DE4415393A1 - Turbospinechosequenz zur Erzeugung von Bildern mit schwacher bis mittelstarker T2-Wichtung - Google Patents
Turbospinechosequenz zur Erzeugung von Bildern mit schwacher bis mittelstarker T2-WichtungInfo
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Description
Aus der EP-B1-0 175 184 ist eine Pulssequenz bekannt, bei der
auf einen 90°-Anrege-Hochfrequenz-Puls mehrere 180°-Hochfre
quenzpulse folgen, die als Refokussierungspulse wirken. Auf
jeden Refokussierungspuls folgt ein Spinechosignal. Durch
entsprechende Phasencodier- und Auslesegradienten sowie durch
bekannte Bildrekonstruktionsverfahren kann aus den gewonnenen
Signalen ein Bild des Untersuchungsobjekts rekonstruiert
werden.
Nach einer einzigen Anregung können sogar so viele Echosi
gnale gewonnen werden, daß die Bildgewinnung einer vollstän
digen Schicht des Untersuchungsobjekts möglich ist. Derartige
Pulssequenzen werden in der Literatur als "Single-Shot Se
quenz" bezeichnet. Dabei tritt jedoch das Problem auf, daß
die Amplitude der Echosignale nach der Anregung mit der
Querrelaxationszeit T2 abfällt. Wenn man die Echosignale in
herkömmlicher Weise derart phasencodiert, daß sie entspre
chend ihrer Reihenfolge nach der Anregung von der ersten bis
zur letzten Zeile in die Rohdatenmatrix einsortiert werden,
also der wirksame Phasencodiergradient vom höchsten negativen
Wert zum höchsten positiven Wert oder umgekehrt verläuft, so
entsteht eine sehr starke T2-Gewichtung der Bilder, was in
vielen Fällen unerwünscht ist. Für die Gewichtung des entste
henden Bildes ist im wesentlichen die mittlere Zeile der
Rohdatenmatrix, also die Null-Zeile maßgebend. Da diese bei
der oben erwähnten herkömmlichen Einsortierung der Signale in
die Rohdatenmatrix relativ lange nach der Anregung gemessen
wird, entsteht die starke T2-Gewichtung.
Die Reihenfolge der Einsortierung der Signale hat auch Ein
fluß auf Kontrast und Artefakte des gewonnenen Bildes. Dies
wird in dem Artikel "RARE Imaging: A Fast Imaging Method for
Clinical MR" in Magnetic Resonance in Medicine 3, 823 bis 833
(1986) sowie in dem Artikel "Phase-encode Order and its
Effect on Contrast and Artifact in Single-Shot RARE Sequen
ces" in Medical Physics 18 (5), September/Oktober 1991,
Seiten 1032 bis 1037 erläutert. In der zweitgenannten Litera
turstelle wird auch der Einfluß auf die T2-Gewichtung erör
tert. Beispielsweise wird vorgeschlagen, die T2-Gewichtung
dadurch zu verringern, daß das erste Echosignal nach der An
regung mit einem mittleren negativen Phasencodierwert codiert
wird, der von Echo zu Echo sequentiell erhöht wird, bis der
höchste positive Phasencodierwert erreicht wird. Die verblei
benden Echos werden dann mit den vorher übersprungenen nega
tiven Phasencodierwerten codiert, und zwar beginnend mit dem
höchsten negativen Phasencodierwert. Dies kann als zeitliche
Rotation des der Null-Zeile zugeordneten Echos betrachtet
werden.
Diese Art der Einsortierung führt jedoch dazu, daß in der
Rohdatenmatrix ein erheblicher Amplitudensprung zwischen zwei
Zeilen auftritt. Damit wird ein sogenannter "Banding" Arte
fakt verursacht. Außerdem treten bei diesem Verfahren, wie in
der genannten Literaturstelle ausgeführt, noch weitere Arte
fakte auf.
In dem Artikel "Fast Spin Echo with Use of Half Scanning" in
SMRM-Abstract Band, 11. SMRM, Berlin, 1992, Seite 4524 wird
ausgeführt, daß bei Turbo-Spinechosequenzen nochmals Meßzeit
gespart werden kann, wenn man nur den halben Fourier-Raum
abtastet. Hierbei werden die Echosignale auf herkömmliche
Weise in die Rohdatenmatrix einsortiert, das heißt beginnend
mit dem ersten Signal nach der Anregung in der ersten Zeile
der Rohdatenmatrix. Dieser Artikel bezieht sich nicht auf
eine "single shot"-Sequenz, sondern auf eine Mehrfachanre
gungssequenz.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pulssequenz nach dem
Turbospinecho-Verfahren in Single-Shot-Technik so auszuge
stalten, daß die T2-Wichtung des erzeugten Bildes verringert
wird, wobei gleichzeitig Artefakte weitgehend vermieden
werden sollen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale
des Anspruchs 1. Dabei liegt die Nullzeile definitionsgemäß
entsprechend der herkömmlichen Terminologie in der Mitte der
Rohdatenmatrix und ist dem Phasencodiergradienten Null
zugeordnet. Bei der in Anspruch 1 angegebenen Art der
Einsortierung der Meßsignale wird in die Null-Zeile der
Rohdatenmatrix ein Echosignal eingetragen, das dicht nach der
Anregung folgt und somit eine geringe bis mittlere T2-
Wichtung aufweist. Aufgrund der Abtastung eines Teil-Fourier-
Raumes werden Amplitudensprünge vermieden, so daß die
eingangs genannten Banding-Artefakte nicht auftreten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter
ansprüchen angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand
der Fig. 1 bis 11 näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 bis 5 eine bekannte Turbospinechosequenz nach dem
Halb-Fourier-Verfahren mit herkömmlicher
Einsortierung der Echosignale in die Rohda
tenmatrix,
Fig. 6 und 7 eine Turbospinechosequenz mit einer Einsor
tierung der Echosignale entsprechend der
Erfindung,
Fig. 8 das Schema einer Bildrekonstruktion nach
dem Halb-Fourier-Verfahren,
Fig. 9 bis 11 eine entsprechende Pulssequenz für eine
dreidimensionale Bildgebung.
In den Fig. 1 bis 4 ist eine bekannte Pulssequenz darge
stellt, wie sie häufig als "Turbospinechosequenz" bezeichnet
wird. Gemäß Fig. 2 wird zunächst ein 90°-Hochfrequenzpuls
RF1 zur Anregung der Kernspins eingeschaltet. Darauf folgen
mehrere 180°-Hochfrequenzpulse RF2 bis RF8, die jeweils eine
Refokussierung der Kernspins und damit Kernresonanzsignale S1
bis S7 in Form von Echosignalen bewirken. Sämtliche Hochfre
quenzpulse RF1 bis RF8 werden unter der Wirkung von Schicht
selektionsgradienten GS eingestrahlt, so daß sie jeweils nur
auf Kernspins innerhalb einer Schicht des Untersuchungsobjek
tes wirken. Die Amplitude der Spinechos S1 bis S7 fällt ohne
Berücksichtigung des Phasencodiergradienten GP - wie in Fig.
1 dargestellt - mit der Zeitkonstanten T2 ab. Zur Frequenzco
dierung der Spinechos S1 bis S7 wird während der Dauer jedes
Spinechos ein Auslesegradient GR entsprechend Fig. 3 einge
schaltet. Zur Ortsauflösung in einer zweiten Richtung wird
jedes Spinecho S1 bis S7 individuell phasencodiert, was durch
einen jedem Spinecho S1 bis S7 vorangehenden Phasencodiergra
dienten GP entsprechend Fig. 4 erreicht wird. Die durch
diesen Phasencodiergradienten verursachte Phasenverschiebung
wird durch einen nach jedem Signal S1 bis S7 folgenden Pha
sencodiergradienten umgekehrter Richtung wieder rückgängig
gemacht.
Ein derartiges Verfahren ist aus dem bereits eingangs genann
ten Artikel "Fast Spin Echo with Use of Half Scanning" in
SMRM Abstract Band, 11. SMRM Berlin, 1992, bekannt. Die
Pulssequenz nach den Fig. 2 bis 4 wird dabei mehrfach mit
jeweils unterschiedlichen Werten des Phasencodiergradienten
durchgeführt, da nach einer einzelnen Anregung noch nicht der
gesamte Fourier-Raum abgetastet wird. Es handelt sich also
nicht um eine sogenannte "single shot"-Technik.
Jedes der Spinechos S1 bis S7 wird abgetastet, digitalisiert
und in eine Zeile einer Rohdatenmatrix eingetragen. Dabei
entspricht jede Zeile der Rohdatenmatrix einer bestimmten
Phasencodierung, also einer durch den wirksamen Phasencodier
gradienten GP vorgegebenen Dephasierung des Echosignals.
Dabei ändert sich die Dephasierung von der ersten zur letzten
Zeile der Rohdatenmatrix in gleichen Schritten von einem
maximalen Positiven zu einem maximalen Negativen. In der
mittleren Zeile ist die Dephasierung Null.
Beim Halb-Fourier-Verfahren wird nur etwas mehr als die
Hälfte (im dargestellten Fall die obere Hälfte) der Rohdaten
matrix gefüllt. Es können auch noch Zeilen im oberen
Randbereich der Rohdatenmatrix, also Zeilen mit der
niedrigsten Zeilennummer nicht mit Meßwerten gefüllt werden,
um weiter Meßzeit zu sparen. Dies wird als "reduced lines"-
Verfahren bezeichnet und bei im Einsatz befindlichen Geräten
bereits angewandt. Entsprechend der Anzahl der je Pulssequenz
gewonnenen Signale wird der zu belegende Teil der Rohdatenma
trix in sieben Zeilengruppen eingeteilt, wobei das jeweils
erste Signal S1 jeder Pulssequenz in die erste Zeilengruppe,
das jeweils zweite Signal S2 jeder Pulssequenz in die zweite
Zeilengruppe eingetragen wird usw. Die Pulssequenz wird so
oft mit unterschiedlichen Phasencodiergradienten durchge
führt, bis alle Zeilen jeder Zeilengruppe belegt sind. Bei
diesem bekannten Verfahren werden somit die Signale in den
Randzeilen der Rohdatenmatrix, also die Signale mit der
höchsten Dephasierung, in jeder Pulssequenz dicht nach dem
Hf-Anregepuls RF1 gewonnen, während die Signale in den mitt
leren Zeilen der Rohdatenmatrix, also die Signale mit der
geringsten Dephasierung, in großem zeitlichen Abstand zum Hf-
Anregepuls gewonnen werden.
In der Rohdatenmatrix wird üblicherweise die mittlere Zeile
als Null-Zeile bezeichnet und die anderen Zeilen nach oben
und unten mit positivem bzw. negativem Vorzeichen durchnumeriert.
Aus der Rohdatenmatrix nach Fig. 5 kann man in bekannter
Weise durch zweidimensionale Fourier-Transformation und ein
später noch näher erläutertes Halb-Fourier-Verfahren ein Bild
gewinnen.
Wie man in Fig. 1 sieht, weisen alle Spinechos S1 bis S7
eine unterschiedliche, von der Zeitkonstanten T2 abhängige
Amplitude auf, sie sind also unterschiedlich T2-gewichtet.
Die Gewichtung des aus der Rohdatenmatrix zu rekonstruieren
den Bildes wird im wesentlichen durch die zeitliche Lage des
Echos bestimmt, bei dem der Phasencodiergradient die kleinste
Amplitude hat, das Echosignal also am wenigsten dephasiert
wird. Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 5 ist
dies das Echosignal S7. Der zeitliche Abstand zwischen dem
90°-Anregepuls und diesem Echosignal S7 wird auch als effek
tive Echozeit TEeff bezeichnet. Da das in die Null-Zeile der
Rohdatenmatrix eingetragene Echosignal S7 einen großen Ab
stand zum Hochfrequenzanregepuls RF1 aufweist, erhält man bei
der herkömmlichen Einsortierung der Echosignale in die Rohda
tenmatrix eine starke T2-Gewichtung, die in vielen Fällen
unerwünscht ist.
Eine extrem starke T2-Gewichtung erhält man insbesondere bei
der eingangs dargestellten "single shot"-Technik, da hierbei
das letzte Signal der Pulssequenz einen großen Abstand zum
Hf-Anregepuls aufweist. Diese starke T2-Gewichtung kann mit
der erfindungsgemäßen Pulssequenz vermieden werden, die im
folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert wird.
Die Pulssequenz läuft ab wie in den Fig. 1 bis 3 darge
stellt und bereits oben beschrieben. Allerdings wird hier
eine "single shot"-Technik angewandt, bei der alle Echosi
gnale für die Rohdatenmatrix nach einem einzigen Hf-Anrege
puls RF1 gewonnen werden. Es sind daher in der Praxis wesent
lich mehr als die dargestellten sieben Echosignale erforder
lich. Der Darstellbarkeit halber wird im folgenden jedoch
angenommen, daß ein Bild aus nur sieben Zeilen der Rohdaten
matrix erzeugt wird, und daß daher nur sieben unterschiedlich
phasencodierte Echosignale S1 bis S7 gewonnen werden.
Die T2-Gewichtung wird nun dadurch verringert, daß man bei
der Halb-Fourier-Technik die Spinechos in der Nähe der Null-
Zeile beginnend einsortiert. Der hierzu erforderliche Verlauf
des Phasencodiergradienten ist in Fig. 6 dargestellt. Dabei
wird das erste Spinecho S1 nur gering in positiver Richtung
dephasiert oder phasencodiert, das zweite Echosignal wird
nicht phasencodiert und kommt somit in die Null-Zeile nach
Fig. 7 zu liegen, während die nachfolgenden Echosignale S3
bis S7 zunehmend in negativer Richtung phasencodiert werden
und somit weiter nach unten in die Zeilen der Rohdatenmatrix
nach Fig. 7 einsortiert werden. Dabei kann man zusätzlich
Meßzeit dadurch sparen, daß auch die untersten Zeilen der
Rohdatenmatrix MR, d. h. also die Zeilen mit den höchsten
negativen Zeilennummern nicht mit Meßwerten belegt werden.
Wichtig ist jedoch aus den unten angegebenen Gründen, daß die
Nullzeile mit Meßwerten belegt wird. Damit wird also ein
Bereich der Rohdatenmatrix mit Meßwerten gefüllt, der
asymmetrisch zur Null-Zeile liegt und diese beinhaltet.
Das in die Null-Zeile der Rohdatenmatrix einsortierte Echosi
gnal S2 ist nur schwach T2-gewichtet, so daß man insgesamt
ein Bild mit geringer T2-Gewichtung erhält. Ein besonderer
Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß von Zeile zu Zeile
keine starke Änderung der Amplituden der Spinechos auftritt,
so daß die beim eingangs genannten Stand der Technik entste
henden Banding-Artefakte vermieden werden.
Nach dem beschriebenen Verfahren wird also nur ein Teil des
Fourier-Raums abgetastet. Aufgrund des reellen Objekts ist
die Rohdatenmatrix theoretisch konjugiert komplex-symmetrisch
um die Null-Zeile. Die Null-Zeile muß immer mitgemessen
werden, da sie niedrige Frequenzen enthält, die eine
Information über die grobe Struktur des gemessenen Objektes
beinhalten und maßgeblich das Signal-Rausch-Verhältnis
beeinflussen. Allerdings kann in der Praxis die Position der
Null-Zeile aufgrund der Messung nicht exakt bestimmt werden,
da sie durch Inhomogenitäten im Grundfeld, durch Wirbelströme
und Gradienten-Offsets verfälscht wird. Wenn die Null-Zeile
nicht exakt in der Mitte der Rohdatenmatrix liegt und die
Spinechos nicht exakt in der Mitte jeder Zeile liegen, erhält
man eine Phasenverschiebung über die fouriertransformierten
Daten in Zeilen- bzw. Spaltenrichtung. Wenn man die
vollständige Rohdatenmatrix mißt, kann man die
Phasenverschiebung ausmitteln, indem man sowohl Real- als
auch Imaginärteile des Signals für die Auswertung verwendet
und eine Betragsbildung durchführt. Wenn man jedoch nur einen
asymmetrisch zur Null-Zeile liegenden Teil der Fourier-Zeilen
mißt, muß die Phasenverschiebung auf andere Weise korrigiert
werden, um eine gute Bildqualität zu erhalten.
Daher werden einige Zeilen über die Null-Zeile der
Rohdatenmatrix MR hinaus, also Zeilen beidseitig der Null-
Zeile gemessen. Wie im Flußdiagramm nach Fig. 8 dargestellt
wird, werden die zentralen Spalten der Zeilen um die Null-
Zeile herum in die Mitte einer Korrekturmatrix MC plaziert,
die die Größe der gewünschten Bildmatrix hat. Der
verbleibende Bereich dieser Korrekturmatrix MC wird mit Null
aufgefüllt. Anschließend wird diese Korrekturmatrix
fouriertransformiert. Um Artefakte zu vermeiden, die durch
das Auffüllen der äußeren Bereiche mit Null entstehen, wird
vor der Fourier-Transformation ein lineares Filter (z. B. ein
Hanning-Filter) angewandt. Auch in der Rohdatenmatrix MR
werden die nicht mit Meßwerten gefüllten Zeilen mit Nullen
gefüllt, um eine quadratische Matrix zu erhalten und
ebenfalls gefiltert und fouriertransformiert. Die so
erhaltene Matrix wird mit der konjugiert-komplexen
normalisierten Korrekturmatrix MC′ multipliziert und der
absolute Realteil für die Bilddaten verwendet. Aufgrund der
angewandten Korrektur sollte die Phase und damit der Ima
ginärteil Null sein und damit der Betrag gleich dem Realteil.
Das Verfahren kann auch auf dreidimensionale Bildgebung
erweitert werden. Eine entsprechende Pulssequenz ist in den
Fig. 9 bis 11 dargestellt. Auch hierbei folgt auf einen
90°-Hochfrequenz-Anregepuls RF1 wieder eine Reihe von Refo
kussierpulsen RF2 bis RF8, die entsprechende Spinechos S1 bis
S7 erzeugen. Die Codierung der Spinechos S1 bis S7 durch die
Phasencodiergradienten GP und durch die Auslesegradienten GR
erfolgt wie im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 6.
Im Unterschied zu diesem wird jedoch in Schichtselektions
richtung vor jedem Spinecho S1 bis S7 ein weiterer Phasenco
diergradient GPS eingeschaltet, wobei nach jedem Spinecho S1
bis S7 durch einen entgegengesetzt gerichteten Gradienten die
Spins wieder rephasiert werden. Die selektive Anregung er
streckt sich hier auf dickere Schichten bzw. Scheiben, wobei
durch den zusätzlichen Phasencodiergradienten in Schichtse
lektionsrichtung noch eine Ortsauflösung in Schichtrichtung
erfolgt. Die Phasencodiergradienten GPC in Schichtselektions
richtung sind für die Spinechos S1 bis S7 konstant. Die
dargestellte Pulssequenz wird jedoch N-mal mit N verschiede
nen Werten der Gradiententabelle in Schichtselektionsrichtung
durchgeführt. Damit kann man eine dreidimensionale Rohdaten
matrix erstellen, aus der durch dreidimensionale Fourier-
Transformation ein Bild gewonnen wird.
Claims (5)
1. Spinecho-Pulssequenz zur Erzeugung von Bildern in einem
Kernspintomographiegerät mit folgenden Schritten:
- a) Auf ein Untersuchungsobjekt wird ein Hf-Anregepuls (RF1) eingestrahlt.
- b) Nach dem Hf-Anregepuls (RF1) werden durch wiederholte Anwendung von Hf-Refokussierungspulsen (RF2-RF8) ausreichend viele Echosignale (S1-S7) gewonnen, um die Rekonstruktion eines Bildes zu ermöglichen, wobei durch vorgeschaltete Phasencodiergradienten (GP) in einer ersten Richtung die Echosignale (S1-S7) jeweils unterschiedlich phasencodiert werden.
- c) Jedes Echosignal (S1-S7) wird unter einem Auslesegradienten (GR) abgetastet und die digitalisierten Abtastwerte in je eine Zeile einer Rohdatenmatrix (MR) eingetragen, wobei nur ein Teil der Rohdatenmatrix (MR), der asymmetrisch zu einer Null-Zeile liegt und diese beinhaltet, mit Abtastwerten gefüllt wird, und wobei die Phasencodiergradienten (GP) nach Schritt b) so geschaltet werden, daß die Echosignale, die durch den Phasencodiergradienten nur wenig dephasiert sind, dicht nach dem Hf-Anregepuls (RF1) gewonnen werden.
- d) Aus der Rohdatenmatrix (MR) wird mit einer Halb- Fourier-Methode ein Bild rekonstruiert.
2. Pulssequenz nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Echosignale (S1-S7) in
ihrer Reihenfolge nach dem Anrege-Hf-Puls beginnend mit einer
kleinen Dephasierung durch den Phasencodiergradienten in
gleichen Schritten bis zu einer starken Dephasierung in
entgegengesetzter Richtung codiert werden.
3. Pulssequenz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Hf-
Refokussierungspulse (RF1-RF8) derart gewählt werden, daß sie
einen Flip-Winkel kleiner als 180° bewirken.
4. Pulssequenz nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Pulssequenz n-mal
durchgeführt wird, wobei vor jedem Echosignal (S1-S7) ein für
alle Echosignale einer Pulssequenz gleicher
Phasencodiergradient (GPS) in einer dritten, zur ersten und
zweiten Richtung senkrechten Richtung eingeschaltet wird,
wobei nach jedem Echosignal (S1-S7) die Spins durch einen
entgegengesetzt gerichteten Phasencodiergradienten (GPS)
rephasiert werden, wobei der Phasencodiergradient in der
dritten Richtung sich von Pulssequenz zu Pulssequenz in N
Schritten ändert, und wobei die digitalisierten Abtastwerte
in eine dreidimensionale Rohdatenmatrix (MR) eingetragen
werden und die Bildgewinnung aufgrund einer dreidimensionalen
Fourier-Transformation erfolgt.
5. Pulssequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß die Hf-
Anregepulse (RF1) und die Hf-Refokussierungspulse (RF2-RF8)
unter der Wirkung eines Schichtselektionsgradienten (GS)
eingestrahlt werden.
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