DE4427497C2 - Pulssequenz für ein Kernspintomographiegerät - Google Patents
Pulssequenz für ein KernspintomographiegerätInfo
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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 Aus
führungsbeispiel einen Flipwinkel von 90° aufweist. Der Hoch
frequenzpuls RF₁ ist frequenzselektiv und wird unter einem
Schichtselektionsgradientenpuls GS2 eingestrahlt, so daß nur
eine selektierte Schicht des Untersuchungsobjekt angeregt
wird. In einem Zeitabschnitt II erfolgt durch einen Gradien
ten GR2 eine Dephasierung der Kernmagnetisierung in Auslese
richtung. Ferner wird im Zeitabschnitt II ein Phasencodier
gradientenpuls GP2 sowie ein entgegengesetzt zum Schichtse
lektionsgradientenpuls GS₂ gerichteter Gradientenpuls GS₃
eingeschaltet. Durch den Gradientenpuls GS₃ wird die durch
den Schichtselektionsgradientenpuls GS₂ verursachte Depha
sierung wieder kompensiert.
Im Zeitabschnitt III wird ein Auslesegradientenpuls GR3 ein
geschaltet und damit eine Rephasierung der Kernspins er
reicht, so daß ein Kernresonanzsignal S1 entsteht. Dieses
Kernresonanzsignal S1 wird abgetastet und in herkömmlicher
Weise zur Erstellung eines Bildes verwendet.
In einem Zeitabschnitt IV werden ein Schichtselektionsgra
dientenpuls GS4 in positiver Schichtselektionsrichtung, ein
Gradientenpuls GP3 entgegengesetzt zum Gradientenpuls GP2 und
ein Gradientenpuls GR4 in negativer Ausleserichtung einge
schaltet.
In einem Zeitabschnitt V schließlich wird unter einem
Schichtselektionsgradientenpuls GS5 in negativer Schichtse
lektionsrichtung ein Hochfrequenzpuls RF2 mit einem Flipwin
kel von -90° eingeschaltet. Damit wird ein neues Auslese
intervall eingeleitet. Die dargestellte Pulssequenz wird n
mal mit unterschiedlichen Werten der Phasencodiergradienten
pulse GP2 wiederholt. Dabei wird die Phasenlage der Hochfre
quenz-Anregepulse von Pulssequenz zu Pulssequenz invertiert,
so daß die Vorzeichen der durch die Anregepulse RF bewirkten
Flipwinkel alternieren. Der Abstand zwischen zwei Hochfre
quenz-Anregepulsen RF wird mit TR (Repetitionszeit) bezeich
net. Alle Gradienten sind so geschaltet, daß ihr Zeitintegral
über eine Repetitionszeit TR Null ergibt.
Bei diesem Verfahren ist eine schnelle Bildgebung möglich, da
die Repetitionszeit TR 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, dem ,etwa in der Größenordnung von T1
bzw. T2 liegt, wird ein stationärer 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 eine Prä
paration z. B. zur 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
stationärer 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 14 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 GS0 eingestrahlt, so daß nur eine
Schicht des Untersuchungsobjekts angeregt wird. Die mit dem
Schichtselektionsgradienten GS0 verursachte Dephasierung wird
durch den entgegengesetzt gerichteten Gradienten GS1 wieder
rückgängig gemacht.
Der Hochfrequenzpuls RF₀ weist einen Flipwinkel auf, der eine
Auslenkung der Magnetisierung erzeugt, wie sie sich im
stationären 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 -α/2 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 TR ist, um den on-
resonanten Zustand. Nach einer Zeit TR/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 TR/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 TR be
trieben wird, so ergibt sich unter Berücksichtigung des Hoch
frequenzpulses RF₀ folgende Sequenz:
(-α/2) TR/2 [(α)TR(-α)TR]N
Durch das schnellere Einschwingen auf den stationären 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 RFp eingestrahlt, der die
Magnetisierung der Spins umklappt. Nach dem 180°-Hochfre
quenzpuls RFp 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
RFp angeregten Spins wird durch einen Spoilergradienten GzSp,
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 RFp 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 GZSp
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 RFp ein bipolarer Gradient GZb. Bei diesem
bipolaren Gradienten sind die positiven und negativen Flächen
gleich, so daß er auf stationäre Spins keinen Einfluß hat.
Dagegen wird bekanntlich durch derartige bipolare Gradienten
die Phase bewegter Spins beeinflußt. Damit kann eine solche
Präparationssequenz beispielsweise in der Angiographie
angewandt werden.
Claims (5)
1. Pulssequenz für ein Kernspintomographiegerät mit folgen
den Schritten:
- a) Anregung der Spins mit einem ersten Anregepuls (RF₁) mit einem Flipwinkel α 90°
- b) Einschalten von ersten Gradientenpulsen in einer ersten Richtung (GR2) und einer zweiten, zur ersten senkrechten Richtung (Gp2)
- c) Auslesen von Kernresonanzsignalen (S) unter einem zweiten Gradientenpuls (GR3) in der ersten Richtung mit entgegen gesetztem Vorzeichen zum ersten Gradienten (GR2) in der ersten Richtung
- d) Rephasieren durch Gradientenpulse (GR4, GP3) in der ersten und in der zweiten Richtung
- e) Wiederholung der Schritte a) bis d) mit einer Repeti tionszeit (TR) mit unterschiedlichen Gradientenpulsen in der zweiten Richtung und alternierendem Vorzeichen des Flipwinkels, wobei sich ein stationärer Zustand ein stellt, in dem sich die Auslenkung der Magnetisierung durch Invertierung der Phasenlage der jeweiligen Anre gungspulse etwa zwischen + und -α/2 bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn der Pulssequenz mit den Schritten a) bis e) in einem Abstand TR/2 vor dem ersten Anregepuls (RF₁) ein Hochfre quenzpuls (RF₀) mit einem Flipwinkel α/2 mit zum ersten An regepuls 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
(RFp) mit einem Flip-Winkel von 180° eingestrahlt wird.
4. Pulssequenz nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß zur Präparation auf einen
Hf-Puls (RFp) ein bipolarer Gradient (Gzb) 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 (RFp) und einem
nachfolgenden Spoiler-Gradienten (GzSp) gesättigt wird.
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