DE4216969A1 - Verfahren zur simultanen Akquisition von Spinresonanzdaten für eine ortsaufgelöste Mehrschicht-Untersuchung eines Objektes - Google Patents
Verfahren zur simultanen Akquisition von Spinresonanzdaten für eine ortsaufgelöste Mehrschicht-Untersuchung eines ObjektesInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur simultanen ortsaufgelösten
Mehrschichtuntersuchung einer Probe mittels magnetischer Resonanz von Spinmomenten, zum
Beispiel als Mehrschichttechnik für die Kernspintomographie. Die Erfindung läßt sich auch auf
Elektronenspinresonanzverfahren anwenden. Besonders betrifft die Erfindung ein Verfahren zur
schnellen Kernspintomographie mit Bildmeßzeiten (Bildmeßzeit = Experimentzeit/Anzahl der
simultan akquirierten Schichten), die kürzer als die Bildmeßzeit für ein Einzelschichtexperiment
sind. Gemäß der Erfindung wird das Mehrschichtexperiment mit mindestens einem zusätzlichen
Magnetfeld realisiert, das die gemäß Anspruch 1 und 2 geforderten Eigenschaften hat.
Die Grundlagen der räumlich aufgelösten magnetischen Kernresonanz sind beispielsweise in einer
Monographie von P. Mansfield und P. G. Morris mit dem Titel "NMR Imaging in Biomedicine
(Academic Press, 1982) beschrieben.
Mathematische und methodische Grundlage der Bildgebung
mittels magnetischer Kernresonanz ist in der vorliegenden Erfindung die Methode der zwei- oder
drei- oder vier-dimensionalen Fouriertransformation (siehe die Monographie von P. Mansfield
und P. G. Morris Seite 117-127), sie kann jedoch auch mit Methoden der Rekonstruktion von
Projektionen (siehe P. Mansfield und P. G. Morris, Seite 133-142) verknüpft werden.
Alternative Verfahren zur simultanen Anregung und zur simultanen Akquisition einer
Multischicht (Simultaneous Excitation and Simultaneous Akquisition of Multislices = SESAM)
sind in der Form bislang nicht bekannt. Verfahren, die die Totzeit eines Einzelexperiments
ausnutzen (Multi-slice Spin-echo-Experimente) zählen nicht zu dieser Kategorie.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der ortsaufgelösten NMR,
insbesondere der schnellen NMR-Tomographie, dahingehend weiterzubilden, die Bildmeßzeiten
pro Objektschicht weiter zu verkürzen. Weiterhin sind die Möglichkeiten der Simultanakquisition
für neue Anwendungen in der medizinischen Diagnostik und der Biologie in der NMR noch nicht
abzusehen.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen und Applikationen des erfindungsgemäßen
Verfahrens, insbesondere und vor allem die Verbindung mit den Methoden der schnellen NMR-
Tomographie sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Bei dem vorliegenden Verfahren liefert eine Hochfrequenz- oder NMR-Anregung ein
Mehrschicht-Spinresonanz-(SR-)Signal, insbesondere ein Mehrschicht-NMR-Signal, das zum
Beispiel mit einem Gradientenecho mit dem Anschalten eines konstanten Magnetfeldgradienten
detektiert werden kann. Während der Aufnahme des NMR-Signals in einem NMR-Spektrometer
bzw. während der Probenabtastung wird eine zweite Magnetfeldspule dazugeschaltet. Hierzu ist
es nötig, daß das Feld dieser zusätzlichen Spule folgende Eigenschaften besitzt:
Die Magnetfeldkomponente der von der Spule abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung muß mehrere räumlich getrennte, über einen gewissen Bereich homogene Sektionen unterschiedlicher Feldstärke besitzen. Dabei bestimmt die Anzahl dieser homogenen Sektionen die Anzahl der gleichzeitig detektierbaren Schichten der Mehrschichtaufnahme und der Feldstärkeunterschied zwischen den Einzelsektionen bewirkt die Frequenztrennung der Einzelschichten im Frequenzraum und damit auch im Ortsraum. Eine genaue Beschreibung der Art dieser Kodierung findet sich in Fig. 1.
Die Magnetfeldkomponente der von der Spule abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung muß mehrere räumlich getrennte, über einen gewissen Bereich homogene Sektionen unterschiedlicher Feldstärke besitzen. Dabei bestimmt die Anzahl dieser homogenen Sektionen die Anzahl der gleichzeitig detektierbaren Schichten der Mehrschichtaufnahme und der Feldstärkeunterschied zwischen den Einzelsektionen bewirkt die Frequenztrennung der Einzelschichten im Frequenzraum und damit auch im Ortsraum. Eine genaue Beschreibung der Art dieser Kodierung findet sich in Fig. 1.
Eine zweidimensionale Fouriertransformation zur Frequenz- und Phasenanalyse des Gesamtsignals
ergibt dann das zweidimensionale Mehrschichtbild (s.a. Fig. 2).
Dieses Verfahren läßt sich gemäß der Unteransprüche der vorliegenden Erfindung auch auf mehr
als zwei Dimensionen ausbauen. Durch die Kombination mehrerer geeigneter Zusatzmagnetfelder
(Interleave-Technik) lassen sich neue schnelle dreidimensionale Bildgebungsmethoden realisieren.
Besondere Vorteile des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens sind:
(i) Die Anzahl der gemessenen Bildschichten oder Bildvolumen ist variabel und hängt nur
von den zur Verfügung stehenden Zusatzfeldern und der Bandbreite des NMR-Empfängers ab.
(ii) Die Mehrschichtbilder können beliebig addiert werden, um das Signal/Rausch-Verhältnis zu
verbessern, oder Bewegungen zeitlich zu mitteln.
(iii) Das bildgebende Verfahren kann mit jedem bekannten NMR-Bildgebungsverfahren verknüpft
werden. Damit können alle, mit den NMR-Bildgebungsverfahren meßbaren Parameter mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren abgebildet werden.
Das vorliegende schnelle NMR-Abbildungsverfahren kann mit bekannten Geräten zur
magnetischen Spinresonanz, insbesondere NMR-Geräten, durchgeführt werden. Lediglich Spulen
zur Erzeugung der erfindungsgemäß geforderten Magnetfelder und Hochfrequenzpulse- oder
sequenzen mit mehreren Anregungsfrequenzen müssen zusätzlich an die entsprechende Anlage
implementiert werden.
Fig. 3 zeigt das prinzipielle Zeitdiagramm für eine NMR-Mehrschichtabbildung nach dem
beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren. Nach einer beliebigen, nicht genauer spezifizierten
Mehrschicht-"NMR-Anregung" entsteht ein zeitlich abfallendes "NMR-Signal". Dies wird
während seiner Anwesenheit so räumlich kodiert, daß eine NMR-Mehrschichtabbildung entsteht.
Die Kodierung erfolgt über einen Magnetfeldgradienten und mindestens einem zusätzlichen
Magnetfeld. Ein zweiter Gradient ergibt entweder die frequenzkodierte Rauminformation oder
eine zusätzliche Phasenkodierung. Ein dritter Gradient kann eine weitere Phasenkodierung in der
dritten Raumrichtung (Mehrvolumen-Aufnahme) oder die ebenenspezifische NMR-Anregung
(Mehrschichtaufnahme) erbringen.
Bei dem vorliegenden Verfahren zur Mehrschicht-NMR-Tomographie wird also während der
zeitlichen Dauer eines NMR-Bildgebungsexperimentes ein NMR-Bild mit der Bildinformation
mehrerer Einzelschichten in beliebiger räumlicher Auflösung gemessen. Die Grundlage des
Verfahrens ist die Verwendung mindestens eines zusätzlichen Magnetfeldes und einer
geeigneten Mehrschichtanregung des Objektes.
Das Verfahren ist prinzipiell mit jedem NMR-Experiment und jedem NMR-Signal möglich,
wodurch eine beliebige Anzahl von Bildschichten simultan gemessen werden kann.
Ein erstes SESAM-Zweischicht-Tomogramm ist in Fig. 4 abgebildet.
Fig. 1 Detailbeschreibung u. eines SESAM-Experimentes im einfachsten Fall einer
Zweischichtanregung.
Ein Hochfrequenzpuls geeigneter Form regt bei gleichzeitig eingeschaltetem, schichtselektivem
Gradienten GS in z-Richtung zwei Bildschichten simultan an, Fig. 1a. Danach wird das
abklingende Signal z. B. in Form eines Gradientenechos unter einem geeigneten Gradientenfeld
ausgelesen. Dieses Feld setzt sich aus einem linearen Readgradienten GR und einem Magnetfeld,
das z. B. stufenförmig aufgebaut sein kann, zusammen, Fig. 1b. Das zusätzliche Magnetfeld
bewirkt, daß die beiden angeregten Schichten unterschiedliche konstante Feldstärken Bo′ und Bo′′
sehen. Dieser Feldstärkeunterschied bewirkt eine Trennung der beiden Schichten im
Frequenzraum.
Um dabei eine vollständige Trennung der Frequenzanteile beider Schichten während des
Readvorgangs zu realisieren, muß folgende Bedingung erfüllt sein:
FOVR * GR < Bo′-Bo′′ (1)
mit FOVR = FIELD-OF-VIEW in Readrichtung
GR = Stärke des Readgradienten.
GR = Stärke des Readgradienten.
Unter dieser Voraussetzung (1) sind die Frequenzinformationen der beiden angeregten Schichten
im Frequenzraum und somit nach Fouriertransformation auch im Ortsraum getrennt. Ein
Schemadiagramm des Sesam-Konzeptes findet sich in Fig. 2.
Alle Überlegungen lassen sich prinzipiell auch auf den 2D- und 3D-Phasenraum übertragen, d. h.
eine Trennung der Mehrschichtinformation in Phasenrichtung ist prinzipiell auch möglich.
Claims (24)
1. Verfahren zur simultanen Akquisition von Spinresonanzdaten, insbesondere
Magnetresonanzdaten, für eine ortsaufgelöste Mehrschichtuntersuchung eines Objektes, bei
welchem das Objekt einem konstanten Magnetfeld und einer variablen Kombination von drei
Magnetfeldgradienten sowie mindestens einem zusätzlichen Magnetfeld ausgesetzt wird, wobei
mindestens ein Hochfrequenzpuls zur Erzeugung einer Mehrschichtanregung verwendet wird und
das Mehrschicht-Spinresonanz (SR-) Signal des Objekts, während der Anwesenheit eines
Magnetfeldgradienten aufgenommen wird, wobei gleichzeitig mindestens ein zusätzliches
Magnetfeld verwendet wird, das durch mehrere, räumlich voneinander getrennte
Magnetfeldabschnitte unterschiedlicher Feldstärke gekennzeichnet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Magnetfeld mit diskreten,
räumlich getrennten Magnetfeldbereichen verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Hochfrequenzpulse oder
Hochfrequenzpulssequenzen, die gleichzeitig mehrere Resonanzfrequenzen anregen, verwendet
werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Änderung der
Amplitude der zusätzlichen Magnetfelder der Abstand der Frequenzinformationen der
Einzelschichten des Mehrschichtexperiments im Frequenzraum sich verändert.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet daß mit
mindestens einem zusätzlichen Magnetfeld, dessen Amplitude nach geeigneter Weise eingestellt
wird, die Daten für ein zweidimensionales Mehrschicht-Tomogramm mit Signalen der
magnetischen Kernresonanz (NMR) während der Dauer eines SR-Bildexperiments gleichzeitig
gewonnen werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten für eine L
× N × M- zweidimensionale Mehrschicht-NMR-Abbildung (L gleichzeitig detektierte Schichten
mit einer N × M räumlichen Auflösung) durch die M-fache Messung eines frequenzkodierten SR-
Signals gewonnen werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten für eine L
× N × M × P-dreidimensionale Mehrvolumen-NMR-Abbildung (L = Anzahl der gleichzeitig
detektierbaren Volumen mit einer M × N × P räumlichen Auflösung) durch die M × P-fache
Messung eines frequenzkodierten SR-Signals gewonnen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten für eine
NMR-spektroskopische L × N × M-zweidimensionale Mehrschichtabbildung durch die M-fache
Messung eines frequenzkodierten NMR-Signals gewonnen werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten für eine
NMR-spektroskopische L × N × M × P-dreidimensionale Mehrvolumenabbildung durch die M
× P-fache Messung eines frequenzkodierten NMR-Signals gewonnen werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal
ein aus dem freien Induktionsabfall (Free Induction Decay) resultierendes Signal ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal
ein Spin-Echo-Signal ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das NMR-Signal
ein stimuliertes Echo-Signal ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal
durch ein "Inversion-Recovery"-Experiment erzeugt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal
durch ein "Saturation-Recovery"-Experiment erzeugt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal
durch ein "Progressive-Saturation"-Experiment erzeugt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal
durch ein "Steady-State-Free-Precession"-Experiment erzeugt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal
durch eine Mehrpulssequenz zur Erzeugung eines Festkörper-NMR-Spin-Echos erzeugt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal
durch eine Carr-Purcell-Meiboom-Gill-Sequenz erzeugt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das NMR-Signal
durch eine "Chemical-shift-selective"-NMR-Anregung erzeugt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal
durch ein Magnetfeldgradientenecho erzeugt wird.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Akquisition der Daten für eine Mehrschichtabbildung mit einer ganzzahligen Anzahl wiederholt
und addiert wird, um das Signal/Rausch-Verhältnis zu verbessern und/oder eine zeitliche
Mittelung von Bewegungen des Objekts zu erzielen.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederholung mit einer
Wiederholzeit von mindestens gleich der Dauer der Akquisition von Daten für eine Mehrschicht-
NMR-Abbildung erfolgt.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mehrschichtdatenakquisition mit unterschiedlichen SR-Signalen wiederholt wird, um verschiedene
Parameter zu messen.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinnung
von Mehrschichtdaten mit jeweils dem gleichen Typ von SR-Signal, jedoch mit unterschiedlichen
zeitlichen Abständen zwischen der Hochfrequenzpuls-Anregung und der Mehrschichtdaten-
Akquisition wiederholt wird.
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