DE4126169A1

DE4126169A1 - Verfahren zur bestimmung optimierter hochfrequenzpulsformen fuer selektive anregung

Info

Publication number: DE4126169A1
Application number: DE4126169A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr Rer Nat Deimling
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-08-07
Filing date: 1991-08-07
Publication date: 1993-02-11
Anticipated expiration: 2011-08-08
Also published as: DE4126169C2; US5235280A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung optimier ter Hochfrequenzpulsformen für selektive Anregung.

Sowohl bei der Spektroskopie als auch bei der Bildgebung geht jedem Kernresonanzexperiment eine Anregung durch einen Hoch frequenzpuls voraus, dessen Frequenz mit der Larmorfrequenz übereinstimmt. Beaufschlagt man während eines Hochfrequenzpul ses das Meßobjekt zusätzlich zum homogenen Grundfeld B_O mit einem magnetischen Feldgradienten G_Z, so variiert die Resonanz frequenz G_R entsprechend

G_R=(B_O+G_z z)

entlang dem Meßobjekt, wobei

G=Gyromagnetische Konstante
z=Ortskoordinate.

Es werden nur Kerne in der Schicht mit der Position

z=(G_R-B_O)/Gz

aus dem Gleichgewicht gebracht. Nur diese liefern also ein Kernresonanzsignal, während alle anderen unbeeinflußt bleiben. Derartige Hochfrequenzpulse werden als "selektiv" bezeichnet. Sie werden in der Spektroskopie dazu angewandt, Spektren aus lokalisierten Bereichen des Untersuchungsobjektes zu erhalten. Bei der Bildgebung wird in praktisch allen Fällen ebenfalls lediglich eine Schicht des Untersuchungsobjektes mit einem selektiven Hochfrequenzpuls angeregt und in der nachfolgenden Auslesesequenz durch Phasen- und Frequenzcodierung eine zwei- oder dreidimensionale Auflösung innerhalb dieser Schicht durch geführt.

Als Beispiel für die Anwendung selektiver Hochfrequenzpulse wird in den Fig. 1 bis 4 eine typische Spin-Echosequenz darge stellt. Dabei zeigen:

Fig. 1 zwei Hochfrequenzpulse RF1 und RF2 sowie das entstehende Signal S,

Fig. 2 den Verlauf des Schichtselektionsgradienten G_S,

Fig. 3 den Verlauf des Phasencodiergradienten G_P und

Fig. 4 den Verlauf des Read-Out-Gradienten G_R.

Bei der Spinechosequenz wird zunächst unter der Anwendung eines Schichtselektionsgradienten G_S ein selektiver 90°-Hoch frequenzpuls RF1 eingestrahlt. Anschließend wird die Richtung des Schichtselektionsgradienten G_S invertiert und ein Phasen codiergradient G_P wird eingeschaltet. Das dadurch angeregte FID-Signal wird jedoch nicht direkt ausgelesen, sondern es wird durch Einstrahlung eines ebenfalls selektiven zweiten Hochfrequenzpulses RF2 mit einem Flip-Winkel von 180° ein Spinechosignal S erzeugt, das unter einem Auslesegradienten G_R ausgelesen wird.

Die dargestellte Sequenz wird mehrfach mit verschiedenen Wer ten des Phasencodiergradienten G_P wiederholt. Für jeden Wert des Phasencodiergradienten G_P wird das entstehende Signal S abgetastet und in eine Zeile einer Meßmatrix eingetragen. Durch zweidimensionale Fourier-Transformation kann man dann ein Abbild der Spindichte in der untersuchten Schicht erstel len.

Bei der dargestellten Sequenz treten zwei schichtselektive Hochfrequenzpulse RF1 und RF2 auf, wobei RF1 zur Anregung dient und RF2 ein Spinecho erzeugen soll.

Verfahren zur Bildgebung mittels der kernmagnetischen Resonanz sind näher erläutert in A. Bottomley, "NMR Imaging Techniques and Applications: A Review" in Review of Scientific Instrumen tation 53 (9), September 1982.

Es ist zu betonen, daß die dargestellte Spinechosequenz ledig lich ein Beispiel darstellen soll für die Vielzahl von Anwen dungen der kernmagnetischen Resonanz, bei denen selektive Hochfrequenzpulse notwendig sind.

Bei der selektiven Anregung einer Schicht wird angestrebt, daß das Schichtprofil, d. h. die Größe des tatsächlich erzielten Flip-Winkels aufgetragen über die Ortsachse rechteckförmig ist. Die Ausgestaltung eines selektiven Hochfrequenzpulses, der diese Forderung erfüllt, ist deshalb schwierig, weil ein Kernspinsystem nicht linear auf eine Hochfrequenzanregung rea giert. Lediglich bei kleinen Flip-Winkeln (<30°) kann man das System als linear betrachten, d. h. die Bloch′schen Gleichun gen, die die Reaktion des Spinsystems auf Hochfrequenzpulse beschreiben, linearisieren. Bei einem linearen System müßte das Anregungsspektrum rechteckförmig sein. Dies kann man da durch erzielen, daß man ein Hochfrequenzsignal mit einer sinc- Funktion (sin x/x) moduliert. Für größere Flip-Winkel, wie z. B. 90° oder sogar 180° führt die sinc-Funktion jedoch nicht mehr zu befriedigenden Schichtprofilen. Ungenügende Schicht profile führen aufgrund der inhomogenen Flip-Winkelverteilung über die selektierte Schicht zu schlechten T1, T2 Gewebekon trasten in Gradientenecho- und Spinechobildern. Ferner ist es nachteilig, daß die Signalintensität über die Schicht vari iert. Aufgrund von numerischen Lösungen wird daher versucht, selektive Hochfrequenzpulse so zu gestalten, daß das Schicht profil verbessert wird. Derartige Lösungsansätze sind bei spielsweise in John Pauly et al "Parameter Relations for Shin nar - Le Roux Selective Excitation Pulse Design Algorithm" in IEEE Transactions on Medical Imaging, Vol. 10, No. 1, March 1991, beschrieben. Derartige numerische Verfahren sind jedoch aufwendig und führen nicht immer zu befriedigenden Lösungen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der ein gangs genannten Art derart auszugestalten, daß mit geringem Aufwand eine Hochfrequenzpulsform mit gutem Schichtprofil ge funden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruches 1. Das dort angegebene Verfahren ist sehr schnell zu realisieren und führt zu Hochfrequenzpulsen mit reeller Amplitude und gutem Schichtprofil. Ferner wird eine geringe Phasenvariation über die selektierte Schicht hinweg erzielt.

Alternativ kann das Echosignal sowie das optimierte Anregesi gnal aufgrund einer Simulationsrechnung ermittelt werden oder das Echosignal im Rahmen einer Testsequenz als Gradientenecho gewonnen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 5 bis 10 erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 5 in 3D-Darstellung den Verlauf der Quermagnetisierung My in Abhängigkeit von der Zeit t und der Ortskoordinate z nach einer selektiven Anregung,

Fig. 6 einen Hochfrequenzanregepuls mit sinc-Funktion,

Fig. 7 den Verlauf eines Gradienten G,

Fig. 8 das entstehende Signal,

Fig. 9 die sinc-Funktion sowie das Echosignal A(t),

Fig. 10 den Verlauf der Quermagnetisierung My über die Ortkoor dinate z.

Anhand der Fig. 6 bis 8 wird im folgenden beispielhaft darge stellt, wie man aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens auf experimentellem Wege zu einem optimierten selektiven Hochfre quenzpuls kommt. Zunächst wird auf eine Probe ein Hochfrequenz puls mit sinc-Form gemäß Fig. 6 eingestrahlt, der durch gleich zeitiges Einschalten eines Gradienten G⁺ gemäß Fig. 7 schichtse lektiv wird. Anschließend wird der Gradient G invertiert (G⁻), so daß ein Gradientenechosignal A(t) nach Fig. 8 entsteht. Fig. 5 zeigt in einer 3D-Darstellung den Verlauf der Quermagnetisie rung My unter dem Gradienten G⁻ in Abhängigkeit von der Zeit t und der Ortskoordinate z. Das gemessene Echosignal A(t) stellt ein Integral von My über die Ortskoordionate z dar. Das Signal A(t) wird als Grundlage für einen neuen, optimierten selekti ven Hochfrequenzpuls verwendet. Um unerwünschte Seitenbänder des neuen Hochfrequenzpulses zu vermeiden, werden hochfrequen te Signalanteile des Signals A(t) abgeschnitten. Dies kann z. B. vorteilhaft mit Hilfe eines Hamming-Filters erfolgen.

In Fig. 9 sind der als Ausgangspunkt des Verfahrens dienende sinc-Puls und das gewonnene Echosignal A(t) im Vergleich dar gestellt. Dabei fällt auf, daß das Echosignal A(t), das nach Filterung als optimierte Hochfrequenzform verwendet wird, im Gegensatz zum sinc-Puls unsymmetrisch ist.

In Fig. 10 ist der Verlauf der Quermagnetisierung My über die z-Koordinate (also das Schichtprofil) dargestellt, und zwar für die Anregung mit einer sinc-Funktion (Kurve s) und für die Anregung mit der optimierten Hochfrequenzpulsform (Kurve a). Es ist deutlich zu erkennen, daß das Schichtprofil aufgrund des optimierten Hochfrequenzpulses der idealen Rechteckform wesentlich besser angenähert ist als bei der sinc-Funktion.

Um die bei der Anregung von Kernspinsystemen auftretende Nichtlinearität bei der Optimierung zu verstärken, kann man bei der Anregung gemäß Fig. 6 von einem Flip-Winkel ausgehen, der deutlich über dem Flip-Winkel liegt, der bei einer spä teren Meßsequenz eingesetzt wird. Bei Spinechosequenzen, bei denen typischerweise ein Flip-Winkel von 90° verwendet wird, würde man beispielsweise bei der Anregung nach Fig. 6 einen Flip-Winkel von < 90° wählen.

Wenn man bei einer Pulssequenz die optimierte Hochfrequenzpuls form einsetzt, so ist der damit erzielte Flip-Winkel proportio nal dem Integral über die Funktion A(t). Durch entsprechende Skalierung der Amplitude der Funktion A(t) kann man den Flip- Winkel beliebig einstellen.

Anstatt die optimierte Hochfrequenzpulsform wie dargestellt experimentell zu ermitteln, könnte man die Funktion A(t) auch aufgrund einer Simulationsrechnung ermitteln, indem man einen sinc-Puls als Eingabe für die Simulation wählt.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung optimierter Hochfrequenzpulsformen für selektive Anregung, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Ein Spinsystem wird durch einen frequenzselektiven Hochfre quenzpuls angeregt;
b) ein Echosignal (A(t)) wird ausgelesen;
c) durch ein Filter werden hochfrequente Signalanteile des Echosignals (A(t)) abgeschnitten;
d) das gefilterte Echosignal (A(t)) wird als optimierte Hoch frequenzpulsform verwendet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Echosignal (A(t)) sowie die op timierte Hochfrequenzpulsform aufgrund einer Simulationsrech nung ermittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Echosignal (A(t)) im Rahmen ei ner Testsequenz als Gradientenecho gewonnen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flip-Winkel des Hochfrequenzpulses im Schritt a) größer ist als der Flip-Win kel jedes Hochfrequenzpulses einer Meßsequenz, für die die Optimierung erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt a) als fre quenzselektiver Hochfrequenzpuls ein sinc-Puls verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Filter ein Hamming filter verwendet wird.