische Komponente refokussiert.

Bei der in den Fig. 2A bis 2C gezeigten Impulsfolge werden der RF-Impuls H₁ (x′) und das scheibenbildende Gradientenfeld G _S zusammen zur Einwirkung auf das Objekt gebracht, während dieses in einem vorbestimmten statischen Magnetfeld liegt. Das Gradientenfeld G _S wird invertiert und entfernt. Zur gleichen Zeit wird das Objekt in einem invertierten Feld des Lesegradientenfeldes G _R ausgesetzt. Das Gradientenfeld G _R wird dann reinvertiert und zur Einwirkung auf das Objekt gebracht, damit magnetische Resonanzechosignale erhalten werden. Das Gradientenfeld G _R wird dann wieder invertiert und das Gradientenfeld G _{R C} angelegt, um das Feld G _R aufzuheben. Nachdem das Objekt dem invertierten Gradientenfeld G _{S C} des Gradientenfeldes G _S ausgesetzt wurde, wird das invertierte Gradientenfeld erneut invertiert, so daß wieder das Gradientenfeld G _S auf das Objekt einwirkt. Zur gleichen Zeit wird auch der RF-Impuls H₁ (-x′) entgegengesetzter Phase zur Einwirkung auf das Objekt gebracht. Das Gradientenfeld G _S wird dann aufgehoben und der Anfangszustand wieder hergestellt. Die obige Folge wird mehrfach wiederholt.

Die obige Impulsfolge wird wiederholt, wobei die Amplitude des RF-Impulses H₁ (x′) allmählich erhöht wird. Daher können Gradientenechosignale mehrfach erhalten werden.

Der Spinzustand während der wiederholten Abtastung ist in den Fig. 3A bis 3C gezeigt. Der RF-Impuls H₁ (x′) wird zusammen mit dem Gradientenfeld G _S längs der x′-Achse in Fig. 3A angelegt. Wenn der RF-Impuls H₁ (x′) die 90°-Bedingung erfüllt, wird der Spin längs der z′-Achse als der Richtung des statischen Magnetfeldes um 90° gedreht. Das Gradientenfeld G _S wird invertiert und das Gradientenfeld G _R in entgegengesetzter Richtung zur Einwirkung auf das Objekt gebracht. Das Gradientenfeld G _R wird dann invertiert und das Gradientenfeld G _R in einer vorbestimmten Richtung an das Objekt angelegt. Die nach Anlegen des RF-Impulses H₁ (x′) verteilten Spins werden auf der y′-Achse konzentriert, wie in Fig. 3B gezeigt. Wenn diese verteilten Spins auf die y′- Achse konzentriert werden und der Echopegel maximal wird, werden Echosignale erhalten. Nach Anlegen der Gradientenfelder G _{S C} und G _{R C} wird die transversale Magnetisierungskomponente refokussiert, bevor der RF-Impuls H₁ (-x′) entgegengesetzter Phase an das Objekt angelegt wird. Daher werden die Spins richtig mit der y′-Achse des Drehkoordinatensystems (das heißt Mz′=0, Mx′=0 und My′=M ) ausgerichtet. In diesem Zustand wird der RF-Impuls H₁ (-x′) mit Richtwirkung entsprechend der Richtung in Fig. 3C in Kombination mit dem Gradientenfeld G _S an das Objekt angelegt. Die Spins werden in einen Zustand zurückgesetzt, bei dem alle Magnetisierungskomponenten mit der z′-Achse ausgerichtet sind. Wenn der nächste RF-Impuls H₁ (x′) beim nächsten Abtastzyklus angelegt wird, ist nur die Magnetisierungskomponente Mz′ vorhanden. Die nächste Abtastung kann ohne nachteiligen Einfluß der longitudinalen und der transversalen Relaxationszeitkonstanten T₁ bzw. T₂ durchgeführt werden. Aufgrund der bei den mehreren Abtastzyklen erhaltenen Echosignale wird die Amplitude des RF-Impulses, der zum maximalen Echosignal führt, zur genauen Errechnung der 90°- Kippbedingung verwendet. Die Abtast-(Anregungs-)Wiederholzeit kann ohne nachteiligen Einfluß auf die Signalgewinnung, verglichen mit der 90°-180°-Impulsfolgewiederholzeit des herkömmlichen Systems, verkürzt werden. Daher kann die Justierzeit zur Einstellung der Intensität des hochfrequenten Magnetfeldes auf ½₀ bis ¹/₃₀ des herkömmlichen Systems verringert werden.

Wenn die 90°-Impulsbedingung einmal bestimmt ist, kann die RF-Impulsbedingung zum Erhalt anderer Kippwinkel leicht aus einer Proportionalitätsbeziehung errechnet werden. Zum Erhalt beispielsweise der 180°-Impulsbedingung wird die Amplitude des 90°-Impulses verdoppelt.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene spezielle Ausführungsbeispiel beschränkt. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der RF-Impuls ein 90°- Impuls, der bei der Vorabtastung zur Einstellung verwendet wird. Die zu einer maximalen Größe des Echosignals führende Amplitude dient als eine Bedingung zur Gewinnung des 90°- Kippwinkels. Andere RF-Impulsbedingungen, wie beispielsweise die 180°-Impulsbedingung, werden auf der Basis dieser Amplitude bestimmt. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Wenn der 180°-Impuls als RF-Anregungsimpuls verwendet wird, kann die zu einer minimalen Größe des Echosignals führende Amplitude als 180°-Bedingung verwendet werden, und die Amplitude des RF-Impulses, das heißt die Intensität des hochfrequenten Magnetfeldes, kann auf der Basis der minimalen Amplitude bestimmt werden.

Beim obigen Ausführungsbeispiel wird das Gradientenechoverfahren verwendet. Die vorliegende Erfindung kann aber ebenso auf ein Impulsechoverfahren, das heißt eine 90°- 180°-Impulsfolge angewendet werden. In diesem Fall werden ein Gradientenfeld und ein RF-Impuls zur Einwirkung auf das Objekt gebracht, und zwar entsprechend einer symmetrischen Folge bezüglich der Echosignalfolge längs der Zeitbasis. Die Trägerwelle des RF-Impulses nach Erhalt des Echosignals muß zur Phase des RF-Impulses vor Erhalt des Echosignals entgegengesetzt sein.

Beim obigen Ausführungsbeispiel wird zum Erhalt eines sehr genauen Echosignals durch Erhöhen des Signal-Rausch-Verhältnisses während einer Vorabtastechosignalgewinnung das refokussierende Gradientenfeld in symmetrischer Weise mit dem Echo als Mitte längs der Zeitbasis an das Objekt angelegt. Das Refokussieren ist jedoch bei der Erfindung nicht unbedingt notwendig und muß nicht durchgeführt werden. Wenn ein RF-Impuls, dessen Phase dem vor der Echosignalerzeugung angelegten entgegengesetzt ist, nach der Echosignalgewinnung in symmetrischer Weise bezüglich des Echos als Mitte längs der Zeitachse angelegt wird, wird die Aufgabe der Erfindung gelöst.

Claims (5)

1. Verfahren zur Einstellung einer Intensität eines hochfrequenten Magnetfeldes derart, daß zur Einjustierung und Einstellung einer Feldintensität des hochfrequenten Magnetfeldes in einem magnetischen Resonanzabbildungssystem die Amplitude eines hochfrequenten Anregungsmagnetfeldimpulses [H₁ (x′)] nacheinander geändert wird, wiederholt die Anregung der magnetischen Resonanz und das Lesen eines magnetischen Resonanzsignals erfolgen und die Amplitude des hochfrequenten Magnetfeldimpulses [H₁ (x′)], der einem Maximum oder einem Minimum des magnetischen Resonanzsignals der bei mehreren Anregungszyklen erhaltenen Signale entspricht, als Bezug bei der Einstellung der Intensität des hochfrequenten Magnetfeldes verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein hochfrequenter Magnetfeldimpuls [H₁ (-x′)] entgegengesetzter Phase, der die gleiche Amplitude wie der hochfrequente Anregungsmagnetfeldimpuls aufweist und eine Trägerwelle hat, die zur Phase des hochfrequenten Anregungsmagnetfeldimpulses [H₁ (x′)] 180° phasenverschoben ist, nach Abschluß des Lesens des magnetischen Resonanzsignals und vor dem Beginn des nächsten magnetischen Resonanzzyklus an das Objekt angelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hochfrequente Magnetfeldimpuls [H₁ (x′)] entgegengesetzter Phase an das Objekt zu einem Zeitpunkt angelegt wird, der unter Verwendung jedes magnetischen Resonanzsignals als Mitte längs einer Zeitbasis symmetrisch zu dem hochfrequenten Anregungsmagnetfeldimpuls [H₁ (x′)] liegt, und daß ein Gradientenfeld (G _S , G _R ) unter Verwendung des magnetischen Resonanzsignals als Mitte längs der Zeitbasis in symmetrischer Weise nach jedem der magnetischen Resonanzsignale angelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Resonanzsignal ein aufgrund magnetischer Resonanz erhaltenes Spinechosignal ist.

4. Verfahren zur Einjustierung und Einstellung einer Feldintensität eines hochfrequenten Magnetfeldes in einem magnetischen Resonanzabbildungssystem, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt:
einen ersten Schritt des Anlegens eines hochfrequenten Anregungsmagnetfeldimpulses [H₁ (x′)] an das zu untersuchende Objekt,
einen zweiten Schritt des Lesens eines magnetischen Resonanzsignals, das in dem Objekt induziert wurde,
einen dritten Schritt des Anlegens eines hochfrequenten Magnetfeldimpulses [H₁ (-x′)] entgegengesetzter Phase, der die gleiche Amplitude wie der hochfrequente Anregungsmagnetfeldimpuls [H₁ (x′)] und eine Trägerwelle aufweist, die in bezug auf die Phase des hochfrequenten Anregungsmagnetfeldimpulses [H₁ (x′)] 180° phasenverschoben ist,
einen vierten Schritt des sequentiellen Änderns der Amplitude des hochfrequenten Anregungsmagnetfeldimpulses [H₁ (x′)] und des Wiederholens des ersten bis dritten Schrittes,
einen fünften Schritt der Ermittlung der Größe eines maximalen oder eines minimalen Wertes eines Signals einer Vielzahl von im vierten Schritt erhaltenen magnetischen Resonanzsignalen und des Erhaltens einer Amplitude des hochfrequenten Anregungsmagnetfeldimpulses [H₁ (x′)], der der ermittelten Größe entspricht, und
einen sechsten Schritt der Einstellung der Feldintensität des hochfrequenten Magnetfeldes unter Verwendung der im fünften Schritt erhaltenen Amplitude als Bezug.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schritt den Schritt des Anlegens eines scheibenbildenden Gradientenfeldes (G _S ) einer ersten Richtung zusammen mit dem hochfrequenten Anregungsmagnetfeldimpuls [H₁ (x′)] umfaßt, daß zwischen dem ersten und dem zweiten Schritt ein siebter Schritt vorgesehen ist, um das Gradientenfeld (G _S ) der ersten Richtung zu invertieren und aufzuheben und das Objekt einem Gradientenfeld (G _R ) einer zweiten Richtung auszusetzen, das durch Invertieren eines Lesegradientenfeldes (G _R ) erhalten wird, daß der zweite Schritt den Schritt der Gewinnung des Echosignals, der Invertierung des Gradientenfeldes (G _R ) der zweiten Richtung und des Anlegens des Lesegradientenfeldes (G _R ) an das Objekt umfaßt, daß zwischen dem zweiten und dem dritten Schritt ein achter Schritt zur Invertierung und Aufhebung des Gradientenfeldes (G _R ) der zweiten Richtung und zum Anlegen eines invertierten Gradientenfeldes (G _S ) des Gradientenfeldes der ersten Richtung (G _S ) an das Objekt vorgesehen ist und daß der dritte Schritt den Schritt des Anlegens des Magnetfeldimpulses [H₁ (-x′)] entgegengesetzter Phase und eines weiteren invertierten Gradientenfeldes (G _S ) der ersten Richtung an das Objekt umfaßt.