DE4035410A1 - Kernspintomographiegeraet mit einer pulssequenz nach dem echoplanarverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernspintomographiegerät, das mit einer Pulssequenz nach dem Echoplanarverfahren betrieben wird, wobei je Scan nach einer Anregung ein aus Teilimpulsen mit wech­ selnder Polarität zusammengesetzter Auslesegradient und minde­ stens ein Phasenkodiergradient eingeschaltet werden, wobei der Phasenkodiergradient aus Teilimpulsen besteht, die bei jedem Polaritätswechsel des Auslesegradienten eingeschaltet werden, wobei die entstehenden Signale digitalisiert und im K-Raum je Teilimpuls des Auslesegradienten in eine Zeile einer Rohdaten­ matrix eingeschrieben werden, wobei die Zeilen nach den durch den Phasenkodiergradienten bestimmten Phasenfaktoren geordnet sind.

Eine derartige Pulssequenz nach dem Echoplanarverfahren ist aus der europäischen Patentschrift 00 76 054 bekannt.

Zur Erläuterung der Problemstellung sind in Fig. 1 die Grundkom­ ponenten eines Kernspintomographiegerätes schematisch darge­ stellt. Die Spulen 1 bis 4 erzeugen ein magnetisches Grundfeld B₀, in welchem sich bei Anwendung zur medizinischen Diagnostik der zu untersuchende Körper eines Patienten 5 befindet. Diesem sind außerdem Gradientenspulen zugeordnet, die zur Erzeugung unabhängiger, zueinander senkrechter Magnetfeldkomponten der Richtungen x, y und z gemäß dem Koordinatenkreuz 6 vorgesehen sind. In der Fig. 1 sind der Übersichtlichkeit halber nur die Gradientenspulen 7 und 8 gezeichnet, die zusammen mit einem Paar gegenüberliegender, gleichartiger Gradientenspulen zur Erzeugung eines x-Gradienten dienen. Die gleichartigen, nicht eingezeichneten y-Gradientenspulen liegen parallel zum Körper 5 und oberhalb sowie unterhalb von ihm, die für das z-Gradienten­ feld quer zu seiner Längsachse am Kopf- und am Fußende.

Die Anordnung enthält außerdem noch eine zur Erzeugung und Auf­ nahme der Kernresonanzsignale dienende Hochfrequenzantenne 9. Die von einer strichpunktierten Linie 10 umgrenzten Spulen 1, 2, 3, 4, 7, 8 und 9 stellen das eigentliche Untersuchungsin­ strument dar. Es wird von einer elektrischen Anordnung aus be­ trieben, die ein Netzgerät 11 zum Betrieb der Spulen 1 bis 4 sowie eine Gradientenstromversorgung 12, an welcher die Gra­ dientenspulen 7 und 8 sowie die weiteren Gradientenspulen lie­ gen, umfaßt. Die Hochfrequenzspule 9 ist über einen Signalver­ stärker 14 bzw. einen Hochfrequenzsender 15 an einen Prozeß­ rechner 17 gekoppelt, an dem zur Ausgabe der Abbildung ein Bildschirmgerät 18 angeschlossen ist. Die Komponenten 14 und 15 bilden eine Hochfrequenzeinrichtung 16 zur Signalerzeugung und -aufnahme. Ein Umschalter 19 ermöglicht das Umschalten von Sen­ de- auf Empfangsbetrieb.

Der Prinzip der Bilderzeugung nach dem bekannten Echoplanar­ (EPI-)verfahren wird im folgenden anhand der Fig. 2 bis 7 näher erläutert. Eine detailierte Beschreibung findet sich in der be­ reits genannten europäischen Patentschrift 00 76 054.

Zu Beginn der Pulssequenz wird ein HF-Anregungspuls RF nach Fig. 2 unter der Einwirkung eines Schichtselektionsgradienten SS in z-Richtung auf das Untersuchungsobjekt eingestrahlt. Damit werden Kernspins in einer Schicht des Untersuchungsobjektes an­ geregt. Anschließend wird die Richtung des Gradienten SS inver­ tiert, wobei der negative Teil des Gradienten SS die durch den positiven Teil des Gradienten SS verursachte Dephasierung der Kernspins rückgängig gemacht.

Nach der Anregung wird ein Phasenkodiergradient PC nach Fig. 4 in y-Richtung und ein Auslesegradient RO nach Fig. 5 in x-Rich­ tung eingeschaltet. Der Auslesegradient RO besteht aus einem Vorimpuls ROV sowie aus den mit 0 bis 5 bezeichneten Teilimpul­ sen von wechselnder Polarität. Die Teilimpulse des Auslesegra­ dienten RO werden vereinfacht als Rechteckimpulse betrachtet, in der Praxis wird im allgemeinen eine Sinus-Funktion verwen­ det, da dies gerätetechnisch einfacher zur realisieren ist.

Durch die wechselnde Polarität des Auslesegradienten RO werden die Kernspins im Wechsel dephasiert und wieder rephasiert, so daß eine Folge von Signalen S nach Fig. 6 entsteht. Dabei werden nach einer einzelnen Anregung soviele Signale gewonnen, daß der gesamte Fourier-K-Raum abgetastet wird, d. h. daß die vorliegen­ den Informationen zur Rekonstruktion eines vollständigen Schnitt­ bildes ausreichen.

Bei jedem Wechsel der Polarität des Auslesegradienten RO wird der Phasenkodiergradient PC kurzzeitig eingeschaltet. Damit wird jedesmal die Phasenlage der Kernspins um eine Stufe wei­ tergeschaltet. Vor der Auslesesequenz wird ein Vorphasiergra­ dient PCV eingeschaltet, dessen Zweck später noch erläutert wird.

Die entstehenden Kernresonanzsignale S werden im Zeitbereich abgetastet, digitalisiert und die so gewonnenen numerischen Werte in eine Rohdatenmatrix eingetragen. Die Rohdatenmatrix kann man als Meßdatenraum, bei dem im Ausführungsbeispiel vor­ liegenden zweidimensionalen Fall als Meßdatenebene betrachten. Dieser Meßdatenraum wird in der Kernspintomographie im allge­ meinen als "K-Raum" bezeichnet.

Die für die Bilderzeugung notwendige Information über die räum­ liche Herkunft der Signalbeiträge S ist in den Phasenfaktoren kodiert, wobei zwischen dem Ortsraum (also dem Bild) und dem K-Raum mathematisch der Zusammenhang über eine zweidimensionale Fouriertransformation besteht. Es gilt:

Dabei gelten folgende Definitionen:

γ = gyromagnetisches Verhältnis
G_x(t′) = Momentanwert des Auslesegradienten RO
G_y(t′) = Momentanwert des Phasenkodiergradienten PC.

In der in Fig. 7 dargestellten Rohdatenmatrix entsprechen die Zeilennummern der in Fig. 5 angegebenen Nummer der Teilimpulse des Auslesegradienten. In Fig. 7 sind der Übersichtlichkeit we­ gen lediglich 8 Zeilen dargestellt, in der Praxis ist diese Zahl wesentlich größer, z. B. 256.

Durch die schrittweise Fortschaltung des Phasenkodiergradienten PC erfolgt die Abtastung im K-Raum in aufeinanderfolgenden Zei­ len, beginnend mit der Zeile 0. Der wechselnden Polarität des Auslesegradienten RO wird dadurch Rechnung getragen, daß die Meßwerte in aufeinanderfolgenden Zeilen in entgegengesetzter Richtung eingeschrieben werden, also z. B. in der Zeile 0 von links beginnend nach rechts, und in der Zeile 1 von rechts be­ ginnend nach links.

Aus der in Fig. 7 dargestellten Rohdatenmatrix wird durch zwei­ dimensionale Fouriertransformation eine Bildmatrix gewonnen, aufgrund derer dann eine Bildrekonstruktion erfolgt. Die Fou­ riertransformation liefert dann die besten Ergebnisse, wenn in der mittleren Zeile (im Ausführungsbeispiel also in der Zeile 4) die dem Signalmaximum zugeordneten Meßwerte stehen. Anson­ sten können Bildartefakte entstehen. Dies wird durch eine Vor­ phasierung der Kernspins in y-Richtung durch den Impuls PCV nach Fig. 4 erreicht. Dieser Impuls wird so eingestellt, daß gerade für die mittlere Zeile (im Ausführungsbeispiel also Zei­ le 4) eine Rephasierung erreicht ist.

Zusammenfassend ist also festzustellen, daß beim herkömmlichen EPI-Verfahren die Reihenfolge der gemessenen Fourierzeilen im K-Raum vorgegeben ist. Ferner müssen die gemessenen Fourierzei­ len wegen des in der Richtung alternierenden Auslesegradienten alternierend in positiver und negativer Richtung in die Meßma­ trix eingetragen wird.

Diese Art der Datenaufnahme hat jedoch zwei wesentliche Nach­ teile. Zum einen ist dieses Verfahren wegen des alternierenden Eintrags in die Meßmatrix anfällig für sogenannten N/2-Geister. Diese entstehen, wenn sich von Zeile zu Zeile auch nur gering­ fügige Abweichungen ergeben. Sie äußern sich darin, daß bei ei­ ner Bildmatrix von N×N Punkten das eigentliche Bild um N/2- Punkte verschoben in positiver und negativer Richtung bezüglich der Bildmatrixmitte nochmals abgebildet wird, und zwar im all­ gemeinen in verschiedener Intensität. Ein zweiter Nachteil be­ steht darin, daß die mittleren Meßzeilen im K-Raum bei einer symmetrisch gemessenen Meßmatrix erst in der Mitte der Auslese­ sequenz ausgelesen werden. Diese mittleren Zeilen bestimmen we­ sentlich das Signal-zu-Rauschverhältnis (SNR) im Bild. Die FID- Einhüllende, die sich bei freiem Induktionszerfall ergeben wür­ de und die die maximal erreichbare Amplitude der einzelnen Echos nach Fig. 6 darstellt, klingt nach der Anregung nach der ebenfalls in Fig. 6 dargestellten Funktion e^-t/T₂* ab. Dabei ist T₂* die Zeitkonstante für den Verlust der Phasenkohäsenz der Spins unter Berücksichtigung von Magnetfeldinhomogenitäten. Zu dem Zeitpunkt, zu dem die mittleren Fourierzeilen ausgelesen werden, ist somit die Signalamplitude gegenüber dem Beginn des Ausleseintervalls bereits deutlich verringert. Damit wird das Signal-zu-Rauschverhältnis verschlechtert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pulssequenz der eingangs ge­ nannten Art so auszugestalten, daß N/2-Geister von vornherein eliminiert werden und die mittleren Fourierzeilen möglichst früh nach der Anregung ausgelesen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Teil­ impulse des Phasenkodiergradienten eine von Teilimpuls zu Teil­ impuls wechselnde Polarität und eine schrittweise zunehmende Amplituden-Zeit-Fläche aufweist. Da hierbei keine Vorphasierung notwendig ist, wird die mittlere Fourierzeile aus den Meßwerten des ersten Echosignals, d. h. unmittelbar nach dem Anregeimpuls, gebildet, wo das FID-Signal nur geringfügig abgeklungen ist. Durch die wechselnde Polarität des Phasenkodiergradienten wer­ den alle Zeilen oberhalb der mittleren Zeile in einer einheit­ lichen ersten Richtung und alle Zeilen unterhalb der Mittelzei­ le in einer einheitlichen zweiten, zur ersten entgegengesetzten Richtung ausgelesen. Somit fällt die Ursache für N/2-Geister weg.

Vorteilhafterweise nimmt die Amplituden-Zeitfläche der Teilim­ pulse des Phasenkodiergradienten in konstanten Schritten zu. Damit werden auch die Phasenfaktoren um konstante Beträge ver­ ändert, was einen konstanten Zeilenabstand im K-Raum bedeutet.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird vor dem ersten Teilimpuls des Auslesegradienten ein Vorphasierimpuls in Rich­ tung des Phasenkodiergradienten eingeschaltet. Damit wird die mittlere Fourierzeile zwar nicht mehr im ersten Echosignal nach der Anregung ausgelesen, dafür ist aber der störende Übergang von den Zeilen einer ersten Ausleserichtung zu den Zeilen einer entgegengesetzten Ausleserichtung aus der Matrixmitte vorscho­ ben und wirkt sich somit weniger auf das Bild aus. Der Vorpha­ siergradient kann wesentlich kleiner als beim Stand der Technik gemacht werden, so daß das Auslesen der mittleren Fourierzeile in kürzerem Zeitabstand zur Anregung als beim Stand der Technik erfolgt und somit das Signal-Rauschverhältnis besser bleibt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden nur in einem ersten Teil jeder Pulssequenz zur Signalgewinnung für die zentralen Zeilen der Rohdatenmatrix die Teilimpulse des Phasen­ kodiergradienten mit wechselnder Polarität und zunehmender Am­ plituden-Zeitfläche geschaltet und dann die Teilimpulse mit konstanter Polarität und Amplituden-Zeitfläche geschaltet. Da­ mit wird die notwendige maximale Gradientenamplitude reduziert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Fig. 8 bis 25 näher erläutert.

Beim ersten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 8 bis 13 wird zu­ nächst gemäß Fig. 8 ein Hochfrequenzimpuls RF auf die Probe ein­ gestrahlt, der durch gleichzeitiges Aufschalten eines Schicht­ selektionsgradienten SS gemäß Fig. 9 schichtselektiv wird. Durch Invertierung des Schichtselektionsgradienten SS in einem zwei­ ten Teil des Schichtselektionsgradienten SS wird die im ersten Teil verursachte Dephasierung der Kernspins wieder rückgängig gemacht. Anschließend wird ein Auslesegradient RO in negativer Richtung (ROV) eingeschaltet. Wie beim herkömmlichen Echopla­ narverfahren werden anschließend Teilimpulse des Auslesegra­ dienten RO mit wechselnder Polarität eingeschaltet. In Fig. 11 sind lediglich fünf Teilimpulse dargestellt. Jeweils zwischen zwei Teilimpulsen des Auslesegradienten RO wird ein Phasenko­ diergradient PC eingeschaltet. Auch diese Phasenkodiergradien­ ten weisen wechselnde Polarität auf. Sämtliche Phasenkodier­ gradienten weisen eine konstante Länge t_PC auf. Der erste Pha­ senkodiergradient 1 weist ferner eine Amplitude dG_PC auf, bei den folgenden Phasenkodiergradienten (in Fig. 10 mit 2 bis 6 be­ zeichnet) nimmt die Amplitude um jeweils einen Schritt dG_PC zu.

Ebenfalls wie beim herkömmlichen Echoplanarverfahren wird das in Fig. 12 dargestellte Signal unter jedem Teilimpuls des Aus­ lesegradienten RO abgetastet und in eine Zeile einer in Fig. 13 dargestellten Meßmatrix geschrieben. Da hierbei jedoch positive und negative Phasenkodiergradienten PC verwendet werden, ist nunmehr das dem ersten Teilimpuls 0 des Auslesegradienten RO zugeordnete Signal der mittleren Fourierzeile zugeordnet. In Fig. 13 sind die Zuordnungen zwischen den Teilimpulsen 0 bis 5 des Auslesegradienten und den Zeilen der Rohdatenmatrix (auch als "Fourierzeilen" bezeichnet) mit übereinstimmenden Ziffern bezeichnet.

Aufgrund der wechselnden Polarität des Phasenkodiergradienten PC werden die Fourierzeilen abwechselnd in der oberen und in der unteren Hälfte der Rohdatenmatrix eingetragen. Dabei ergibt sich, daß die gemessenen Werte für die obere Hälfte der Rohda­ tenmatrix in einer einheitlichen ersten Richtung eingetragen und in der unteren Hälfte der Rohdatenmatrix in einer einheit­ lichen, zur ersten entgegengesetzten zweiten Richtung eingetra­ gen werden. Im Ausführungsbeispiel werden z. B. die Meßwerte in der oberen Hälfte der Rohdatenmatrix in negativer Richtung und in der unteren Hälfte in positiver Richtung eingetragen. Mit der dargestellten Pulssequenz sind also die eingangs geschil­ derten Nachteile des EPI-Verfahrens beseitigt. Die Meßwerte zu Beginn der Auslesesequenz, bei denen das FID-Signal nur wenig abgeklungen ist, werden in die Mitte der Rohdatenmatrix einge­ tragen. Da die Mitte der Rohdatenmatrix in besonderem Maße das Signal-Rauschverhältnis bestimmt, wird dieses dadurch verbes­ sert. Der Vorphasiergradient, der beim herkömmlichen EPI-Ver­ fahren nötig war, um das Maximum des Meßsignales in die Mitte der Rohdatenmatrix zu bringen, kann entfallen.

Durch die einheitliche Richtung der Eintragung der Meßwerte im oberen bzw. unteren Bereich der Rohdatenmatrix entfällt die al­ ternierende, zu N/2- Geistern führende Einsortierung in die Rohdatenmatrix.

Als die einzige Diskontinuität bleibt der Übergang in der mitt­ leren Zeile, d. h. der Zeile 0 nach der Fig. 13, mit der Eintra­ gung der Meßwerte in positive Richtung zur Zeile 1 mit der Ein­ tragung der Signale in negative Richtung. Da hiermit die beson­ ders signalträchtigen Zeilen 0 und 1 betroffen sind, können Bildartefakte in Form von Verschmierungen in Phasenkodierrich­ tung auftreten.

Um diese zu minimieren, kann, wie beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 14 bis 19 dargestellt, eine Vorphasierung mit einem Vor­ phasierimpuls PCV in Phasenkodierrichtung gemäß Fig. 16 erfol­ gen. Ansonsten stimmt die in den Fig. 14 bis 17 dargestellte Pulssequenz mit der Pulssequenz nach den Fig. 8 bis 12 überein. Der Vorphasierimpuls PCV kann z. B. die Amplitude 2 dG_PC haben. Damit tritt das in die mittlere Zeile der Rohdatenmatrix einzu­ tragende Echosignal mit der höchsten Amplitude unter dem Teil­ impuls 4 des Auslesegradienten auf. Dieses Signal ist zwar ge­ genüber dem unter dem ersten Teilimpuls 0 auftretenden bereits etwas abgeschwächt, jedoch weit weniger als beim herkömmlichen EPI-Verfahren. Dafür erhält man den Vorteil, daß der Übergang von positiver zu negativer Ausleserichtung der Signale in der Rohdatenmatrix und damit die Diskontinuität zu den weniger zum Bildsignal beitragenden, von der Mittelzeile etwas entfernten Zeilen der Rohdatenmatrix verschoben wird und daher der mögli­ che Artefakt verringert wird.

Bei den bisher dargestellten Ausführungsbeispielen sind Phasen­ kodiergradienten-Pulse mit sehr hoher Amplitude und sehr kurzer Dauer notwendig. Die maximal erforderliche Gradientenamplitude G_PC ^max beträgt bei einer quadratischen Bildgröße

wobei t_RO die Zeitdauer eines Teilimpulses des Auslesegradien­ ten RO,
t_PC die Zeitdauer eines Teilimpulses des Phasenkodier­ gradienten und
G_RO die Amplitude des Auslesegradienten ist.

Der kürzere Phasenkodiergradienten-Puls müßte also um den Faktor 1/2 t_RO/t_PC höher sein als der längere Teilimpuls des Aus­ lesegradienten. Dies ist technisch nur mit großem Aufwand zu realisieren.

Ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Anforderungen an die Gra­ dientenstromversorgung geringer sind, ist in den Fig. 20 bis 25 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem nach den Fig. 8 bis 12 dadurch, daß nur die ersten sechs Phasenkodiergradienten-Pulse alternierendes Vorzeichen und schrittweise zunehmende Amplitude aufweisen. Anschließend wird in konventioneller Weise mit Phasenkodiergradienten-Pulsen kon­ stanter Amplitude und einheitlicher Polarität fortgefahren. Da­ mit werden, wie in Fig. 25 dargestellt, nur die mittleren Zeilen der Rohdatenmatrix mit einheitlicher Ausleserichtung belegt, während die weiter unten liegenden Zeilen der Rohdatenmatrix in herkömmlicher Weise mit alternierender Ausleserichtung belegt werden. Die oben verbleibenden Zeilen der Rohdatenmatrix werden mit 0 aufgefüllt. Durch eine Halb-Fourier-Bildrekonstruktion kann das Fehlen der oberen Zeilen ohne wesentlichen Verlust an Bildqualität ignoriert werden.

Bei dieser Anordnung wird man die Fortschaltung der Amplitude der Phasenkodiergradienten-Pulse solange fortführen, wie es die Gradientenspule und der Gradientenverstärker erlauben und an­ schließend in konventioneller Weise mit Phasenkodiergradienten- Pulsen konstanter Amplitude fortfahren.

Claims (5)

1. Kernspintomographiegerät, das mit einer Pulssequenz nach dem Echoplanarverfahren betrieben wird, wobei je Scan nach einer Anregung ein aus Teilimpulsen mit wechselnder Polarität zusam­ mengesetzter Auslesegradient (RO) und mindestens ein Phasenko­ diergradient (PC) eingeschaltet werden, wobei der Phasenkodier­ gradient (PC) aus Teilimpulsen besteht, die bei jedem Polari­ tätswechsel des Auslesegradienten (RO) eingeschaltet werden, wobei die entstehenden Signale digitalisiert und im K-Raum je Teilimpuls des Auslesegradienten (RO) in eine Zeile einer Roh­ datenmatrix eingeschrieben werden, wobei die Zeilen nach den durch den Phasenkodiergradienten (PC) bestimmten Phasenfaktoren geordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilimpulse des Phasenkodiergradienten (PC) eine von Teilimpuls zu Teilimpuls wechselnde Polarität und eine schritt­ weise zunehmende Amplituden-Zeitfläche aufweisen.

2. Kernspintomographiegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden-Zeitfläche der Teilimpulse des Phasenkodiergradienten (PC) in konstanten Schritten zunimmt.

3. Kernspintomographiegerät nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Teil­ impulse des Phasenkodiergradienten (PC) gleiche Zeitdauer auf­ weisen.

4. Kernspintomographiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem ersten Teilimpuls des Auslesegradienten (RO) ein Vorphasierim­ puls (PVC) in Richtung des Phasenkodiergradienten (PC) einge­ schaltet wird.

5. Kernspintomographiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nur in einem ersten Teil jeder Pulssequenz zur Signalgewinnung für die zentralen Zeilen der Rohdatenmatrix die Teilimpulse des Phasen­ kodiergradienten (PC) mit wechselnder Polarität und zunehmender Amplituden-Zeitfläche geschaltet werden und daß dann die Teil­ impulse mit konstanter Polarität und Amplituden-Zeitfläche ge­ schaltet werden.