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Die Erfindung betrifft allgemein ein verbessertes
NMR-Bildformungsverfahren, das zur Erfassung eines
Körperquerschnittsbildes eines Patienten benutzt wird, wobei
Abtastdaten verwendet werden, die durch einen
Kernspinresonanzeffekt vom Patienten gewonnen werden. Genauer gesagt
ermöglicht dieses NMR-Bildformungsverfahren eine Bildformung
unter Verwendung einer nichtquadratischen Abtastmatrix mit
unterschiedlichen vertikalen und horizontalen Abmessungen
bei Aufrechterhaltung einer isotropen Pixelauflösung.
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Eine NMR-Bildformungseinrichtung besteht aus einem
magnetischen Teil, der eine statische Magnetfeldspule zur Erzeugung
eines homogenen statischen Magnetfelds, und eine
Gradientenmagnetfeldspule, die ein Magnetfeld mit einem linearen
Gradienten in jeder Richtung (x, y und z) in einem Magnetfeld
mit der gleichen Richtung wie das statische Magnetfeld
bereitstellt, umfaßt. Außerdem enthalten sind Sende- und
Empfangsabschnitte, die einen Hochfrequenzimpuls (hochfrequente
elektromagnetische Welle) an den in einem vom magnetischen
Teil erzeugten Magnetfeld befindlichen Patienten abstrahlen,
um NMR-Signale vom Patienten zu erfassen, und Steuerungs-
und Bildverarbeitungsabschnitte, die die Funktion der Sende-
und der Empfangsteile und der obengenannten magnetischen
Teile steuern, um die empfangenen Daten zu Verarbeiten und
die Wiedergabe von Bildern zu bewirken.
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Eine NMR-Bildformungseinrichtung in der oben beschriebenen
Konfiguration wird mit einer Impuls folge entsprechend einer
zweidimensionalen Fourier-Entwicklung nach der Fig. 4
angesteuert. Diese Einrichtung erfaßt Daten vom gewünschten
Körperquerschnitt eines Patienten. Anders ausgedrückt, die
Bildformungseinrichtung bringt gleichzeitig ein
gradientenbehaftetes Schnittmagnetfeld Gz und einen 90º-Impuls
(Hochfrequenz-Erregersignal) auf, um selektiv die Kernspins
innerhalb eines bestimmten scheibenförmigen Körperquerschnitts
des Patienten anzuregen. Anschließend bringt die Einrichtung
ein Magnetfeld Gz mit umgekehrten Gradienten auf, um die
während der Querschnittsanregung erzeugten
Kernspin-Phasenabweichungen zu erfassen, während sie gleichzeitig ein
Magnetfeld Gx mit phasenverschobenen Gradienten aufbringt, um
phasenverschobene Kernspins zur Erzeugung eines
Kernspinechos anzuregen. Anschließend bringt die Einrichtung einen
Auslenkungsgradienten Gy auf. Danach werden alle Gradienten
auf Null gebracht und es wird ein 180º-Impuls zur
Invertierung der Kernspinphase angelegt. Wird danach der
Auslesegradient Gx aufgebracht, so wird ein Kernspin, dessen Phase
durch das Magnetfeld mit phasenverschobenem Gradienten
ausgelenkt wurde, wieder in Phase gebracht, so daß ein NMR-
Signal als sogenanntes "Spinechosignal" zu beobachten ist.
Dieses NMR-Signal ist äquivalent zu einer Betrachtungslinie
(einer Abtastung) der nach einer zweidimensionalen
Fouriertransformation erhaltenen Kernspinverteilung eines
Patienten.
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Da die Selektion der Betrachtungslinien durch das Produkt
aus der Stärke des magnetischen Auslenkungsgradientenfeldes
Gy und der Einwirkungsdauer bestimmt wird, können die für
den Bildaufbau benötigten Daten durch Wiederholung der
Sequenz nach Fig. 4 gesammelt werden, wobei die Stärke des
magnetischen Gradientenfeldes variiert wird.
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Eine Abtastmatrix zur Abtastung eines gewünschten
Betrachtungsfeldes (FOV - Field of View) mit einer Impulsfolge
entsprechend der oben erwähnten zweidimensionalen
Fourierentwicklung
ist im allgemeinen eine quadratische Matrix (eine
Matrix mit vier gleichen Seiten) mit 64 Ch · 64
Betrachtungslinien, 128 Ch · 128 Betrachtungslinien, 256 Ch · 256
Betrachtungslinien oder 512 Ch · 512 Betrachtungslinien,
wobei Ch Daten in der Ausleserichtung bezeichnet.
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Darüber hinaus ist eine Bildmatrix zur Wiedergabe von
Bildern auf Basis solcher Daten entweder eine quadratische
Matrix 512 · 512, 256 · 256 etc., oder ein entsprechender
Ausschnitt einer kreisförmigen Anordnung. Für eine solche
Matrix resultiert eine isotrope Auflösung in vertikaler und
horizontaler Richtung, so daß ein natürliches Bild erhalten
werden kann. Ist jedoch das Betrachtungsfeld oval, so tastet
die Einrichtung große leere Bereiche um den Patienten ab,
und es werden Daten in Abschnitten gesammelt, die nicht die
Bilddarstellung betreffen, wobei gleichzeitig eine längere
Abtastzeit benötigt wird als eigentlich erforderlich.
Umgekehrt ist bekannt, daß die Abtastzeit bei der
Fouriertransformation in etwa proportional zur Anzahl der erfaßten
Abtastungen (Anzahl der Betrachtungslinien) in
Auslenkungsrichtung ist. Es versteht sich von selbst, daß zur
Reduzierung der Abtastzeit die Anzahl der Abtastungen in
Auslenkungsrichtung reduziert werden sollte, d. h. die Abtastung
sollte entsprechend einer nichtquadratischen Matrix
erfolgen. Derzeit werden z. B. bestimmte Daten entsprechend dem
Abtastverfahren mit 512 · 256 oder 256 · 128 (Anzahl
Abtastungen · Anzahl Betrachtungslinien) erfaßt. In diesen
Fällen kann bei reduzierter Abtastzeit keine Isotropie für
die vertikale und horizontale Pixelauflösung eines Bildes
erhalten werden. Darüber hinaus wird eine große Menge von
Daten in leeren Bereichen, die nicht die Bilddarstellung
betreffen, einbezogen.
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Das dem Stand der Technik entsprechende Dokument EP-A-0 246
327 beschreibt laut Artikel 54(3) ein Verfahren und einen
Apparat zur NMR-Bildformung, der Daten eines jeden Patienten
in der kürzestmöglichen Abtastzeit erfaßt. Insbesondere
werden Projektionsdaten des Patienten aus einer Vielzahl von
Richtungen erfaßt, wobei auf Basis der Projektionsdaten eine
Richtung aufgesucht wird, in der die Anzahl der erfaßten
Daten in Richtung der Auslenkungsrichtung am kleinsten ist,
und die Daten werden mittels der Fourierentwicklung erfaßt,
während die Abtastkoordinate in die gefundene Richtung
gedreht wird.
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Das dem ,Stand der Technik entsprechende Dokument EP-A-0 172
345 betrifft einen NMR-Apparat, der Mittel zur Steuerung der
Registrierung von Fourierverläufen der Meßmatrix
entsprechend einem Signal der Atemtätigkeit umfaßt. Dabei wirkt ein
Zähler für die Betrachtungslinien auf Schaltmittel, so daß
die Registrierung des Meßsignals für alle Betrachtungslinien
außerhalb eines bestimmten Bereichs freigegeben wird, jedoch
für Betrachtungslinien innerhalb dieses Bereichs nur in
Abhängigkeit von einem Signal der Atemtätigkeit. Der
festgelegte Betrachtungslinienbereich kann etwa 10% aller zu
messenden Linien umfassen und sollte symmetrisch zur Mitte
der Meßmatrix sein.
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Eine umfassendere Reduzierung der Meßzeit wird durch
vollständigen Verzicht auf Messungen im Grenzbereich für die
Betrachtungslinien der Matrix verwirklicht.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein
NMR-Bildformungsverfahren bereit zustellen, das eine isotrope Pixelauflösung und
eine Bildformung innerhalb einer kurzen Abtastzeit durch
Verwendung einer nichtquadratischen Abtastmatrix erreicht,
die an die Form des Körperquerschnitts eines Patienten
angepaßt ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung
ein im Anspruch spezifiziertes Verfahren bereit.
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Nach dem erfindungsgemäßen NMR-Bildformungsverfahren wird
eine nicht quadratische Abtastmatrix mit unterschiedlichen
vertikalen und horizontalen Abmessungen entsprechend der
Form des Körperquerschnitts eines Patienten eingestellt. Die
Abtastwerte werden mittels einer zweidimensionalen
Fouriertransformation erfaßt, wobei die längeren Seiten der Matrix
in Ausleserichtung und die kürzeren Seiten in
Auslenkungsrichtung ausgerichtet werden, während gleichzeitig das Bild
in einer nichtquadratischen Bildmatrix wiedergegeben wird,
deren Länge auf einer Seite der Projektionsbreite A und
einer Länge entsprechend dem M/N-fachen der
Projektionsbreite A auf der anderen Seite entspricht (dabei gilt: M =
Anzahl der Betrachtungslinien und N = Anzahl der Abtastwerte
in der Projektionsrichtung mit M < N).
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Die Erfindung wird in Verbindung mit den beigefügten Figuren
verständlich; es zeigen:
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Fig. 1 das Blockschaltbild der NMR-Bildformungseinheit,
die für den bevorzugten Anwendungsmodus des
erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird,
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Fig. 2 und 3 Erläuterungen zur Arbeitsweise des
Anwendungsmodus der Erfindung, und
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Fig. 4 ein Beispiel einer Impulsfolge unter
zweidimensionaler Fouriertransformation.
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Ein Beispiel eines Anwendungsmodus der Erfindung wird
nachstehend unter Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben.
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In der Fig. 1 bezeichnet "1" eine Magnetanordnung mit einer
Innenkammer für die Aufnahme des Patienten. Die Kammer ist
von einer Spule für ein statisches Magnetfeld umgeben, die
ein konstantes statisches Magnetfeld auf den Patienten
aufbringt, außerdem von Gradientenmagnetfeldspulen (x, y und z)
zum Aufbau eines magnetischen Gradientenfeldes, einer HF-
Sendespule zur Bereitstellung hochfrequenter Impulse zur
Anregung des Spins bestimmter Kerne innerhalb des Körpers des
Patienten und von einer Empfangsspule zur Erfassung des vom
Patienten (nicht dargestellt) ausgesendeten NMR-Signals. Die
Spule für das statische Magnetfeld, die
Gradientenmagnetfeldspulen, die HF-Sendespule und die Empfangsspule sind
jeweils mit einer Versorgung 2 für das Hauptmagnetfeld,
einer Treiberschaltung 3 für das magnetische Gradientenfeld,
einem HF-Leistungsverstärker 4 und einem Vorverstärker 5
verbunden. Die Speicher-Schrittschaltung 10 arbeitet
entsprechend einer festgelegten Schrittfolge, die
Treiberschaltung 3 für das magnetische Gradientenfeld und die
Gatteransteuerung 6 entsprechend von einem Rechner 13 abgesetzten
Instruktionen zur Erzeugung eines magnetischen
Gradientenfeldes, während die Hochfrequenzimpulse im bevorzugten
Anwendungsmodus des durch die Erfindung bereitgestellten
Verfahrens erzeugt werden. Die Speicher-Schrittschaltung 10
steuert auch die Treiberschaltung 3 für das magnetische
Gradientenfeld, die Gatteransteuerung 6 und einen A/D-Wandler
11 entsprechend einer Sequenz auf Basis einer
Fourierentwicklung. Der Phasendetektor 8 verwendet den Ausgang der HF-
Oszillatorschaltung 7 als ein Referenzsignal zur Erkennung
der Phase eines von der Empfangsspule aufgenommenen
NMR-Signals und sendet die Daten über den Vorverstärker 5 an den
A/D-Wandler 11. Der A/D-Wandler 11 übermittelt die vom
Phasendetektor
8 erhaltenen NMR-Signale nach der A/D-Wandlung
an den Rechner 13.
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Um Informationen mit der Bedienkonsole 12 auszutauschen und
um verschiedene Abtastsequenzen zu ermöglichen, schaltet der
Rechner 13 die Funktion der Speicher-Schrittsteuerung 10 um,
lädt deren Speicher neu und steuert den Bildaufbau mittels
der vom A/D-Wandler 11 erhaltenen Daten, außerdem gibt er
die Daten zum Bildaufbau an die Anzeigeeinheit 9 aus.
Schrittsteuerungsinformationen können vom Rechner 13
gespeichert und je nach Erfordernis in den Speicher der Speicher-
Schrittsteuerung 10 übertragen werden. Die oben beschriebene
Konfiguration wird im bevorzugten Anwendungsmodus nach dem
durch die Erfindung bereitgestellten Verfahren wie folgt
betrieben:
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In der Fig. 2 wird, wenn der Körperquerschnitt 21 eines
Patienten eine im wesentlichen ovale Form aufweist und das
Betrachtungsfeld 22 zur Bildformung verfügbar ist, dieses an
den oval geformten Körperquerschnitt 21 des Patienten
angepaßt, wobei das Betrachtungsfeld 22 eine nichtquadratische
Form mit unterschiedlichen vertikalen und horizontalen
Längen annimmt. Anschließend wird über die Bedienkonsole 12
eine Abtastmatrix von M&sub1; · N&sub1; entsprechend den vertikalen
und horizontalen Längen des Betrachtungsfeldes 22
eingestellt, wobei M&sub1; und N&sub1; positive ganzzahlige Werte mit
M&sub1; < N&sub1; sind. Die längere Seite (N&sub1;) der gewählten Matrix
wird an eine längere Seite des Betrachtungsfeldes angepaßt
und in Projektionsrichtung ausgerichtet, während die kürzere
Seite (M&sub1;) an eine kürzere Seite des Betrachtungsfeldes
angepaßt und in Auslenkungsrichtung ausgerichtet wird. Unter
der Annahme einer Abmessung der längeren Seite des
Betrachtungsfeldes gleich A wird die Pixelauflösung in dieser
Richtung auf A/N&sub1; gesetzt. Wenn nach der Einstellung einer
Abtastmatrix wie oben beschrieben eine Abtastsequenz gestartet
wird, so erfolgt die Erfassung des NMR-Signals entsprechend
einer Impulsfolge auf Basis der in der Fig. 4 gezeigten
zweidimensionalen Fourierentwicklung. Dementsprechend werden
NMR-Signale aus dem Körperquerschnitts 21 des Patienten
erfaßt. Die oben erwähnte Sequenz wird so oft wiederholt, wie
dies durch die Abtastmatrix M&sub1; · N&sub1; vorgegeben ist. Die
Anzahl der Abtastungen auf der Projektionsachse und der
Auslenkungsachse (Anzahl der Betrachtungslinien) beträgt dabei
N&sub1; bzw. M&sub1;. Da die Anzahl der Betrachtungslinien nun M&sub1;
beträgt, ist die Abtastzeit auf M&sub1;/N&sub1; der Datenerfassung bei
Verwendung einer Matrix von N&sub1; · N&sub1; reduziert.
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Die erfaßten Abtastdaten werden in digitale Signale
gewandelt und an den Rechner 13 übermittelt. Der Rechner 13 führt
den Bildaufbau entsprechend einer nichtquadratischen
Bildmatrix aus, deren Länge auf einer Seite der längeren
Betrachtungsfeldseite A eines abgetasteten Betrachtungsfeldes
entspricht, während die Länge auf der anderen Seite dem Wert
A · M&sub1;/N&sub1; entspricht. Der Rechner 13 gibt das Resultat an
die Anzeigeeinheit 9 aus. Damit wird, wie in der Fig. 3
gezeigt, das Bild 24 (auf Basis der Ergebnisse der obigen
Operation) in Größe des Schirms 23 wiedergegeben, die in
vertikaler Richtung dem Wert A · M&sub1;/N&sub1; und in horizontaler
Richtung dem Wert A entspricht. Da die vertikale
Pixelauflösung dabei (A · M&sub1;/N&sub1;)/M&sub1; = A/N&sub1; ist, wird die
Pixelauflösung sowohl in vertikaler als auch in horizontaler
Richtung des Schirms zu A/N&sub1;, so daß ein natürliches isotropes
Bild erhalten werden kann. Für eine solche Bildformung ist
der Zusammenhang zwischen Auslenkungsgradient Gy und
Auslesegradient Gx durch die folgenden Ausdrücke (1) und (2)
gegeben:
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Gy = 1/(γ · FOVy · Tsw) (1)
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Gx = 1/(γ · FOVx · Tsamp) (2)
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Hierbei bezeichnen:
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γ gyromagnetisches Verhältnis
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Tsw Auslenkungszeit
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Tsamp Auslesezeit
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Entsprechend werden die oben angeführten Ausdrücke im Fall
der, Fig. 3 durch die Ausdrücke (3) und (4) ersetzt:
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Gy = 1/(γ · A · Tsw · M&sub1;/N&sub1;) (3)
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Gx = 1/(γ · A · Tsamp) (4)
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Im Rahmen des oben beschriebenen Anwendungsmodus wird eine
Sequenz (allgemein als Kernspinechoverfahren (SE-Verfahren)
bezeichnet) einer Fouriertransformation beschrieben. Es
versteht sich von selbst, daß der Anwendungsmodus auch auf
andere Sequenzen als die oben genannte angewandt werden kann.
Darüber hinaus kann bei einem ovalen Körperquerschnitt eines
Patienten, der eine größere Abmessung in vertikaler Richtung
aufweist, eine Abtastmatrix mit vertikalen und horizontalen
Längen von M&sub2; · N&sub2; (M&sub2; und N&sub2; sind positive ganzzahlige
Werte mit M&sub2; > N&sub2;) eingestellt werden. Für die Abtastung wird
die längere Seite (M&sub2;) dieser Matrix mit der längeren Seite
des Betrachtungsfeldes in Übereinstimmung gebracht und
entsprechend der Ausleserichtung ausgerichtet, während die
kürzere Seite (N&sub2;) der obigen Matrix mit der kürzeren Seite des
Betrachtungsfeldes in Übereinstimmung gebracht und
entsprechend der Auslenkungsrichtung ausgerichtet wird.