DE4427497A1

DE4427497A1 - Pulssequenz für ein Kernspintomographiegerät

Info

Publication number: DE4427497A1
Application number: DE4427497A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr Rer Nat Deimling; Oliver Heid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-08-03
Filing date: 1994-08-03
Publication date: 1996-02-15
Anticipated expiration: 2014-08-04
Also published as: JP3515643B2; US5541514A; DE4427497C2; JPH0856932A

Description

Die Erfindung betrifft eine Pulssequenz für ein Kernspintomo graphiegerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine der artige Pulssequenz ist beispielsweise aus der US-Patent schrift 4,769,603 bekannt und wird üblicherweise mit dem Akronym "FISP" bezeichnet. Zur Erläuterung der Problemstel lung ist das dort beschriebene Verfahren in den Fig. 1 bis 4 dargestellt. Jede Teilsequenz beginnt in einem Zeitab schnitt I mit einem Hochfrequenz-Anregepuls RF₁, der im Ausführungsbeispiel einen Flipwinkel von 90° aufweist. Der Hochfrequenzpuls RF₁ ist frequenzselektiv und wird unter einem Schichtselektionsgradienten GS2 eingestrahlt, so daß nur eine selektierte Schicht des Untersuchungsobjekt angeregt wird. In einem Zeitabschnitt II erfolgt durch einen Gradien ten G_R2 eine Dephasierung der Kernmagnetisierung in Auslese richtung. Ferner wird in Zeitabschnitt II ein Phasencodier gradient G_P2 sowie ein entgegengesetzt zum Schichtselektions gradienten G_S2 gerichteter Gradient G_S3 eingeschaltet. Durch den Gradienten G_S3 wird die durch den Schichtselektionsgra dienten G_S2 verursachte Dephasierung wieder kompensiert.

Im Zeitabschnitt III wird ein Auslesegradient G_R3 eingeschal tet und damit eine Rephasierung der Kernspins erreicht, so daß ein Kernresonanzsignal S1 entsteht. Dieses Kernresonanz signal S1 wird abgetastet und in herkömmlicher Weise zur Er stellung eines Bildes verwendet.

In einem Zeitabschnitt IV werden ein Schichtselektionsgra dient G_S4 in positiver Schichtselektionsrichtung, ein Gra dient G_P3 entgegengesetzt zum Gradienten G_P2 und ein Gradient G_R4 in negativer Ausleserichtung eingeschaltet.

In einem Zeitabschnitt V schließlich wird unter einem Schichtselektionsgradient G_S5 in negativer Schichtselektions richtung ein Hochfrequenzpuls RF₂ mit einem Flipwinkel von -90° eingeschaltet. Damit wird ein neues Ausleseintervall eingeleitet. Die dargestellte Pulssequenz wird n mal mit unterschiedlichen Werten der Phasencodiergradienten G_P wie derholt. Dabei alternieren die Vorzeichen der durch die An regepulse RF bewirkten Flipwinkel. Der Abstand zwischen zwei Hochfrequenz-Anregepulsen RF wird mit T_R (Repetitionszeit) bezeichnet. Alle Gradienten sind so geschaltet, daß ihr Zeitintegral über eine Repetitionszeit T_R Null ergibt.

Bei diesem Verfahren ist eine schnelle Bildgebung möglich, da die Repetitionszeit T_R wesentlich kürzer gemacht werden kön nen als die Relaxationszeiten T1 und T2.

Bei der dargestellten Pulssequenz wird die Auslenkung der Magnetisierung durch den ersten Hochfrequenz-Anregepuls RF₁ auf 90°, durch den zweiten Hochfrequenz-Anregepuls RF₂ auf etwa 0° gebracht, so daß in einem Einschwingvorgang nur jede zweite Hochfrequenz-Anregung ein Signal liefert. Erst nach einem Einschwingvorgang, der etwa in der Größenordnung von T1 bzw. T2 liegt, wird ein steady-state-Zustand erreicht, bei dem der Flipwinkel sich zwischen plus und minus 45° bewegt. Bis zur Erreichung dieses stabilen Zustandes oszilliert das Kernresonanzsignal sehr stark und kann in der Praxis nicht ausgewertet werden.

Abgesehen vom Zeitverlust für die Signalakquisition, der mit diesem Einschwingvorgang verbunden ist, verursacht dieser noch einen weiteren Nachteil: In vielen Fällen wird ein Prä paration z. B. zu Beeinflussung des Kontrastverhaltens oder zur Unterdrückung bestimmter Spektralbereiche gewünscht. Die Wirkung einer solchen Präparation klingt jedoch mit der Längs- oder Querrelaxationszeit T1 oder T2 ab. Da sich in dieser Zeit bei der dargestellten FISP-Sequenz noch kein steady-state-Zustand eingestellt hat, sind gerade die von der Präparation betroffenen Signale nicht verwertbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Einschwingzeit bei einer Pulssequenz der eingangs genannten Art zu verringern und da mit eine Präparation der Spins zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Fig. 5 bis 13 näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 5 und 7 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Spinpräparation,

Fig. 7 die Phasenlage off-resonanter Spins im rotierenden Koordinatensystem,

Fig. 8 die räumliche Lage der Spinvektoren in leicht off-resonantem Zustand,

Fig. 9 und 10 das Einschwingverhalten der Signalam plitude für verschiedene Verhältnisse T1/T2

Fig. 11 und 12 bzw. Fig. 13, 14 zwei weitere Spinpräparationssequenzen.

Gemäß der Pulssequenz nach den Fig. 5 und 6 wird vor dem ersten Hochfrequenzpuls RF₁ der oben anhand der Fig. 1 bis 4 beschriebenen Pulssequenz in einer Präparationsphase P ein Hochfrequenzpuls RF₀ eingestrahlt. Der Hochfrequenzpuls RF₀ ist frequenzselektiv und wird unter der Wirkung eines Schichtselektionsgradienten G_S0 eingestrahlt, so daß nur eine Schicht des Untersuchungsobjekts angeregt wird. Die mit dem Schichtselektionsgradienten G_S0 verursachte Dephasierung wird durch den entgegengesetzt gerichteten Gradienten G_S1 wieder rückgängig gemacht.

Der Hochfrequenzpuls RF₀ weist einen Flipwinkel auf, der eine Auslenkung der Magnetisierung erzeugt, wie sie sich im steady-state-Zustand der nachfolgenden Pulssequenz einstellt. Im vorliegenden Beispiel (Hochfrequenz-Anregepulse RF wech selnd zwischen +90° und -90° Flipwinkel) wird also der Hoch frequenzpuls RF₀ einen Flipwinkel von -45° haben. Allgemein schwingt der Magnetisierungsvektor bei Anregungspulsen von ± α zwischen +α/2 und -α2 und der Hochfrequenzpuls RF₀ muß dann einen Flipwinkel von α/2 mit einer zum nachfolgenden Hoch frequenz-Anregepuls RF₁ invertierten Phasenlage haben. Damit kommt das Spinsystem wesentlich schneller in den Gleichge wichtszustand und die Amplitudenschwankungen im Einschwing zustand sind wesentlich geringer.

Bezüglich des Anregepulses RF₀ muß aber auch die Phase leicht off-resonanter Spins betrachtet werden. Off-resonante Spins können nicht außer Acht gelassen werden, da innerhalb der angeregten Schicht stets gewisse Grundfeldinhomogenitäten oder Suszeptibilitätsänderungen vorhanden sind. Die Phasen lage off-resonanter Spins in einem rotierenden Koordinaten system ist in Fig. 7 schematisch dargestellt. Dabei ist mit einer gestrichelten Linie der on-resonante Zustand markiert, die strichpunktierte Linie zeigt die Grenzen der Phasenabwei chung bestimmter off-resonanter Spins, die durchgezogene Li nie die Grenzen der Phasenabweichung stärker off-resonanter Spins. Die untere Hälfte des Diagramms nach Fig. 8 zeigt die Verhältnisse für negative Flipwinkel.

Die größte Phasenabweichung tritt jeweils bei der Anregung der Kernspins auf. Der Phasenwinkel schwingt mit einer Periode, die gleich der Repetitionszeit T_R ist, um den on resonanten Zustand. Nach einer Zeit T_R/2 laufen alle Spins durch den on-resonanten Zustand.

Diese Tatsache wird bei der Pulssequenz nach Fig. 5 dadurch ausgenutzt, daß der Hochfrequenzpuls RF₀ eine Zeitspanne T_R/2 vor dem Hochfrequenzpuls RF₁ eingestrahlt wird. Damit sind alle Kernspins, die vom Hochfrequenzpuls RF₀ angeregt werden, zum Zeitpunkt der Anregung durch den Hochfrequenzpuls RF₁ in Phase mit diesem Anregepuls. Die Lage der Vektoren, die in einem rotierenden Koordinatensystem die Magnetisierungslage der Kernspins beschreiben, ist in Fig. 9 schematisch dargestellt.

Wenn man davon ausgeht, daß die Pulssequenz mit alternieren den Flipwinkeln von +α, -α und einer Repetitionszeit T_R be trieben wird, so ergibt sich unter Berücksichtigung des Hoch frequenzpulses RF₀ folgende Sequenz:

(-α/2) T_R/2 [(α)T_R(-α)T_R]_N.

Durch das schnellere Einschwingen auf den steady-state Zu stand ergibt sich die Möglichkeit, die Kernmagnetisierung in einer Präparationsphase P vor der eigentlichen Pulssequenz zu präparieren. Hierbei kann z. B. das bekannte inversion reco very-Verfahren angewandt werden. Dabei wird zur Präparation zunächst ein 180°-Hochfrequenzpuls RF_p eingestrahlt, der die Magnetisierung der Spins umklappt. Nach dem 180°-Hochfre quenzpuls RF_p relaxieren die Spins wieder, und zwar mit der dem jeweiligen Gewebe entsprechenden Relaxationszeit T₁. Nach einer gewissen Wartezeit, die so gewählt wird, daß sich ein großer Kontrast zwischen Geweben mit unterschiedlichen T₁- Relaxationszeiten ergibt, beginnt die eigentliche Auslesese quenz. Die Phasenkohärenz der durch den 180°-Hochfrequenzpuls RF_p angeregten Spins wird durch einen Spoilergradienten G_zSp, d. h. durch einen starken Gradienten, z. B. in Schichtselek tionsrichtung zerstört.

In Fig. 9 ist der gemessene Verlauf der y-Komponente der Magnetisierung vorzeichenberichtigt im Hinblick auf den vorangehenden Hf-Anregepuls für ein inversion-recovery-Ver fahren nach den Fig. 5 und 6 dargestellt. Zum Vergleich ist in Fig. 10 der Verlauf der y-Komponente der Magnetisie rung in einer inversion-recovery-Sequenz ohne den Hochfre quenzpuls RF₀ mit dem Flipwinkel α/2 dargestellt. Die unter schiedlichen Kurven entsprechen verschiedenen Relaxations zeiten T₁. Die erhaltene Signalstärke des Kernresonanzsignals ist dieser y-Komponente proportional. Dabei zeigt sich deut lich, daß nach Fig. 9 die Signalstärke wesentlich weniger oszilliert, als bei einer Sequenz ohne die erfindungsgemäße Präparation.

Als weitere Anwendungsmöglichkeit ist in den Fig. 11 und 12 die Sättigung einer spektralen Komponente des Untersu chungsobjekts dargestellt. Dabei wird zunächst ein spektral selektiver Hochfrequenz-Sättigungspuls RF_p mit einem Flip winkel von 90° eingestrahlt, der z. B. selektiv die Kernspins von Fettgewebe sättigt. Die Phasenkohärenz der gesättigten Kernspins wird durch einen starken Spoilergradienten G_ZSp z. B. in Schichtselektionsrichtung zerstört. Durch diese Vor sättigung wird erreicht, daß man z. B. aus dem Fettgewebe kein Signal erhält.

Beim Anwendungsbeispiel nach den Fig. 13 und 14 folgt auf einen Anregepuls RF_p ein bipolarer Gradient G_Zb. Bei diesem bipolaren Gradienten sind die positiven und negativen Flächen gleich, so daß er auf stationäre Spins keinen Einfluß hat. Dagegen wild bekanntlich durch derartige bipolare Gradienten die Phase bewegter Spins beeinflußt. Damit kann eine solche Präparationssequenz beispielsweise in der Angiographie angewandt werden.

Claims

1. Pulssequenz für ein Kernspintomographiegerät mit folgen den Schritten:

a Anregung der Spins mit einem Anregepuls (RF) mit einem Flipwinkel α 90°

b) Einschalten von ersten Gradienten (G_P, G_R) in einer ersten Richtung und einer zweiten, zur ersten senkrechten Rich tung
c) Auslesen von Kernresonanzsignalen (S) unter einem zweiten Gradienten (G_R3) in der ersten Richtung entgegengesetzt zum ersten Gradienten (G_R2)
d) Rephasieren durch Gradientenpulse in der ersten und in der zweiten Richtung
e) Wiederholung der Schritte a) bis d) mit einer Repetitionszeit (T_R) mit unterschiedlichen Gradienten in der zweiten Richtung und alternierendem Vorzeichen des Flipwinkels, wobei sich ein steady state Zustand einstellt, in dem sich die Auslenkung der Magnetisierung etwa zwischen + und -α/2 bewegt,

dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn der Pulssequenz mit den Schritten a) bis e) in einem Abstand T_R/2 vor dem ersten Anregepuls (RF₁) ein Hoch frequenzpuls (RF₀) mit einem Flipwinkel α/2 mit zum ersten Anregepuls invertierter Phasenlage eingestrahlt wird.

2. Pulssequenz nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß vor dem Hochfrequenzpuls (RF₀) die Spins präpariert werden.

3. Pulssequenz nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Präparation ein Hf-Puls (RF_p) mit einem Flip-Winkel von 180° eingestrahlt wird.

4. Pulssequenz nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Präparation auf einen Hf-Puls (RF_p) ein bipolarer Gradient (G_zb) mit einem Gradienten-Zeit-Integral Null folgt.

5. Pulssequenz nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Präparation ein spektra ler Bereich mit einem selektiven Hf-Puls (RF_p) und einem nachfolgenden Spoiler-Gradienten (G_zSp) gesättigt wird.