DE4405979C1 - Verfahren der bildgebenden magnetischen Kernresonanz nach dem Mehrschichtverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der bildgebenden magne­ tischen Kernresonanz nach dem Mehrschichtverfahren (Multi­ slice-Technik) bei welchem zunächst eine einzelne Schicht (eines Meßobjektes) durch Anlegen eines Hochfrequenzimpulses geringer Bandbreite unter Anwesenheit eines Scheibenselekti­ onsgradienten angeregt wird, anschließend die in der ange­ regten Schicht befindlichen transversalen Magnetisierungen durch einen zeitlich begrenzten Gradientenimpuls des soge­ nannten Lesegradienten in einer zur Schichtebene senkrechten Richtung dephasiert werden, die dephasierten Magnetisierun­ gen durch Anlegen eines weiteren Hochfrequenzimpulses gerin­ ger Bandbreite bei Anwesenheit eines Scheibenselektionsgra­ dienten refokussiert werden, wobei die Bandbreite und die Steilheit des Gradienten so gewählt werden, daß die Refokus­ sierung genau diejenigen Magnetisierungen erfaßt, welche durch den ersten Meßimpuls angeregt werden, anschließend durch Anlegen eines weiteren Lesegradienten ein sogenanntes Spin-echo erzeugt wird, welches durch Verwendung eines zum Lese- und Scheibengradienten senkrechten Phasenkodiergradi­ enten nach dem Prinzip des zwei-dimensionalen Fouriertrans­ formationsverfahren zur Bildgebung phasenkodiert ist, wobei der Phasenkodiergradient in irgendeiner Zeit zwischen Anre­ gung und Auslesen der transversalen Magnetisierung angewandt werden kann, nicht jedoch während der Anlegung der Hochfre­ quenzimpulse, anschließend derselbe Vorgang an anderen Schichten durchgeführt wird solange, bis nach einem vorgege­ benen Zeitintervall dieselbe Prozedur beginnend mit der an­ fänglich gewählten Schicht erneut durchlaufen wird, wobei jedoch die Phasenkodierung des Signals variiert wird solan­ ge, bis für alle Schichten genügend zur Bildrekonstruktion benötigte unterschiedlich phasenkodierte Einzelsignale vor­ liegen.

Ein solches Verfahren ist beispielsweise bekannt aus D. Stark et al., Magnetic Resonance Imaging, Mosby Year Book, St. Louis, 1992, S. 115 ff.

Bei der Optimierung der Meßzeit zur Erfassung eines größeren Meßvolumens mit Hilfe der Multislice-Technik besteht derzeit das Problem, daß die maximal mögliche Anzahl von Scheiben durch die Wiederholzeit der Aufnahme von Projektionen der­ selben Scheibe begrenzt wird. Sollen mehr Scheiben als die so vorgegebene Anzahl untersucht werden, so muß die Aufnahme unter Verschiebung des Scheibenpaketes wiederholt werden. Dies ist vor allem dann problematisch, wenn die Aufnahme un­ ter Verwendung schneller Aufnahmesequenzen in einer Zeit durchgeführt wird, während derer der Patient den Atem anhal­ ten soll. Eine Aufnahmewiederholung in zwei Atemzyklen ist für Untersuchungen der Bauchorgane deswegen problematisch, weil diese sich durch Atmung um mehrere Zentimeter verschie­ ben und dadurch keine Kontinuität des untersuchten Gesamtvo­ lumens gewährleistet werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzustellen, bei dem das Meßvolumen durch Erhöhung der Anzahl der aufgenommenen Scheiben quasi kontinuierlich erhöht werden kann, ohne daß ein vollständig neues, um eine Strecke gegenüber dem ur­ sprünglichen verschobenes Scheibenpaket aufgenommen werden muß.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zusätzlich zur beschriebenen Signalerzeugungssequenz vor dem Auslesen der transversalen Magnetisierung ein weiterer Hochfrequenzimpuls ge­ ringer Bandbreite unter Anwesenheit eines Scheibenselektionsgra­ dienten angewendet wird, welcher als Sättigungsimpuls zur Sätti­ gung der Magnetisierung in einer bestimmten Scheibe aus dem ins­ gesamt zu untersuchenden Mehrschichtpaket wirkt, wobei die Rei­ henfolge der Abfolge der Sättigungsscheiben und der jeweils aus­ gelesenen Scheiben um ein konstantes Intervall so gegeneinander verschoben ist, daß die Signalsättigung des jeweils ausgelesenen Signals sich aus der Relaxation des jeweils ausgelesenen Signals im Zeitintervall zwischen dem Sättigungsimpuls und der Anregung der jeweiligen Scheibe ergibt.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, unter Verwendung zusätzlicher Sättigungsimpulse die Zahl der Scheiben konti­ nuierlich zu erhöhen, wobei die Gesamtmeßzeit zur Erfassung der Bilddaten linear mit der Zahl der Schichten ansteigt, der Bildkontrast jedoch entsprechend den Ausgangsbedingungen konstant bleibt. Umgekehrt kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Bildkontrast unabhängig von der Scheibenwie­ derholzeit variiert werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens wird zur Signalerzeugung anstelle des norma­ len Mehrschichtverfahrens ein Multislice-Multiecho-Verfahren angewendet.

Vorteilhafterweise kann das erfindungsgemäße Verfahren auch auf andere gängige Signalerzeugungssequenzen der magneti­ schen Kernresonanz angewendet werden, beispielsweise können die Signale unter Verwendung eines Multislice-RARE-Verfah­ rens erzeugt werden.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer Multislice- Gradientenechosequenz, weil hier von vornherein sehr kurze Wiederholzeiten der Sequenz vorgesehen sind und dadurch das eingangs geschilderte Problem verschärft auftritt.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens werden Hochfrequenzimpulse angewen­ det, welche simultan zur Signalerzeugung in einer bestimmten Schicht sowie zur Sättigung einer anderen Schicht dienen. Damit entfällt das ansonsten notwendige zusätzliche Zeitin­ tervall für die Sättigungsimpulse, so daß die Sequenz insge­ samt noch schneller wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird statt eines Sättigungsimpulses ein Inversionsimpuls angewendet. Durch die Anwendung des Inversionsimpulses, mit dem die z-Magnetisierung invertiert wird, kann eine noch stärkere T₁-Gewichtung und damit eine Kontrasterhöhung der erzeugten Bilder erreicht werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens wird die Auflösung innerhalb jeder Schicht durch Phasenkodierschritte in Schichtrichtung er­ höht. Damit wird das oben beschriebene erfindungsgemäße Ver­ fahren auf den drei-dimensionalen Anwendungsfall erweitert.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Be­ schreibung und der beigefügten Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merk­ male erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder in belie­ bigen Kombinationen miteinander Verwendung finden. Die er­ wähnte Ausführungsform ist nicht als abschließende Aufzäh­ lung zu verstehen, sondern hat vielmehr beispielhaften Cha­ rakter.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird an­ hand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläu­ tert.

Die Abbildung zeigt ein über der Zeit aufgetragenes Impuls- und Gradientenschema für das erfindungsgemäße Verfahren.

Eines der bevorzugten Verfahren der Bildgebung mittels ma­ gnetischer Kernresonanz nach dem Prinzip der zwei-dimensio­ nalen Fouriertransformation besteht in der Anwendung soge­ nannter Mehrschicht (Multislice-)Verfahren. Bei diesen An­ wendungen wird zunächst entsprechend dem gewünschten T₁-Kon­ trast der aufzunehmenden Bilder die Wiederholzeit zur Auf­ nahme zweier Phasenkodierschritte festgelegt. Anschließend wird im Falle der gewünschten Abtastung eines größeren Meß­ volumens die Zahl der Scheiben bestimmt, welche innerhalb der gewählten Wiederholzeit erfaßt werden kann. Diese be­ stimmt die Signalsättigung und damit den T₁-Kontrast der Bilder. Die Wiederholzeit tr ist damit gleich der Sätti­ gungszeit ts. Ist tp die Zeit zur Aufnahme einer einzelnen Projektion einer Scheibe, so ergibt sich die maximale Anzahl Nmax von in Multislice-Technik in einem Aufnahmezyklus er­ faßbarer Scheiben als Nmax = tr/tp. Die gesamte Meßzeit tges ergibt sich dann in Abhängigkeit von der Zahl der Phasenko­ dierschritte np zu

tges = np · tr = np Nmax · tp.

Für eine typische Anwendung einer T₁-gewichteten Spin-echo­ sequenz mit einer Wiederholzeit von 500 ms ergibt sich in der Praxis Nmax = 20. Da die zu wählende Schichtdicke dS so­ wie der Schichtabstand (definiert als Abstand der Mitten be­ nachbarter Scheiben) DS durch die Größe der zu erfassenden Läsionen festgelegt ist, ergibt sich so das gesamte erfaßte Meßvolumen zu (Nmax-1) DS + dS. Bei Erhaltung des Bildkon­ trastes muß zur Untersuchung eines auch nur geringfügig grö­ ßeren Volumens bisher die Messung wiederholt werden, was ei­ ner Verdoppelung der Meßzeit entspricht. Dabei wird dann zwar auch die Zahl der erfaßten Scheiben verdoppelt, was aber häufig gar nicht gewünscht ist.

Die Möglichkeit einer kontinuierlichen Variation der Gesamt­ aufnahmezeit mit dem Meßvolumen ist in der Abbildung darge­ stellt. In die Grundsequenz werden weitere Hochfrequenzim­ pulse eingefügt, welche auf jeweils eine Scheibe des zu un­ tersuchenden Scheibenpaketes führen. Für eine Zahl N < Nmax zu untersuchender Scheiben wird unmittelbar vor Anregung der n-ten Scheibe die Scheibe n + Nmax modulo Nmax gesättigt. Für N = 12 und Nmax = 8 ergibt sich dann zum Beispiel für die Folge der Ausleseschritte A(n) und die der Sättigungs­ schritte S(n) folgendes Schema des zeitlichen Ablaufs:

S(9) -A(1) -S (10) -A(2) -S(11) -A(3) -S(12) -A(4) -S (1) -A(5) -S(2) - A(6) - S (3) -A(7) -S (4) -A(8) -S(5) -A(9) -S (6) -A(10) -S (7) - A(11) -S (8) -A(12).

Die Abfolge der Schichten für die Sättigung ist also gegen­ über der Abfolge der Auslesung um Nmax nach vorne verscho­ ben. Die Wiederholzeit tr ist damit größer als die Sätti­ gungszeit ts. Auf diese Weise läßt sich N gegenüber Nmax in beliebiger Weise vergrößern. Die Gesamtmeßzeit tges ist dann gegeben durch tges = np · N · tp. Sie steigt also linear mit der Zahl der Scheiben an, wobei der T₁-Kontrast unabhängig von N durch Nmax tp konstant bleibt.

Dieses Verfahrensprinzip läßt sich unabhängig von der zur Erlangung der Bildinformation gewählten Meßsequenz anwenden, sofern die verwendete Sequenz in der Lage ist, nach dem Mul­ tislice-Verfahren durchgeführt zu werden. Wie bereits ein­ gangs erwähnt, ist die Möglichkeit der kontinuierlichen Va­ riation der Meßzeit vor allem in der schnellen Bildgebung von Vorteil. So lassen sich etwa unter Verwendung der RARE- Sequenz bei Erzeugung von 5 unterschiedlich phasenkodierten Echos pro Anregung in 25 Anregungszyklen 125 Phasenkodier­ schritte aufnehmen. Bei einer Wiederholzeit von 500 ms ist die Aufnahme in einer Gesamtzeit tges = 12,5 s beendet. Durch die Erzeugung von 5 Echos ist tp allerdings größer als bei einer Spin-echosequenz. Unter Verwendung von bekannten Gradienten ergibt sich tp zu etwa 40 ms. Damit lassen sich maximal 12 Scheiben untersuchen. Nimmt man eine Zeit von 20 s erfahrungsgemäß als Obergrenze für Aufnahmen unter Ateman­ haltung an, so läßt sich die Zahl der untersuchten Schichten bei ansonsten gleichen Parametern auf 20 steigern.

Ähnliche Anwendungsbeispiele ergeben sich für die Verwendung von Gradientenechosequenzen und anderer Multislice-fähiger Meßverfahren.

Die Abfolge der Scheiben muß dabei nicht notwendigerweise sequentiell erfolgen, sondern kann in beliebiger Reihe durchgeführt werden, sofern die Abfolge der Sättigungsimpul­ se derjenigen der Anregungsimpulse mit dem Versatz um Nmax entspricht.

Des weiteren läßt sich die durch die Hinzunahme der Sätti­ gungsimpulse bewirkte - geringfügige - Verlängerung von tp durch Einsatz von Impulsen verhindern, welche simultan so­ wohl als Anregungsimpuls für die Scheibe n als auch als Sät­ tigungsimpuls für die Scheibe n + Nmax modulo Nmax wirken. Solche auf mehrere unterschiedliche Schichten wirkenden Im­ pulse sind in der Literatur aus vielfachen Anwendungen bekannt und lassen sich nach dem Superpositionsprinzip der beiden auf die jeweiligen Einzelschichten wirkenden Impulse durch Addi­ tion der beiden komplexen Impulsformen berechnen.

Das beschriebene Verfahren läßt sich auch auf solche Aufnah­ metechniken anwenden, bei welchen die Ortsauflösung inner­ halb jeder Schicht der Mehrschicht-Aufnahme durch weitere Phasenkodierschritte in Schichtselektionsrichtung erhöht wird ("3D-Multislab", "MOTSA").

Claims (7)

1. Verfahren der bildgebenden magnetischen Kernresonanz nach dem Mehrschichtverfahren bei welchem zunächst eine einzelne Schicht eines Meßobjek­ tes durch Anlegen eines Hochfrequenzimpulses geringer Bandbreite unter Anwesenheit eines Scheibenselektions­ gradienten angeregt wird, anschließend die in der ange­ regten Schicht befindlichen transversalen Magnetisierun­ gen durch einen zeitlich begrenzten Gradientenimpuls des sogenannten Lesegradienten in einer zur Schichtebene senkrechten Richtung dephasiert werden, die dephasierten Magnetisierungen durch Anlegen eines weiteren Hochfre­ quenzimpulses geringer Bandbreite bei Anwesenheit eines Scheibenselektionsgradienten refokussiert werden, wobei die Bandbreite und die Steilheit des Gradienten so ge­ wählt werden, daß die Refokussierung genau diejenigen Magnetisierungen erfaßt, welche durch den ersten Meßim­ puls angeregt werden, anschließend durch Anlegen eines weiteren Lesegradienten ein sogenanntes Spin-Echo er­ zeugt wird, welches durch Verwendung eines zum Lese- und Scheibengradienten senkrechten Phasenkodiergradienten nach dem Prinzip des zweidimensionalen Fouriertransfor­ mationsverfahren zur Bildgebung phasenkodiert ist, wobei der Phasenkodiergradient in irgendeiner Zeit zwischen Anregung und Auslesen der transversalen Magnetisierung angewandt werden kann, nicht jedoch während der Anlegung der Hochfrequenzimpulse, anschließend derselbe Vorgang an anderen Schichten durchgeführt wird solange, bis nach einem vorgegebenen Zeitintervall dieselbe Prozedur be­ ginnend mit der anfänglich gewählten Schicht erneut durchlaufen wird, wobei jedoch die Phasenkodierung des Signals variiert wird solange, bis für alle Schichten genügend zur Bildrekonstruktion benötigte unterschied­ lich phasenkodierte Einzelsignale vorliegen, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur beschriebenen Signalerzeugungssequenz vor dem Auslesen der transversalen Magnetisierung ein weiterer Hochfrequenzimpuls geringer Bandbreite unter Anwesenheit eines Scheibenselektionsgradienten angewen­ det wird, welcher als Sättigungsimpuls zur Sättigung der Magnetisierung in einer bestimmten Scheibe aus dem ins­ gesamt zu untersuchenden Mehrschichtpaket wirkt, wobei die Reihenfolge der Abfolge der Sättigungsscheiben und der jeweils ausgelesenen Scheiben um ein konstantes In­ tervall so gegeneinander verschoben ist, daß die Signal­ sättigung des jeweils ausgelesenen Signals sich aus der Relaxation des jeweils ausgelesenen Signals im Zeitin­ tervall zwischen dem Sättigungsimpuls und der Anregung der jeweiligen Scheibe ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Signalerzeugung ein Multislice-Multiechoverfahren angewendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Multislice-RARE-Verfahren angewendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Multislice-Gradientenechosequenz angewendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß Hochfrequenzimpulse angewendet werden, welche simultan zur Signalerzeugung in einer Schicht sowie zur Sättigung einer anderen Schicht die­ nen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß statt eines Sättigungsimpulses ein Inversionsimpuls angewendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auflösung innerhalb jeder Schicht durch Phasenkodierschritte in Schichtrichtung erhöht wird.