DE3751909T2

DE3751909T2 - Schnelles Bilderzeugungssystem mittels magnetischer Kernresonanz

Info

Publication number: DE3751909T2
Application number: DE3751909T
Authority: DE
Inventors: Albert Macovski
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 1986-08-06
Filing date: 1987-08-05
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2007-08-06
Also published as: US4748410A; EP0256779A2; EP0256779A3; EP0256779B1; JPH0698124B2; DE3751909D1; JPS63119745A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Bilderzeugung durch magnetische Kernresonanz (NMR). In einer primären Anwendung bezieht sie sich auf das schnelle Erfassen der NMR-Daten und das Erzeugen von Bildern mit hoher Wiedergabetreue relativ unabhängig von der Relaxationszeit.
Bereits existierende Magnetresonanz-Bilderzeugungssysteme verwenden das 2-DFT- oder Spinverdrehungssystem. Dieses System ist, unter anderem, in einer allgemeinen Tutorveröffentlichung "An Introduation to NMR Imaging From the Bloch Equation to the Imaging Equation," von W.S. Hinshaw und A.H Lent in Proceedings of IEEE, Ausgabe 71, Nr. 3, März 1963 beschrieben. In diesem System wird eine Abfolge von Anregungen verwendet, von welchen jede eine Linie in einem Ortsfrequenzbereich oder k-Raum vorsieht. Dies wird durch einen variablen Flächenphasen-Kodierungsgradienten an einer Gradientenachse erreicht, welcher vor dem Auslesen angelegt wird und welcher die k-Raum-Abtastung zu der gewünschten Linie bewegt. Dann wird während des Auslesens ein Gradient mit fester Amplitude zum Abtasten der ausgewählten Linie in dem k-Raum verwendet. Dies sieht in einer relativ langen Zeit ein Bild mit einer hohen Qualität vor, da, für ein n x n Bild, n einzelne Abtastungen erforderlich sind, wobei jede im Bereich von einer Sekunde liegt.
Es ist eine Vielzahl von Versuchen bezüglich Abtastungen mit höherer Geschwindigkeit unternommen worden. Der früheste war vielleicht das Echo-Planar-System, welches in einer Veröffentlichung von P. Mansfield und I. L. Pykett in Journal of Magnetic Resonance, Ausgabe 29, Seite 355, 1978 beschrieben ist. Bei diesem Verfahren sind, folgend auf die Anregung einer Ebene, ein konstanter Gradient an einer Achse und eine quadratische Welle an der anderen angelegt worden. Dies sieht bei einer einzigen Anregung eine schnelle Abtastung des k-Raums vor. Die Abtastzeit beinhaltet jedoch einen Kompromiß. Wenn sie relativ kurz ist, dann muß man bezüglich des Rauschabstands (SNR) von Materialien mit langen Relaxationszeiten einen Kompromiß eingehen. Wenn sie relativ lang sind, dann wird bei Materialien mit kurzer T&sub2; nur eine teilweise Abtastung des k-Raums erreicht und diese wird verzerrt sein.
Ein weiteres Verfahren zur schnellen Bilderzeugung ist durch C.B. Ahn, J.H. Kim und Z.K. Cho unter dem Titel "High-Speed Spiral-Scan Echo Planar NMR Imaging" in IEEE Trans. on Medical Imaging, Ausgabe MI-5, März 1986 präsentiert worden. Hier wird eine Spirale konstanter Frequenz zum Abtasten des k-Raums verwendet. Auch hier wird derselbe Kompromiß bei der Abtastzeit zwischen dem SNR und der Verzerrung behandelt. Da die Abtastung jedoch kreissymmetrisch ist, ist die Verzerrungs- oder Unschärfefunktion symmetrisch. Ferner weist die Abtastung des k-Raums eine ungleichförmige Lineargeschwindigkeit auf, welche bei den höheren Ortsfrequenzen am größten ist. Dies führt zu einem Verlust des Hochfrequenzansprechens.
Ein allgemeines Verfahren zur Hochgeschwindigkeits-Magnetresonanz-Bilderzeugung ist in der europäischen Patentanmeldung Nr. 80104808.3, eingereicht am 14.8.1980, Veröffentlichungsnummer 0-024-640, mit dem Titel "Moving Gradient Zeugmatography", erfunden von Richard S. Likes, veröffentlicht. Es ist eine Anzahl von Verfahren gezeigt zum Abtasten des Ortsrequenzbereichs folgend auf eine einzige Anregung, um Daten schnell zu erfassen. Diese umfassen Lissajou-Muster und Rosetten, welche durch Sinusformen erzeugt werden, eine Spirale mit sich verändernder Anfangsphase und konzentrische Kreise. Diese füllen den Ortsfrequenzbereich in angemessener Weise. Materialien mit relativ kurzen T&sub2;- Relaxationszeiten werden jedoch verzerrte Bilder erzeugen, da nur ein Teil des Ortsfrequenzbereichs abgetastet wird. Wenn die Abtastung zur Anpassung an diese Materialien kurz gemacht wird, dann weisen diejenigen mit größeren Werten von T&sub2; aufgrund der verkürzten Integrationszeiten ein verringertes SNR auf.
Ein weiteres allgemeines Verfahren zur schnellen Bilderzeugung ist in einer Veröffentlichung von A. Macovski mit dem Titel "Volumetric NMR Imaging with Time-Varying Gradients," in Magnetic Resonance in Medicine, Ausgabe 2, Februar 1985 beschrieben. Hier sind Systeme gezeigt, die sinusförmige und andere Gradientenwellenformen verwenden. Es sind Verfahren zum Korrigieren der Impulsantwort und zum Anwenden zeitveränderlicher Gradienten bei der Spektroskopie gezeigt.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Vorsehen eines Magnetresonanzbildes eines Bereichs in einem Volumen unter Vorhandensein eines konstanten Magnetfeldes (B&sub0;) vor, umfassend die Schritte: Anregen des Bereichs mit einem Radiofrequenzstoß, Anlegen erster magnetischer Gradientenwellenformen (Gx, Gy) an zwei orthogonale Achsen normal zu dem konstanten Magnetfeld (B&sub0;), Empfangen von magnetischen Resonanzsignaln für einen angeregten Bereich, während die ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) angelegt sind, Verarbeiten der magnetischen Resonanzsignale für den angeregten Bereich, um ein Bild des Bereichs zu erzeugen, worin die Größen der beiden Gradienten der ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) im wesentlichen konstant sind und die Trajektorien der ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) in dem Ortsfrequenzbereich, welche die Ortsfrequenzen des Bildes wiedergeben, ein Feld von Spiralschleifen konstanter Geschwindigkeit mit zunehmendem Abstand von dem Ursprung bilden, dadurch gekennzeichnet, daß zweite magnetische Gradientenwellenformen angelegt werden, welche verursachen, daß die Trajektorien der ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) entlang im wesentlichen des gleichen Feldes von Schleifen zum Ursprung zurückkehren.
Die vorliegende Erfindung sieht ferner eine Einrichtung zum Vorsehen eines Magnetresonanzbildes eines Bereichs in einem Volumen vor, umfassend ein Mittel zum Anlegen eines konstanten Magnetfelds (B&sub0;) durch den Bereich hindurch, ein Mittel zum Anregen des Bereichs mit einem Radiofrequenzstoß, ein Mittel zum Anlegen erster magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) an zwei orthogonale Achsen normal zu dem konstanten Magnetfeld (B&sub0;), ein Mittel zum Empfangen von magnetischen Resonanzsignalen für einen angeregten Bereich, während die ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) angelegt sind, ein Mittel zum Verarbeiten der magnetischen Resonanzsignale für den angeregten Bereich, um ein Bild des Bereichs zu erzeugen, worin das Mittel zum Anlegen erster magnetischer Gradientenwellenformen (Gx, Gy) zum Anlegen der ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) derart betreibbar ist, daß die Größen der beiden Gradienten im wesentlichen konstant sind und die Trajektorien der ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) in dem Ortsfrequenzbereich, welche die Ortsfrequenzen des Bildes wiedergeben, ein Feld von Spiralschleifen konstanter Geschwindigkeit mit zunehmendem Abstand von dem Ursprung bilden, gekennzeichnet durch ein Mittel zum Anlegen zweiter magnetischer Gradientenwellenformen, welches dazu betreibbar ist, zu verursachen, daß die Trajektorien der ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) entlang im wesentlichen des gleichen Felds von Schleifen zum Ursprung zurückkehren.
Bezüglich einer vollständigeren Offenbarung der Erfindung wird auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung mehrerer darstellender Ausführungsformen derselben verwiesen, welche in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gegeben ist, in welchen:
Fig. 1 ein allgemeines Bloch-Diagramm eines Magnetresonanz-Bilderzeugungssystems ist;
Fig. 2 ein Satz von Wellenformen einer Ausführungsform der Erfindung ist;
Fig. 3 ein Ortsfrequenzdiagramm der Ausführungsform der Fig. 2 ist;
Fig. 4 ein Satz von Gradientenwellenformen einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist;
Fig. 5 ein Ortsfrequenzdiagramm der Ausführungsform der Fig. 4 ist;
Fig. 6 das Ortsfrequenzdiagramm einer Ausführungsform ist, welche die Hälfte der k-Raumebene verwendet;
Fig. 7 ein Satz von Wellenformen ist, welche der Ausführungsform der Fig. 6 entsprechen; und
Fig. 8 ein Ortsfrequenzdiagramm einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist.
Die breiten Aspekte der Erfindung können am besten mit Bezug auf die Fig. 1 verstanden werden, wo die NMR-Parameter des Gegenstands 10 dargestellt sind. Alle der Standardspulenaufbauten sind aus Gründen der Klarheit nicht dargestellt, da sie bei allen NMR-Bilderzeugungssystemen Standard sind. B&sub0; ist, gemäß der Konvention, in der z-Richtung dargestellt. Dies ist das Hauptfeld, welches zwischen 0,1 und 2,0 Tesla statisch ist. Die verschiedenen Gradientenfelder Gx, Gy und Gz liegen im Bereich von 10&supmin;&sup4;T/cm (1,0 Gauss/cm) und geben die Variationen in x, y und z des in z- Richtung gerichteten Feldes wieder. Die Spule 11 stellt die Radiofrequenzanregung und den Empfang dar. In einigen Systemen werden separate Spulen zur Anregung und zum Empfang verwendet, in anderen, wie in Fig. 1 gezeigt, wird dieselbe Spule verwendet. Der Schalter 12 wird dazu verwendet, zwischen zwei Modi umzuschalten. Er ist zunächst mit einer Position 13 verbunden, in welcher ein Sender 15 einen Radiofrequenzstoß erzeugt, welcher zum Anregen eines untersuchten Bereichs, oder des Gesamtvolumens 10, verwendet wird. Folgend auf den Anregungsstoß wird der Schalter 12 zur Position 14 geschaltet, um das sich ergebende freie Induktionsabfallssignal oder FID zu empfangen, welches durch das angeregte Objekt 10 emittiert wird. Das Signal wird in einem Prozessor 16 verarbeitet und wird in einer Anzeige 17 angezeigt.
Bei bereits bestehenden herkömmlichen Systemen, welche die 2DFT verwenden, wird eine Reihe von Anregungen verwendet, von welchen jede eine Linie in dem Ortsfrequenzbereich oder k-Raum vorsieht. Dieses Feld von Linien wird dann transformiert, um das gewünschte Bild zu erzeugen. Diese Linien werden durch einen statischen Gradienten in einer der Gradientenachsen erzeugt, z.B. der Gx-Achse. Der kx-Wert ist zu jeder Zeit das Integral des Gradienten, wodurch in der x-Richtung eine gleichförmige Abtastung gebildet wird. Die Position jeder Linie in dem 2D-Feld ist durch die Fläche eines Gy-Impulses vor dem Ausleseintervall bestimmt. Dies bestimmt die ky-Position jeder Linie.
Dieses Verfahren weist, obgleich es Bilder mit hoher Qualität vorsieht, eine lange Bilderzeugungszeit auf, da jedes Anregungsintervall im Bereich von einer Sekunde liegt. Wir zeigen hier ein Verfahren, welches die Daten durch Abtasten des gesamten oder eines Hauptteils des k-Raums nach jeder Anregung sehr schnell erfaßt.
Es sind andere Verfahren zum schnellen Abtasten des k-Raums veröffentlicht worden. Diese haben jedoch aufgrund der T&sub2;- Relaxationszeit den Nachteil von Verzerrungen aufgewiesen. Wenn ein Material in dem Bild einen relativ kurzen T&sub2;-Abfall aufweist, dann wird sein Signal nur für einen Teil der k-Raum-Abtastung vorhanden sein, was zu einer schlechten Impulsantwort und einem verzerrten Bild führt. Systeme, welche diese schnellen Abtastungen beschreiben, umfassen die vorher erwähnten Veröffentlichungen von Mansfield, Cho, Likes und Macovski.
Die Veröffentlichung von Cho verwendet eine Spiralwellenform, welche von dem Ursprung startet und sich schnell radial auswärts bewegt. Diese Spirale weist jedoch eine konstante Winkelfrequenz auf, wodurch die lineare Abtastgeschwindigkeit mit zunehmendem Radius abnimmt. Somit verbringt die Abtastung weniger Zeit bei den höheren Ortsfrequenzen, was deren Amplitude dämpft. Dies verbreitet die Impulsantwort, was zu einer schlechteren Auflösung führt.
Ein bevorzugtes System ist in Fig. 2 gezeigt. Hier weisen die Wellenformen die allgemeine Form auf:
Gx(t) = A sin(B t), und Gy (t) = A cos(B t).
Dies sieht eine Spirale mit konstanter Geschwindigkeit vor, welche eine gleichförmige Verteilung von Nah-Kreisen wiedergibt. Der Radius nimmt mit t zu und der Winkel verändert sich mit t, was zu einer im wesentlichen konstanten linearen Geschwindigkeit führt.
Die Fig. 2 stellt das Schnellabtastungssystem dar, welches zum Erzeugen eines Querschnittsbildes in einer x-y-Ebene verwendet wird. Das Signal 18, das Radiofrequenzanregungssignal, ist der Stoß 20, welcher der Resonanzfrequenz der ausgewählten Ebene entspricht. Die Ebenenauswahl wird in herkömmlicher Weise unter Verwendung des Gradienten Gz erreicht. Die Wellenform 21, welche während des Stoßes 20 auftritt, wählt den gewünschten Schnitt aus, welcher die z- Position wiedergibt, die die Resonanz vorsieht. Die Wellenform 22 sieht eine gleichförmige Phase in dem gewählten Schnitt vor. Folgend auf die Anregung der Ebene wird der Schalter 12 in die Position 14 geschaltet, um die Signale zu empfangen, und die beiden vorher beschriebenen Gradientenwellenformen werden angelegt, wobei Gx(t) die Wellenform 23 ist, A sin(B t), und Gy(t) die Wellenform 24 ist, A cos(V t).
Wenn man die Relaxation außer Acht läßt, dann ist das empfangene Signal gegeben durch:
wobei γ das gyromagnetische Verhältnis ist. Dieser Ausdruck gibt eine zweidimensionale Fourier-Transformation wieder, bei welcher der Ortsfrequenzbereich, oder k-Raum, abgetastet wird und bei welcher die momentanen Ortsfrequenzen kx(t) und ky(t) gegeben sind durch:
Mit Ausnahme der Bereiche nahe dem Ursprung ist die radiale Komponente des Ortsfrequenzbereichs gegeben durch:
und der Winkel ist gegeben durch:
Dies gibt eine Spirale mit konstanter Geschwindigkeit wieder, welche den k-Raum gleichmäßig gewichtet. Dies ist durch die durchgezogene Linie 27 in Fig. 3 dargestellt. Wenn man die gestrichelte Linie ignoriert, dann beginnt die Abtastung des k-Raums am Ursprung und erzeugt die gewünschte Spirale. Die Konstanten A und B sind derart eingestellt, daß sie eine geeignete Abtastung vorsehen, so daß aufeinanderfolgende Kreise nahe beeinander liegen, um ein überdecken zu vermeiden, und daß der gesamte Raum in der gewünschten Zeit abgetastet wird.
Eines der auftretenden Hauptprobleme ist dasjenige der Relaxationszeit T&sub2;. Wenn der k-Raum abgetastet wird, dann fällt das Signal mit der Rate e-t/T2 ab. Verschiedene Materialien in der untersuchten Probe fallen mit verschiedenen Raten ab. Daher durchlaufen einige Materialien mit langen Abfallzeiten den gesamten k-Raum( mit einer schmalen Impulsantwort, während andere Materialien mit einem relativ kurzen Wert von T&sub2; im wesentlichen die niederen Ortsfrequenzen durchlaufen, mit einer dementsprechend breiten Impulsantwort.
Eine Lösung dieses Problems ist eine sehr schnelle Abtastung mit einem relativ hohen Wert von B, bei welchem alle Materialien den gleichen Abfall aufweisen. Dies enthält jedoch bei dem SNR von Materialien mit hohem T&sub2; einen Kompromiß, welche Materialien für eine lange Zeit fortfahren, Signale auszusenden. Dies entfernt ferner die T&sub2;-Empfindlichkeit von den sich ergebenden Bildern. Die Lösung dieses Problems ist eine redundante Abtastung des k-Raums. Folgend auf die erste Abtastung wird der Weg umgekehrt und in der entgegengesetzten Richtung wiederholt. Die gesamte Vorwärtsabtastung und die Umkehrung können ein oder mehrere Male folgend auf jede Anregung wiederholt werden, wobei die sich ergebenden Werte addiert werden. Dies stellt sowohl ein hohes SNR bei Komponenten mit hohem T&sub2; als auch ein sich ergebendes Bild sicher, dessen Intensitätswerte sich mit der T&sub2;-Zeitkonstante ändern.
Die k-Raum-Umkehrung wird durch Umkehren der Polarität der beiden Gradientenwellenformen und durch Nachzeichnen der Wellenform erreicht. Somit hat man für zwei redundante Abtastungen:
G(t) = G(t) 0 < t < T = - G(2T-t) T < t < 2T = G(t-2T) 2T < t < 3T = -G(4T-t) 3T < t < 4T
wobei T die Zeit ist, die für das Abtasten des k-Raums verwendet wird.
Die Fig. 2 stellt die Umkehrung und das Nachzeichnen der Gx(t) und Gy(t) Wellenformen mit Segmenten 25 bzw. 26 dar. Diese dauern jeweils an, bis die gesamte umgekehrte Wellenform vervollständigt ist, wodurch die Abtastung zu dem Ursprung zurückgeführt wird, wie durch die Pfeile und die durchgezogene Linie 27 in Fig. 3 gezeigt. Die Rekonstruktion des Bildes wird unter Verwendung des Prozessors 16 erhalten. Ein allgemeines Verfahren zur Rekonstruktion ist in der vorher beschriebenen Veröffentlichung von A. Macovski "Volumetric NMR Imaging with Time-Varying Gradients" in Magnetic Resonance in Medicine, Ausgabe 2, Februar 1985 beschrieben. Hier wird das empfangene Signal mit dem Konjugierten der Gradientenmodulations-Wellenform multipliziert, gegeben durch:
wobei m(x&sub0;,y&sub0;) der Schätzwert der Magnetisierung bei x&sub0;, y&sub0; ist, was die Faltung von m(x,y) mit der Systemimpulsantwort ist. Somit wird für jeden Punkt in dem rekonstruierten Bild x&sub0;, y&sub0; in dem Prozessor 16 mit der geeigneten Funktion, wie gezeigt, multipliziert und integriert. Die verarbeitete Magnetisierung m(x&sub0;,y&sub0;) wird dann in 17 angezeigt.
Eine Anzahl an Variationen kann an dem redundanten Abtastsystem durchgeführt werden. Bei dem Empfangsbetrieb können die verschiedenen aufeinanderfolgenden redundanten Abtastungen gewichtet werden, um die Flachheit der Antwort zu verbessern. Dies kann jedoch in nachteilhafter Weise das SNR beeinträchtigen. Ferner können folgend auf aufeinanderfolgende Anregungen umgekehrte Abtastungen durchgeführt werden, um flachere Antworten zu erhalten.
Bei Verwendung redundanter Abtastungen mit hoher Auflösung, mit vielen Schleifen in der Spirale, nimmt die Abtastgeschwindigkeit, welche proportional zu Gx²+Gy² ist, zu, was mehr Leistung von den Gradientenverstärkern erfordert. Ferner steigt die erforderliche Abtastrate an, da der k-Raum in einer kurzen Zeit dicht abgetastet werden muß. Dies erfordert aufwendigere A/D-Wandler und mehr Pufferspeicher. Somit stellen schnelle, redundante Hochauflösungsabtastungen Hardware-Anforderungen an das System.
Diese Anforderung kann durch Ineinanderschachteln, wie in Fig. 3 gezeigt, verringert werden. Dies erhöht ferner das SNR. Es wird eine Reihe von Anregungen durchgeführt, auf welche jeweils eine Abtastung des k-Raums folgt. Diese gesamte Abfolge kann einige Sekunden dauern, was innerhalb eines Intervalls, während welchem der Atem angehalten wird, liegt, um Bewegungsfehler zu vermeiden. Wenn Herzbewegungen vorliegen oder Blut pulsiert, dann können die Anregungen an die EKG-Wellenform gekoppelt werden. In jedem Fall wird jede dieser Abfolgen in ihrem Anfangstiming variiert, um einen geschachtelten Satz in dem k-Raum zu bilden. Die Fig. 3 zeigt geschachtelte Spiralenabtastungen, welche unter Verwendung von aufeinanderfolgenden Abtastungen erzeugt werden, wobei die Wellenformen von Fig. 2 mit einer Anderung der Anfangsphase der Gradientenwellenform Gx und Gy wiederholt werden. Die Anfangssteigung α der Abtastung, oder die Steigung am Ursprung, ist gegeben durch
Die Werte von α können symmetrisch verteilt sein, um eine zwischengeschachtelte Abtastung zu erhalten.
Das vorangehend beschriebene Rekonstruktionssystem, welches mit dem Konjugierten des Integrals der Gradientenwellenformen multipliziert, kann rechnerisch aufwendig sein. Um die Rechnungsanforderung zu minimieren, kann man die 2DFFT verwenden, welche bei n Pixel ungefähr n log n Vorgänge erfordert, anstelle von n², was jedoch bekannt ist. Die schnelle Fourier-Transformation oder FFT ist zuerst in einer Veröffentlichung von J. W. Cooley und J.W. Tukey in Mathematical Computing, Ausgabe 19, April 1965, Seiten 297-301 beschrieben worden. Eine gute Beschreibung ist in der Veröffentlichung von G. D. Bergland in Spectrum, Ausgabe 6, Juli 1969, Seiten 41-43 zu finden. Hier wird die 2D-Transformation an einem gleichförmigen kartesischen Gitter abgetastet, wie in der "quadratischen" Spirale in Fig. 5 gezeigt. Die Kurve 37 beginnt am Ursprung und erzeugt mit konstanter Geschwindigkeit die gezeigte Spirale. Sie wird, wie in Fig. 4 gezeigt, durch eine Abfolge von Gradientenimpulsen 30-35 mit zunehmender Länge erzeugt, welche zwischen den Gx- und Gy-Achsen wechseln. Die ebenen Anregungswellenformen, welche den Gradienten vorausgehen, sind identisch zu denjenigen der Fig. 2. Da Gx² + Gy² konstant ist, bewegt sich der Ort im k-Raum mit konstanter Geschwindigkeit.
Diese Abtastung kann in allen Belangen identisch zu derjenigen der Fig. 2 und 3 behandelt werden. Für umgekehrte redundante Abtastungen werden zum Nachzeichnen des k-Raums die Gradienten nach der Zeit T umgekehrt und die Gradienten werden in umgekehrter Reihenfolge wiederholt, wie durch die gestrichelten Wellenformen 36 gezeigt. Ferner können zwischengeschachtelte Abtastungen erzeugt werden, wie durch die gestrichelte Linie 38 gezeigt, welche wiederum durch Ändern der Anfangsphase der Gradientenwellenformen erzeugt werden. Wenn Anfangsimpulse 30 und 33 bezüglich ihrer Breite halbiert werden und jeder nachfolgende Impuls in seiner Breite um eine Zeiteinheit verringert wird, ergibt sich eine Zwei-in-Eine-Schachtelungs-Abtastung. Eine höhere Zwischenschachtelung wird in der gleichen Art und Weise erhalten.
Bei dem Verarbeitungsvorgang erhält man, wenn die Abtastungen beendet sind, eine gespeicherte zweidimensionale Transformation des gewünschten m(x&sub0;,y&sub0;). Dies wird dann in dem Prozessor unter Verwendung einer 2DFFT mit deren hoher Geschwindigkeit und bei geringen Kosten rekonstruiert.
Bei jedem Magnetresonanz-Bilderzeugungssystem wird die Signalamplitude nach einer beträchtlichen Zeit nach der Anregung in ihrer Amplitude durch Inhomogenität und chemische Verschiebung abgeschwächt. Die mit der Zeit zunehmenden Phasenverschiebungen von verschiedenen Objektpunkten verursachen, daß die Kohärenz verloren geht. Dieses Auseinanderlaufen der Phase kann, was bekannt ist, unter Verwendung von Spinechos korrigiert werden, welche durch 180º-Anregungen um die x- oder y-Achse in Abhängigkeit von der Phase der Anregung erzeugt werden. Dies verursacht, daß die außer Phase gelaufenen Spins in einer Zeit, welche der Zeit entspricht, in der sie außer Phase gelaufen sind, sich wieder in Phase bewegen oder fokussieren. Diese Spinechos können bei den Systemen der Fig. 1 bis 5 verwendet werden, um einen Verlust der Kohärenz zu verhindern und die Erfassung von Daten während des gesamten Relaxationszeitintervalls zu ermöglichen.
Ein Verfahren zur Verwendung von Spinechos ist in den Fig. 6-7 gezeigt. Hier werden diese verwendet, um eine quadratische Spirale in der oberen Hälfte des k-Raums zu erzeugen. Das System wird wieder durch einen Stoß 50 von dem Sender 15 über den Schaltanschluß 13 angeregt. Der Schnittauswahlgradient Gz ist nicht gezeigt. Wenn eine Schnittauswahl gewünscht ist, können Wellenformen 21 und 22 der Fig. 2 verwendet werden. Der Anregung folgt eine Abfolge von Gradientenimpulsen 55, 53 und 56, welche die k-Raum-Ortskurve 40 vom Ursprung aufwärts, nach rechts und nach unten zur Position 41 bewegen. Zu dieser Zeit verursacht ein 180º-Stoß 51, daß die k-Raum-Ortskurve sich zu ihrer konjugierten Position 45 bewegt. Darauffolgen Gradientenimpulse 57, 54 und 58, welche wiederum die Aufwärts-, Nach- Rechts- und Abwärts-Abtastungen von dem Punkt 45 zum Punkt 42 verursachen. Darauf folgt ein 180º-Stoß 52, welcher die Ortskurve von 42 zu 46 bewegt. Die Abfolge wird wiederholt, beginnend mit einem Gradientenimpuis 59, zur Bewegung von 46 nach 43. Jede nachfolgende Abfolge fügt eine Breiteneinheit zu den Auf- und Ab-Gradientenimpulsen Gy und zwei Breiteneinheiten zu den "Rechts"-Gradientenimpulsen von Gx hinzu. Es wird mit einem 180º-Stoß fortgefahren, nicht gezeigt, welcher die Ortskurve von 43 zu 47 bewegt, dann zu 44 und ein weiterer 180º-Stoß von 44 zu 48. Auf diese Art und Weise wird eine gesamte Halbebene erzeugt.
Die gleiche Abfolge kann wiederholt werden, wobei die Gy- Gradienten alle umgekehrt sind, um die andere Hälfte des k- Raums vorzusehen, um die 2DFT des gesamten Bildes vorzusehen. Dies wird dann einer 2DFFT in dem Prozessor 16 unterzogen, um das Bild in der Anzeige 17 zu zeigen. Diese Verwendung von 180º-Stößen kann ebenso bei der kreisförmigen Spirale der Fig. 2 und 3 verwendet werden. Folgend auf jeden vollständigen Kreis von Gy, wie zum Beispiel von einer Spitze zu einer Spitze in der Wellenform 24, wird ein 180º- Stoß verwendet, um die kx-Achse zu überqueren. Darauf folgt ein halber positiver Zyklus der Wellenform 23. Die negativen Halbzyklen der Wellenform 23 werden nicht verwendet. Somit hat man eine Abfolge von kompletten Zyklen von Gy, 180º-Stößen und Halbzyklen von Gx, wobei die Frequenz wie in Fig. 2 gezeigt abnimmt.
Unter bestimmten Umständen genügt die in Fig. 6 gezeigte Halbebene des k-Raums, um das Bild zu rekonstruieren. Dies wäre wünschenswert, da es die Abtastzeit halbieren würde. Wenn das gewünschte Bild m(x,y) ein Realwert ist, dann ist seine Fourier-Transformation hermitisch, was bedeutet, daß der Realteil gerade ist und der Imaginärteil ungerade ist. Daher kann jedem M(kx,ky) in der positiven Hälfte ein M(-kx, -ky)=M* (kx,ky) in der negativen Hälfte zugeordnet werden, wobei * das komplex Konjugierte bezeichnet. Viele Magnetresonanzsysteme weisen jedoch aufgrund der Inhomogenität, der chemischen Verschiebung oder von Wirbelströmen etc. Phasenverschiebungen auf. Diese verursachen, daß die Transformation nicht hermitisch ist. Somit treten Fehler auf, wenn die negative Halbebene des k-Raums geschätzt wird. Diese Fehler können verringert werden, wenn beispielsweise die Phasen durch Subtrahieren einer konstanten Phase modifiziert werden, um den Ursprung dazu zu bringen, daß er eine Phasenverschiebung von null aufweist.
Die Fig. 8 stellt eine alternative k-Raum-Abtastung dar, welche den Effekt von Phasenverschiebungen minimiert. Hier weist der Niederfrequenzbereich eine komplette Abtastung auf, wobei höhere Frequenzbereiche auf die obere Halbebene beschränkt sind. Der gesamte Niederfrequenzbereich kann, wie in Fig. 5 gezeigt, ohne 180º-Anregungen erzeugt werden, oder, wie in Fig. 6-7 gezeigt, mit 180º-Anregungen, wobei die negative Hälfte separat erzeugt wird. Die höheren Frequenzbereiche werden, wie in Fig. 6-7 gezeigt, mit 180º- Anregungen erzeugt, welche bei 66, 67, 68 und 69 auftreten und die Ortskurve zu 70, 71, 72 bzw. 73 übertragen. Im allgemeinen sind Bilder für Niederfrequenzphasenfehler empfindlicher als für Hochfrequenzphasenfehler. Wenn der gesamte k-Raum vorhanden ist, dann wird m(x,y)eiθ(x,y) rekonstruiert, wobei θ(x,y) die Phasenverschiebungsfehler sind.
Durch einfaches Nehmen der Größe erhält man ein unverzerrtes m(x,y) , wie es bei bekannten Systemen gemacht wird. Unter Verwendung des Systems der Fig. 8 kann man zunächst den Niederfrequenzbereich durch inverse Transformation rekonstruieren, gefolgt durch eine Größen-Operation, um m&sub1;(x,y) zu erzeugen, wobei m&sub1; den Niederfrequenzbereich von m wiedergibt. Der Rest des Spektrums wird unter Verwendung der hermitischen Approximation rekonstruiert, um die fehlende Hälfte des k-Raums abzuschätzen. Diese werden dann kombiniert, um ein annehmbares Bild zu erzeugen, da Fehler in den höheren Frequenzbereichen tolerierbarer sind.
Ein alternatives Verfahren, welches wieder das Datenerfassungsverfahren der Fig. 8 verwendet, verwendet die Annahme, daß cos θ(x,y) und sin θ(x,y) Funktionen sind, die sich nur "langsam" verändern und ein niederes Frequenzspektrum enthalten. Daher ist die Fourier-Transformation von eiθ(x,y) gleich L(kx, ky), ein Spektrum, welches in seiner Größe mit dem symmetrischen Niederfrequenzbereich in Fig. 8 vergleichbar oder kleiner als dieser ist. Unter dieser Annahme ist die inverse Transformation des symmetrischen Bereichs gleich m&sub1;(x,y)eiθ(x,y). Durch Dividieren desselben durch m&sub1;(x,y) erhält man eiθ(x,y), und dann erhält man durch Transformieren L(kx, ky). Nach Erhalt von θ(x,y) und L(kx,ky) kann man den Rest von M(kx,ky) korrigieren und diesen hermitisch machen.
Die erfaßten Daten sind M(kx,ky) * L(kx, ky)&sub1; die Transformation von m(x,y) eiθ(x,y). Man kann M * L entfalten, indem es mit der Transformation e-iθ(x,y), welche gleich L ist, gefaltet wird, wobei der ungerade Anteil in seiner Polarität umgekehrt ist. Wenn man die M(kx, ky)-Werte einmal hat, dann kann man die hermitischen Eigenschaften dazu verwenden, die negative Hälfte zu rekonstruieren, wobei gilt:
M(-kx, -ky) =M* (kx, ky).
Ein weiteres Verfahren für teilweise Abtastungen des k- Raums, unter Verwendung der gleichen Handlungen, enthält die Kombination von ineinandergeschachtelten Abtastungen In einer ersten Abtastung kann man, wie in Fig. 6, die obere Hälfte des k-Raums erzeugen. Dann folgt in der nächsten Anregung eine zwischengeschachtelte Abtastung, wie in dem System der Fig. 5, mit der Ausnahme, daß nur die untere Hälfte des k-Raums erzeugt wird, wie durch die gestrichelten Linien unter der kx-Achse gezeigt. Es werden somit die kx und ky -Werte in den verschiedenen Hälften des k- Raums ineinandergeschachtelt. Man schätzt dann den gesamten k-Raum unter Verwendung von Interpolationsschemata ab. Jeder Punkt in dem k-Raum kann mit seinen Nachbarpunkten gemittelt werden, welche durch hermitische Reflexion von der entgegngesetzten Hälfte des k-Raums erhalten werden.
Die Systeme der Fig. 3 und 5 sind Beispiele von allgemeinen Systemen von Spiraltyp-Abtastungen, welche aufeinanderfolgende Schleifen mit zunehmendem Abstand von dem Ursprung enthalten. Beispielsweise können hexagonale oder oktogonale Muster durch Modifizieren der Gradientenwellenformen erzeugt werden. Bei den Spiraltyp-Abtastungen kann die Nachzeichnung des Orts in umgekehrter Richtung verwendet werden, um die Verzerrung aufgrund der T&sub2;-Relaxation zu minimieren und ein Bild vorzusehen, welches T&sub2;-empfindlich ist. Ferner kann man zwischengeschachtelte Abtastungen bei aufeinanderfolgenden Abtastungen verwenden, um die Gradientenleistung und die Abtastanforderungen zu minimieren, wie in den Fig. 3 und 5 gezeigt. Zusätzlich kann man bei all den Spiraltyp-Abtastungen 180º-Inversionen, wie in Fig. 6 gezeigt, verwenden, und man kann ferner Abtastungen von Teilen des k-Raums verwenden, wie in Fig. 6 und 8 gezeigt.
Die verschiedenen beschriebenen Schnellabtastungs-Ausführungsformen sehen Querschnitts- oder Projektionsbilder einer Magnetresonanzaktivität in dem angeregten Bereich vor. In einigen Fällen wird es jedoch gewünscht, nur ein Projektionsbild von Blutgefäßen zur Erzeugung einer Erfassung vorzusehen. Systeme dieses Typs sind in der Veröffentlichung von A. Macovski in IEEE Transactions on Medical Imaging, Ausgabe MI-1, Seiten 42-48 (1982) beschrieben. Die schnellen Abtastungen würden ermöglichen, daß Gefäßbilder schnell ohne Berücksichtigung der Herz- oder Atembewegung erhalten werden. Wenn die Mehrfachabtastungsschachtelung- Ausführungsformen verwendet werden, kann jede Anregung auf das EKG-Signal abgestimmt werden, um Fehler aufgrund der Herzbewegung zu vermeiden. Im allgemeinen wird eine Projektionsbilderzeugung, unter Verwendung einer nicht selektiven Anregung, zur Angiographie verwendet. Die Anregung der Fig. 2 wäre somit, ohne den Gradienten Gz, nicht-selektiv. Eine Anzahl von in den vorangehend erwähnten Veröffentlichungen beschriebenen Verfahren kann dazu verwendet werden, statisches Gewebe auszulöschen und nur sich bewegendes Material abzubilden. Die Anregung kann eine "auslöschende" Anregung des Typs sein, welcher statisches Material in das Gleichgewicht zurückbringt und nur sich bewegendes Material anregt. Alternativ kann eine zeitliche Subtraktion verwendet werden, wenn Daten an zwei verschiedenen Teilen des Herzkreislaufs erfaßt werden, welche verschiedenen Blutgeschwindigkeiten entsprechen und welche subtrahiert werden.

Claims

1. Verfahren zum Vorsehen eines Magnetresonanzbildes eines Bereichs in einem Volumen bei Vorhandensein eines konstanten Magnetfeldes (B&sub0;), umfassend die Schritte:

Anregen des Bereichs mit einem Radiofrequenzstoß, Anlegen erster magnetischer Gradientenwellenformen (Gx, Gy) an zwei orthogonale Achsen normal zu dem konstanten Magnetfeld (B&sub0;),

Empfangen von magnetischen Resonanzsignalen für einen angeregten Bereich, während die magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) angelegt sind,

Verarbeiten der magnetischen Resonanzsignale für den angeregten Bereich, um ein Bild des Bereichs zu erzeugen,

worin die Größen der beiden Gradienten der ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) im wesentlichen konstant sind und die Trajektorien der ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) in dem Ortsfrequenzbereich, welcher die Ortsfrequenzen des Bildes wiedergibt, ein Feld von Spiralschleifen (27, 37) konstanter Geschwindigkeit mit zunehmendem Abstand von dem Ursprung bilden,

dadurch gekennzeichnet, daß zweite magnetische Gradientenwellenformen angelegt werden, welche verursachen, daß die Trajektorien der ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) entlang im wesentlichen des selben Feldes von Schleifen (27, 37) zum Ursprung zurückkehren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend den Schritt des Wiederholens der Schritte des Anlegens erster magnetischer Gradientenwellenformen (Gx, Gy), um ein zusätzliches Nachzeichnen des selben Wegs durch den Ortsfrequenzraum vorzusehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin die Schritte des Anlegens erster magnetischer Gradientenwellenformen (Gx, Gy) Wellenformen verwenden, in welchen die radiale Komponente und die Winkelkomponente der Ortsfrequenzen sich im wesentlichen mit der Quadratwurzel der Zeit ändern, wodurch eine Spiralortskurve (27) in einem Ortsfrequenzraum erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin die Schritte des Anlegens erster magnetischer Gradientenwellenformen (Gx, Gy) eine Abfolge von quadratischen Wellenformen mit konstanter Amplitude an den beiden orthogonalen Achsen verwenden, wobei ein Gradient an ist, wenn der andere aus ist, und wobei die Wellenformen in ihrer Zeitdauer zunehmen, wodurch eine "quadratische" Spirale (37) in dem Ortsfrequenzraum erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der Anregungsschritt den Schritt des Anlegens einer weiteren magnetischen Gradientenwellenform (Gz) an den angeregten Bereich umfaßt, worin die weitere magnetische Gradientenwellenform (Gz) normal zu den ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) steht, und wodurch das erzeugte Bild ein Querschnittsbild des angeregten Bereichs ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Feld von Spiraischleifen konstanter Geschwindigkeit auf eine Halbebene des Ortsfrequenzraums beschränkt sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, umfassend den Schritt des Anlegens invertierender Anregungen (51, 52) während des Anlegens der ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy), um zu verursachen, daß die Trajektorien der ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) sich zu konjugierten Positionen entlang der Linie bewegen, welche die Halbebenen des Ortsfrequenzraums trennt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die Trajektorien der ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) die vollständige Ebene des Hochfrequenzbereichs des Ortsfrequenzraums durchqueren und nur eine Halbebene des Niederfrequenzbereichs des Ortsfrequenzraums durchqueren, wobei der Verarbeitungsschritt den Schritt der Verwendung des Niederfrequenzspektrums zum Korrigieren der Phasenfehler des gesamten Spektrums umfaßt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte des sequentiellen Anlegens des Radiofrequenzstosses, worin der Schritt des Anlegens erster magnetischer Gradientenwellenformen (Gx, Gy), welcher jedem Radiofrequenzstoß folgt, die Schritte des Variierens der Anfangsphase der ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) umfaßt, wodurch der Ort der Trajektorien der ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) folgend auf jeden Radiofrequenzstoß anders ist und der Ortsfrequenzraum dicht abgetastet wird.

10. Einrichtung zum Vorsehen eines Magnetresonanzbildes eines Bereichs in einem Volumen, umfassend: ein Mittel zum Anlegen eines konstanten Magnetfelds (B&sub0;) durch den Bereich hindurch,

ein Mittel (11, 12, 15) zum Anregen des Bereichs mit einem Radiofrequenzstoß,

ein Mittel zum Anlegen erster magnetischer Gradientenwellenformen (Gx, Gy) an zwei orthogonale Achsen normal zu dem konstanten Magnetfeld (B&sub0;),

ein Mittel (11) zum Empfangen magnetischer Resonanzsignale für einen angeregten Bereich, während die ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) angelegt sind,

ein Mittel (16) zum Verarbeiten der magnetischen Resonanzsignale für den angeregten Bereich, um ein Bild des Bereichs zu erzeugen,

worin das Mittel zum Anlegen erster magnetischer Gradientenwellenformen (Gx, Gy) zum Anlegen der ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) derart betreibbar ist, daß die Größen der beiden Gradienten im wesentlichen konstant sind und die Trajektorien der ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) in dem Ortsfrequenzbereich, welcher die Ortsfrequenzen des Bilds wiedergibt, ein Feld von Spiralschleifen konstanter Geschwindigkeit mit zunehmendem Abstand vom Ursprung bilden,

gekennzeichnet durch ein Mittel zum Anlegen zweiter magnetischer Gradientenwellenformen, welches dazu betreibbar ist, zu bewirken, daß die Trajektorien der ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) entlang im wesentlichen des selben Feldes von Schleifen (27, 37) zum Ursprung zurückkehren.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, worin das Mittel zum Anlegen erster magnetischer Gradientenwellenformen (Gx, Gy) Mittel zum Anlegen von Wellenformen umfaßt, in welchen die radiale Komponente der Ortsfrequenz und die Winkelkomponente der Ortsfrequenz sich im wesentlichen mit der Quadratwurzel der Zeit ändern, wodurch eine Spiralortskurve (27) in dem Ortsfrequenzraum erzeugt wird.

12. Einrichtung nach Anspruch 10, worin das Mittel zum Anlegen erster magnetischer Gradientenwellenformen (Gx, Gy) ein Mittel zum Anlegen einer Abfolge von quadratischen Wellenformen mit konstanter Amplitude an die beiden orthogonalen Gradientenachsen umfaßt, wobei ein Gradient an ist, während der andere aus ist, und wobei die Wellenformen in ihrer Dauer zunehmen, wodurch eine "quadratische" Spirale (37) in dem Ortsfrequenzraum erzeugt wird.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, worin das Mittel (11, 12, 15) zum Anregen des Bereichs ein Mittel zum Anlegen einer weiteren magnetischen Gradientenwellenform (Gz) an den angeregten Bereich umfaßt, worin die weitere magnetische Gradientenwellenform (Gz) normal zu den ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) steht und wobei das erzeugte Bild ein Querschnittsbild des angeregten Bereichs ist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, worin das Mittel zum Anlegen erster magnetischer Gradientenwellenformen (Gx, Gy) zum Einschränken des Felds von Schleifen konstanter Geschwindigkeit auf eine Halbebene des Ortsfrequenzraums betreibbar ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, umfassend ein Mittel zum Anlegen von invertierenden Anregungen (51, 52) während des Anlegens der ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) 1 um zu bewirken, daß die Trajektorien der ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) sich entlang der Linie, welche die Halbebenen des Ortsfrequenzraums trennt, zu konjugierten Positionen bewegen.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, worin das Mittel zum Anlegen der ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) zum Anlegen der Wellenformen derart betreibbar ist, daß die Trajektorien der ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) die komplette Ebene des Hochfrequenzbereichs des Ortsfrequenzraums durchqueren und nur eine Halbebene des Niederfrequenzbereichs des Ortsfrequenzraums durchqueren, wobei das Mittel (16) zum Verarbeiten dazu betreibbar ist, das Niederfrequenzspektrum zum Korrigieren der Phase des gesamten Spektrums zu verwenden.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, worin das Mittel (11, 12, 15) zum Anregen des Bereichs mit einem Radiofrequenzstoß dazu geeignet ist, eine Abfolge von Radiofrequenzstößen vorzusehen, und worin das Mittel zum Anlegen erster magnetischer Gradientenwellenformen (Gx, Gy) dazu geeignet ist, das Anfangstiming der ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) folgend auf jeden Radiofrequenzstoß einzustellen, wodurch der Ort der Trajektorien der ersten magnetischen Gradientenwellenformen (Gx, Gy) folgend auf jeden Radiofrequenzstoß anders ist, derart, daß aufeinanderfolgende Abtastungen des Ortsfrequenzraums ineinandergeschachtelt sind und der Ortsfrequenzraum dicht abgetastet wird.

18. Einrichtung nach Anspruch 17, worin das Mittel (11, 12, 15) zum Anregen des Bereichs mit Radiofrequenzstößen zum zeitlichen Abstimmen der Stöße mit der Herzschlagrate eines untersuchten Patienten betreibbar ist.