DE4216969C2 - 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 Bildmeßzeiten für
ein Einzelschichtexperiment sind. Gemäß der Erfindung wird das Mehrschichtexperiment mit
mindestens einem zusätzlichen Magnetfeld realisiert, das die gemäß Anspruch 1 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. Auch Verfahren
zur simultanen Messung von Kernspinresonanzsignalen aus mehreren Schichten mit Multi-
Frequenz-Hochfrequenzimpulsen, siehe z. B. Patentdokument DE 39 26 889 A1, können in
diese Kategorie nicht eingeordnet werden, da diese die Gesamtmesszeit = Messzeit/Schicht
nicht verkürzen.
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:
- a) 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.
- b) Die Mehrschichtbilder können beliebig addiert werden, um das Signal/Rausch- Verhältnis zu verbessern, oder Bewegungen zeitlich zu mitteln.
- c) 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 beispielhaftes SESAM-Zweischicht-Tomogramm ist in Fig. 4 abgebildet.
Fig. 1 Detailbeschreibung 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
B0' und B0" 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 < B0' - B0" (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.
Das SESAM-Konzept läßt sich mit verschiedenen aus dem Stand der Technik bekannten
Sequenzen kombinieren, die sich der Monographie von P. Mansfield und P. G. Morris entnehmen
lassen. Dazu gehören die Saturation-Recovery-Technik (Seiten 270-278), die Progressive-
Saturation-Technik (Seiten 43-44), die Inversion Recovery-Technik (Seiten 270-278), die Steady-
State-Free-Precession-Technik (Seite 271), die Carr-Purcell-Meiboom-Gill-Technik (Seite 50 und
114), und die Chemical-shift-selective-Technik (Seite 32).
Fig. 1a: Simultan-Zweischichtanregung im SESAM-Experiment
Fig. 1b: Eine mögliche, vorteilhafte Feldkonfiguration zur Realisierung des SESAM-
Auslesegradienten
Fig. 2: Konzept eines SESAM-Experimentes
Fig. 3: Ein mögliches Zeitdiagramm für eine zweidimensionale SESAM-Mehrschichtabbildung
Fig. 4: Erstes an einem Phantom realisiertes SESAM-Zweischichttomogramm.
Oben ist die Zweischichtanregung ohne spezielles SESAM-Ausleseverfahren zu sehen. Unten
wurde das von SESAM zusätzlich geforderte Auslesemagnetfeld mit unterschiedlicher Polung
verwendet.
Claims (23)
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 Hochfrequenzpulse oder
Hochfrequenzpulssequenzen, die gleichzeitig mehrere Resonanzfrequenzen anregen, verwendet
werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Änderung der Amplitude
der zusätzlichen Magnetfelder der Abstand der Frequenzinformationen der Einzelschichten des
Mehrschichtexperiments im Frequenzraum sich verändert.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, 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.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten für eine L × N ×
M- zweidimensionale Mehrschicht-NMR-Abbildung, wobei L die Anzahl der gleichzeitig
detektierten Schichten mit einer N × M räumlichen Auflösung darstellt, durch die M-fache
Messung eines frequenzkodierten SR-Signals gewonnen werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten für eine L × N ×
M × P-dreidimensionale Mehrvolumen-NMR-Abbildung, wobei L die Anzahl der gleichzeitig
detektierbaren Volumen mit einer M × N × P räumlichen Auflösung darstellt, durch die M × P-
fache Messung eines frequenzkodierten SR-Signals gewonnen werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, oder 4, 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.
8. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, oder 4, 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.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal ein
aus dem freien Induktionsabfall resultierendes Signal ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal ein
Spin-Echo-Signal ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das NMR-Signal
ein stimuliertes Echo ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal
durch ein "Inversion-Recovery"-Experiment erzeugt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal
durch ein "Saturation-Recovery"-Experiment erzeugt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal
durch ein "Progressive-Saturation"-Experiment erzeugt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal
durch ein "Steady-State-Free-Precession"-Experiment erzeugt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das SR-Signal durch eine Mehrpulssequenz zur Erzeugung eines Festkörper-NMR-Spin-Echos
erzeugt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal
durch eine Carr-Purcell-Meiboom-Gill-Sequenz erzeugt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das NMR-Signal
durch eine "Chemical-shift-selective"-NMR-Anregung erzeugt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal
durch ein Magnetfeldgradientenecho erzeugt wird.
20. 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.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederholung mit einer
Wiederholzeit von mindestens gleich der Dauer der Akquisition von Daten für eine Mehrschicht-
NMR-Abbildung erfolgt.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mehrschichtdatenakquisition mit unterschiedlichen SR-Signalen wiederholt wird, um verschiedene
Parameter zu messen.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, 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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DE19924216969 DE4216969C2 (de) | 1992-05-22 | 1992-05-22 | Verfahren zur simultanen Akquisition von Spinresonanzdaten für eine ortsaufgelöste Mehrschicht-Untersuchung eines Objektes |
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- 1992-05-22 DE DE19924216969 patent/DE4216969C2/de not_active Expired - Fee Related
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