DE4434078A1

DE4434078A1 - Nutationswinkel-Messung während einer MRI-Vorabtastung

Info

Publication number: DE4434078A1
Application number: DE4434078A
Authority: DE
Inventors: Beth Elaine Slayman; Kevin Franklin King; Paul E Licato
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1993-09-30
Filing date: 1994-09-25
Publication date: 1995-04-06
Also published as: JPH07163545A; US5416412A

Description

Die Erfindung betrifft bildgebende Magnetresonanz-Verfahren und Systeme und insbesondere die genaue Messung des Nutationswinkels oder Kippwinkels, bevor eine Abtastung durch eine MRI-Anlage erfolgt.

Wenn ein Stoff, beispielsweise menschliches Gewebe, einem homogenen Magnetfeld (polarisierendes Feld B₀) ausgesetzt wird, versuchen sich die einzelnen magnetischen Momente der Spins in dem Gewebe mit diesem polarisierenden Feld auszurichten, wobei sie aber in zufälliger Anordnung mit ihrer charakteristischen Larmor-Frequenz präzessieren. Wenn der Stoff oder das Gewebe einem magnetischen Feld (Anregungsfeld B₁) ausgesetzt wird, welches in der x-y- Ebene liegt und sich nahe der Larmor-Frequenz befindet, kann das ausgerichtete Netto-Moment M_z in die x-y-Ebene gedreht oder "gekippt" werden, um ein transversales, magnetisches Netto-Moment M_t zu erzeugen. Ein Signal wird von den angeregten Spins emittiert, nachdem das Anregungs- Signal B₁ ausgeschaltet ist, wobei dieses Signal zum Erzeugen eines Bildes empfangen und verarbeitet werden kann.

Wenn man diese Signale zum Erzeugen von Bildern benutzt, werden magnetische Feldgradienten (G_x, G_y und G_z) verwendet. Typischerweise wird der abzubildende Bereich durch eine Folge von Meßzyklen abgetastet, bei denen diese Gradienten gemäß dem angewandten, besonderen Ortungsverfahren variieren. Der resultierende Satz von empfangenen MR-Signalen wird digitalisiert und verarbeitet, um das Bild zu rekonstruieren, indem man eines der vielen bekannten Rekonstruktionsverfahren anwendet.

Der Winkel, um den das ausgerichtete Netto-Moment in die x- y-Ebene gekippt wird, wird durch die Größe oder Amplitude des angelegten Anregungs-Feldes bestimmt. Der gewünschte "Nutations"-Winkel hängt von der speziellen bildgebenden Impulsfolge ab. Bei Spinecho-Abtastungen, die refokus sierende HF-Impulse verwenden, ist es üblich, die Kerne um 90° zu nutieren, um das größtmögliche Signal zu erhalten. Bei Gradientenecho-Abtastungen ist es üblich, die Kerne um einen kleineren Winkel, beispielsweise um 30°, zu nutieren, um das Gleichgewicht so wenig wie möglich zu zerstören. Der sich tatsächlich aus dem angelegten HF-Magnetfeld ergebende Nutationswinkel hängt von vielen Faktoren ab, einschließ lich der an die Spule angelegten HF-Leistung, der Form der Hüllkurve des HF-Magnetfeldes, der Form des Patienten sowie der Nähe zu der Spule. Es ist schwierig, exakt vorauszu sagen, welche HF-Leistung für den gewünschten Nutations winkel erforderlich ist. Daher ist es allgemein üblich, die HF-Leistung zu messen, die in einem Berechnungsschritt, der vor der bildgebenden MR-Abtastung ausgeführt wird, benötigt wird.

Derzeit vorherrschende Vorabtastungs-Verfahren zum Messen des Nutationswinkels, wie z. B. die in der US-PS 5,107,215 beschriebene Methode, gewinnen einen Satz von 10 bis 15 MR- Echosignalen, die mit verschiedenen HF-Leistungseinstel lungen erzeugt werden. Man vermutet, daß die Leistungs einstellung, die das größte Signal liefert, einen Nutationswinkel von 90° erzeugt, wobei diese Leistungs einstellung zum Erzeugen anderer Nutationswinkel verändert werden kann. Solche Messungen benötigen zur Durchführung 20 bis 30 s, was allerdings nicht lange ist, wenn sie zusammen mit Spinecho-Abtastungen von über 1 Min. benutzt werden.

Die meisten, gegenwärtig zur Erzeugung medizinischer Bilder benutzten MRI-Abtastungen benötigen viele Minuten, um die notwendigen Daten zu gewinnen. Die Reduktion dieser Abtastzeit ist von großer Bedeutung, da eine reduzierte Abtastzeit den Patientendurchsatz erhöht, die Behaglichkeit für den Patienten verbessert sowie die Bildqualität durch Reduzieren von Bewegungsartefakten verbessert. Es gibt eine Klasse von Impulssequenzen, die eine sehr kurze Wieder holungszeit (TR von repetition time) besitzen und zu vollständigen Abtastungen führen, die in Sekunden anstatt in Minuten ausgeführt werden können. Derzeit angewandte Vorabtastungs-Verfahren, die 20 bis 30 s benötigen, sind unbefriedigend, wenn sie mit diesen schnellen Impuls sequenzen benutzt werden.

Schnellere Vorabtastungs-Verfahren, wie z. B. die in der US- PS 4,814,708 und in der US-PS 4,983,921 beschriebenen, sind vorgeschlagen worden. Diese Verfahren benutzen drei HF- Impulse mit jeweils dem gleichen Nutationswinkel, die vier gesonderte Echos hervorrufen, die in der Schicht- Auswahl-Richtung frequenzcodiert sind. Die Echos können auf verschiedene Arten verarbeitet werden, um eine Schätzung des Kippwinkels anzugeben, der sich aus der angelegten HF- Leistung ergibt. Die für jeden anderen Nutationswinkel benötigte HF-Leistung wird dadurch erhalten, daß man den gemessenen Wert skaliert, d. h. maßstäblich ändert.

Die schnellen Verfahren führen zu mehreren Problemen. So schwankt das HF-Magnetfeld räumlich in dem Patienten und, wenn die HF-Leistung so eingestellt ist, daß der Kern um 90° an einem Ort nutiert wird, an dem das HF-Feld niedrig ist, wird der Nutationswinkel wesentlich größer als der Nutationswinkel an den Orten, an denen das HF-Feld groß ist. Dies führt zu einer erheblichen Schattenwirkung in dem Bild. Um dieses Problem zu beseitigen, ist es notwendig, die Schwankung des Nutationswinkels in der Bildebene zu messen. Da die schnellen Verfahren den Nutationswinkel orthogonal zu dieser Ebene messen, entspricht der gemessene Nutationswinkel einem Mittelwert über die Bildebene und kann daher deutlich kleiner sein als der größte Nutationswinkel in dieser Ebene. Dies führt dazu, daß man eine zu hohe HF-Leistung wählt, was schließlich zu einer Schattenwirkung in dem Bild führt. Ein zweites Problem liegt darin, daß die bekannten, schnellen Verfahren einen wesentlich schlechteren Störabstand (SNR von signal to noise ratio) als die gegenwärtigen, langsamen Verfahren aufweisen. Das gegenwärtige, langsame Verfahren besitzt einen guten Störabstand SNR, da das Ergebnis durch eine Anpassung der Daten aus den vielen gewonnenen MR-Signalen erhalten wird, wohingegen die schnellen Verfahren zwei bis vier MR-Signale benutzen, die während einer einzigen Meß- Impulsfolge erhalten werden. Ein drittes Problem in Verbindung mit einigen der schnellen Verfahren liegt darin, daß deren Ergebnis stark von T₁ des Objekts abhängt. Wenn T₁ kürzer wird, verschlechtert sich die Schätzung des Nutationswinkels, was bewirkt, daß man eine entsprechend höhere HF-Leistung wählt, mit der Folge, daß eine Schatten wirkung in dem Bild auftritt.

Die Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen Messen des Nutationswinkels, der durch ein Anregungsfeld in einer MRI-Anlage erzeugt wird, und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einstellen des HF-Leistungspegels für eine MRI-Anlage, bevor eine Abtastung erfolgt. Die Erfindung umfaßt das Anlegen von drei Anregungs-Feldimpulsen in einem interessierenden Bereich zusammen mit einem magnetischen Schicht-Auswahl-Feldgradienten, das Gewinnen von vier resultierenden MR-Echosignalen in Anwesenheit eines orthogonalen, magnetischen Auslese-Feldgradienten, die Fourier-Transformation der vier MR-Echosignale, die Berechnung der Amplitudenwerte aus den vier transformierten MR-Echosignalen sowie die Berechnung des Nutationswinkels, der von dem ersten Anregungs-Feldimpuls unter Benutzung der Amplitudenwerte aus den jeweiligen MR-Echosignalen erzeugt wird. Der HF-Leistungspegel für die MRI-Anlage wird anschließend derart eingestellt, daß der gewünschte Nutationswinkel erzeugt wird.

Ein allgemeines Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur schnellen Messung des Nutationswinkels für den Einsatz in dem Vorabtastungs-Prozeß zur Verfügung zu stellen. Die Anregung der Spins, das Gewinnen der vier MR-Echosignale und das Berechnen des Nutationswinkels benötigen weniger als 100 ms. Die HF-Leistungseinstellung für die Abtastung kann daher in einer sehr kurzen Zeit bezüglich der Abtast- Gesamtzeit ermittelt werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, den Nutationswinkel an verschiedenen Orten in der Bildebene zu messen. Dies wird dadurch verwirklicht, daß man einen Schicht-Auswahl- Gradienten benutzt, um die Messung der Bildebene zu begrenzen, und daß man einen orthogonalen Auslese- Gradienten während der Gewinnung des MR-Echosignals anlegt. Die Fourier-transformierten MR-Echosignale rufen Amplituden an den Orten in der Bildebene und entlang der Richtung des Auslese-Gradienten hervor. Verschiedene Filter- und Auswahlstrategien können verfolgt werden, um die Amplitudenwerte, die bei der letzten Berechnung des Nutationswinkels verwendet wurden, auszuwählen und dadurch das Anlegen eines HF-Leistungspegels zu vermeiden, der an einigen Orten in der Bildebene zu hoch ist.

Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Messen des Nutationswinkels zur Verfügung zu stellen, welches einen guten Störabstand SNR aufweist. Die Berechnung des Nutationswinkels ist unabhängig von den Nutationswinkeln des zweiten und dritten Anregungs- Feldimpulses. Daher können die Nutationswinkel des zweiten und dritten Anregungs-Impulses derart eingestellt werden, daß sie den Störabstand SNR des Meßverfahrens maximieren. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der Nutationswinkel des zweiten und dritten Impulses derart eingestellt, daß er doppelt so groß ist wie der des ersten Anregungs-Feldimpulses.

Ein spezielleres Ziel der Erfindung ist es, die Empfindlichkeit des Meßverfahrens gegenüber Schwankungen des Nutationswinkels entlang der Schicht-Auswahl-Achse zu verringern. Dies wird teilweise dadurch erreicht, daß man während der Anregung aller drei Anregungs-Feldimpulse Schicht-Auswahl-Gradienten verwendet, wobei aber die Entdeckung der Erfindung darin zu sehen ist, daß eine weitere Verbesserung dadurch erreicht werden kann, daß man die Dicke der Schicht, die während des dritten Impulses ausgewählt wird, verringert. Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt beispielsweise die Dicke der ersten beiden Schichten 20 mm und die Dicke der dritten Schicht ist auf 5 mm reduziert.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer MRI-Anlage, die die Erfindung verwirklicht,

Fig. 2 ein elektrisches Blockschaltbild des Transceivers, der einen Teil der MRI-Anlage nach Fig. 1 bildet,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Impulsfolge, die durch die MRI-Anlage nach Fig. 1 ausgeführt wird, die die bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung realisiert, und

Fig. 4 ein Flußdiagramm für das Vorabtast-Verfahren, das durch die MRI-Anlage nach Fig. 1 durchgeführt wird.

Wir nehmen zunächst Bezug auf Fig. 1. Fig. 1 zeigt die Hauptkomponenten einer bevorzugten MRI-Anlage, in der die Erfindung verwirklicht ist. Der Betrieb der Anlage wird von einer Bedienerkonsole 100 gesteuert, die eine Tastatur und ein Steuerpult 102 sowie eine Anzeige 104 aufweist. Die Konsole 100 tauscht Nachrichten über eine Verbindung 116 mit einem separaten Computersystem 107 aus, welches einer Bedienungsperson die Steuerung der Erzeugung und Anzeige der Bilder auf dem Bildschirm 104 erlaubt. Das Computersystem 107 enthält mehrere Module, die über eine Rückwand-Leiterplatte miteinander kommunizieren. Diese weisen ein Bildprozessormodul 106, ein CPU-Modul 108 und ein Speichermodul 113 auf, das als Bildzwischenspeicher zum Speichern von Bilddatenfeldern bekannt ist. Das Computersystem 107 ist mit einem Plattenspeicher 111 und einem Magnetbandgerät 112 zum Speichern von Bilddaten und Programmen verbunden und kommuniziert mit einer separaten System-Steuereinrichtung 122 über eine serielle Hochgeschwindigkeits-Verbindung 115.

Die System-Steuereinrichtung 122 enthält einen Satz von Modulen, die über eine Rückwand-Leiterplatte miteinander verbunden sind. Die Module umfassen ein CPU-Modul 119 und ein Impulsgenerator-Modul 121, welches über eine serielle Verbindung 125 mit der Bedienungskonsole 100 verbunden ist. Über diese Verbindung 125 empfängt die System- Steuereinrichtung 122 Befehle von der Bedienungsperson, die die Abtastfolge anzeigen, die auszuführen ist. Das Impulsgenerator-Modul 121 steuert die Systemkomponenten, um die gewünschte Abtastfolge auszuführen. Es erzeugt Daten, die den Takt, die Amplitude und die Form der HF-Impulse anzeigen, die zu erzeugen sind, sowie den Takt und die Länge des Daten-Gewinnungsfensters. Das Impulsgenerator- Modul 121 ist mit einem Satz von Gradientenverstärkern 127 verbunden, um den Takt und die Form der Gradientenimpulse anzuzeigen, die während der Abtastung erzeugt werden. Das Impulsgenerator-Modul 121 empfängt ebenfalls Patientendaten von einem physiologischen Gewinnungs-Controller 129, der Signale von einer Anzahl von verschiedenen, an dem Patienten angebrachten Sensoren empfängt, z. B. ECG-Signale von Elektroden oder Atmungssignale aus der Lunge. Schließlich ist das Impulsgenerator-Modul 121 mit einer Abtastraum-Schnittstellenschaltung 133 verbunden, die Signale von den verschiedenen Sensoren empfängt, die dem Zustand des Patienten und des Magnetsystems zugeordnet sind. Über die Abtastraum-Schnittstellenschaltung 133 empfängt ein Patienten-Positionierungssystem 134 Befehle, um den Patienten an die gewünschte Position zu bewegen, damit er abgetastet werden kann.

Die von dem Impulsgenerator-Modul 121 erzeugten Gradienten- Wellenformen werden an eine Gradienten- Verstärkereinrichtung 127 angelegt, die G_x-, G_y- und G_z- Verstärker aufweist. Jeder Gradientenverstärker regt eine entsprechende Gradientenspule in einer mit 139 bezeichneten Baugruppe an, um die magnetischen Feldgradienten zu erzeugen, die für die gewonnenen, positionscodierenden Signale verwendet werden. Die Gradientenspulen-Baugruppe 139 ist Teil einer Magnet-Baugruppe 141, die einen polarisierenden Magneten 140 und eine HF-Ganzkörper-Spule 152 aufweist. Ein Transceiver-Modul 150 in der System- Steuereinrichtung 122 erzeugt Impulse, die von einem HF- Verstärker 151 verstärkt und über einen Sende-Empfangs- Schalter 154 zu der HF-Spule 152 übertragen werden. Die resultierenden Signale, die von den angeregten Kernen in dem Patienten ausgestrahlt werden, können von derselben HF- Spule 152 abgefühlt und über den Sende-Empfangs-Schalter 154 zu einem Vorverstärker 153 übertragen werden. Die verstärkten MR-Signale werden demoduliert, gefiltert und in dem Empfangsteil des Transceivers 150 digitalisiert. Der Sende-Empfangs-Schalter 154 wird durch ein von dem Impulsgenerator-Modul 121 kommendes Signal gesteuert, um den HF-Verstärker 151 mit der Spule 152 während des Sendebetriebs und mit dem Vorverstärker 153 während des Empfangsbetriebs elektrisch zu verbinden. Der Sende- Empfangs-Schalter 154 ermöglicht es ferner, daß eine separate HF-Spule (z. B. eine Kopf- oder Oberflächenspule) entweder in dem Sende- oder dem Empfangsbetrieb benutzt wird.

Die von der HF-Spule 152 aufgenommenen MR-Signale werden von dem Transceiver-Modul 150 digitalisiert und zu einem Speichermodul 160 in der System-Steuereinrichtung 122 übertragen. Wenn die Abtastung ausgeführt und ein vollständiges Feld von Daten in dem Speichermodul 160 gewonnen worden ist, führt ein Feld-Prozessor 161 eine Fourier-Transformation mit den Daten in ein Feld von Bilddaten durch. Diese Bilddaten werden über die serielle Verbindung 115 zu dem Computersystem 107 übertragen, wo sie in dem Plattenspeicher 111 gespeichert werden. Unter Ansprechen auf die Befehle, die von der Bedienungskonsole 100 erhalten werden, können die Bilder auf dem Magnetbandgerät 112 archiviert oder von dem Bildprozessor 106 weiterverarbeitet und zu der Bedienungskonsole 100 übertragen und auf der Anzeige 104 dargestellt werden.

Wir nehmen insbesondere Bezug auf die Fig. 1 und 2. Der Transceiver 150 erzeugt das HF-Erregerfeld B1 durch den Leistungsverstärker 151 in einer Spule 152A und empfängt die in einer Spule 152B induzierten, resultierenden Signale. Wie oben darauf hingewiesen, können die Spulen 152A und B getrennt sein, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, oder sie können durch eine einzelne Ganzkörper-Spule ersetzt werden, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Die Grund- oder Trägerfrequenz des HF-Erregerfeldes wird unter Steuerung eines Frequenz-Synthesizers 200 erzeugt, der einen Satz von digitalen Signalen (CF) von dem CPU-Modul 119 und dem Impulsgenerator-Modul 121 empfängt. Diese digitalen Signale enthalten die Frequenz und die Phase des HF-Trägersignals, das an einem Ausgang 201 erzeugt wird. Der HF-Steuerträger wird an einen Modulator und einen Aufwärts-Mischer 202 angelegt, in dem seine Amplitude unter Ansprechen auf ein Signal R(t) moduliert wird, welches ebenfalls von dem Impulsgenerator-Modul 121 erhalten wird. Das Signal R(t) definiert die Hüllkurve des HF- Anregungsimpulses, der zu erzeugen ist, und wird in dem Modul 121 erzeugt, indem eine Serie von gespeicherten Digitalwerten sequentiell ausgelesen wird. Diese gespeicherten Digitalwerte können wiederum von der Bedienungskonsole 100 aus geändert werden, um die Erzeugung einer beliebigen, gewünschten HF-Impuls-Hüllkurve zu ermöglichen.

Die Amplitude des HF-Anregungsimpulses, der am Ausgang 205 erzeugt wird, wird von einer Anreger-Dämpfungsschaltung 206 geschwächt, die einen digitalen Befehl TA von der Rückwand- Leiterplatte 118 empfängt. Die geschwächten HF- Erregerimpulse werden an den Leistungsverstärker 151 angelegt, der die HF-Spule 152A anregt. Das Einstellen dieses Sende-Schwächungsbefehls (TA von attenuation command) vor der Ausführung der Abtastung ist Gegenstand der Erfindung. Für eine detailliertere Beschreibung dieses Teils des Transceivers 122 wird Bezug genommen auf die US- PS 4,952,877, die hier unter Bezugnahme mit aufgenommen ist.

Wir nehmen noch Bezug auf Fig. 1 und 2. Das von dem Objekt erzeugte Signal wird von der Empfängerspule 152B aufgenommen und über den Vorverstärker 153 an den Eingang einer Empfänger-Dämpfungseinrichtung 207 angelegt. Die Empfänger-Dämpfungseinrichtung 207 verstärkt außerdem das Signal um einen Betrag, der durch ein digitales Dämpfungssignal (RA), welches von der Rückwand-Leiterplatte 118 erhalten wird, bestimmt wird.

Die Frequenz des empfangenen Signals entspricht der Larmor- Frequenz oder etwa der Larmor-Frequenz, wobei dieses Hochfrequenzsignal in einem zweistufigen Prozeß mittels eines Abwärts-Mischers 208 heruntergemischt wird, der zunächst das MR-Signal mit dem Trägersignal auf der Leitung 201 und anschließend das resultierende Differenzsignal mit dem 2,5-MHz-Bezugssignal auf der Leitung 204 mischt. Das abwärtsgemischte MR-Signal wird an den Eingang eines Analog-zu-Digital- (A/D) Wandlers 209 angelegt, der das analoge Signal abtastet und digitalisiert und es an einen digitalen Detektor und Signalprozessor 210 anlegt, der 16- Bit-in-Phase- (I) Werte und 16-Bit-Quadratur- (Q) Werte liefert, die dem empfangenen Signal entsprechen. Der resultierende Strom aus digitalisierten I- und Q-Werten des empfangenen Signals werden über die Rückwand-Leiterplatte 118 zum Speichermodul 160 übertragen, wo sie zur Rekonstruktion eines Bildes benutzt werden.

Das 2,5-MHz-Bezugssignal, das 250-kHz-Abtastsignal sowie die 5-, 10- und 60-MHz-Bezugssignale werden von einem Bezugsfrequenz-Generator 203 aus einem gemeinsamen 20-MHz- Haupttaktsignal erzeugt. Hinsichtlich einer detaillierteren Beschreibung des Empfängers wird Bezug genommen auf die US- PS 4,992,736, die hierin unter Bezugnahme mit aufgenommen ist.

Wir nehmen nunmehr insbesondere auf Fig. 3 Bezug. Die Impulsfolge, die zur Messung des Nutationswinkels R verwendet wird, stellt eine modifizierte Form der bekannten Einzel-Messungs-Impulsfolgen dar. Sie umfaßt drei HF- Erregerimpulse 301, 302, 303 bezüglich der Nutationswinkeln R₁, R₂, R₃. Die Erregerimpulse 301-303 sind selektiv und werden in Anwesenheit eines Schicht-Auswahl-Gradienten G_z erzeugt, der durch G_z-Impulse 304, 305 und 306 dargestellt ist. Man hat herausgefunden, daß die Dicke der dritten Schichtanregung etwa ein Viertel der Dicke der ersten beiden Schichten sein sollte, um die Meßgenauigkeit ohne merkliche Reduktion des Meß-Störabstands SNR zu verbessern. Bei der bevorzugten Ausführungsform wurden für die entsprechenden R₁-, R₂- und R₃-Anregungen Schichtdicken von 20 mm, 20 mm sowie 5 mm ausgewählt. Die negativen Keulen oder Zipfel des G_z-Gradienten gewährleisten, daß die Quermagnetisierung nach der Anlegung der Schicht-Auswahl- Gradientenimpulse 304-306 rephasiert wird.

Ein Auslese-Gradientenimpuls G_x 308 wird während der Gewinnung der MR-Echosignale E₁, S₁, E₂, E₂₃ und E₁₃ angelegt, um sie in der Frequenz zu codieren. Dadurch kann der Nutationswinkel an speziellen Orten entlang der x-Achse in der Bildebene berechnet werden. Die Echos aus diesen Auslese-Gradienten müssen in den Echozeitpunkten für S₁, E₂, E₂₃ und E₁₃ rephasieren, so daß sie mit den Echos aus den statischen Feldgradienten zusammenfallen, die durch Inhomogenitäten und aufgrund der Suszeptibilität des polarisierenden Feldes hervorgerufen werden. Ein kleiner Gradientenimpuls G_x 307 wird nach dem dritten Anregungs- Feldimpuls benötigt, um diese Ausrichtung der Echos zu erzwingen.

Wenn die Zeit τ₂ zwischen dem ersten und dritten Anregungs- Impuls 301 und 303 zweimal so groß ist, wie die Zeit τ₁ zwischen dem ersten und zweiten Anregungsimpuls 301 und 302, werden die fünf MR-Echosignale E₁, S₁, E₂, E₂₃ und E₁₃ erzeugt. Um den Störabstand zu erhöhen und die Wirkung von T₁ zu reduzieren, wird der Fehler τ₁ auf die kürzest mögliche Zeit verringert, die bei der bevorzugten Ausführungsform 8 ms beträgt.

Die Phasen der Spins nach den drei HF-Impulsen seien Φ₁, Φ₂, Φ₃. Diese Phasen hängen von den Spin-Positionen und der Zeit ab, die sich nach den HF-Impulsen entwickelt haben, wobei die Phasen durch folgende Gleichung definiert sind:

wobei τ₀ = 0. Die Echos werden gebildet, wenn Φ_i die Beziehung in der zweiten Spalte der unten gezeigten Tabelle A aufweist. Bei einem konstanten Gradienten werden die Echos zu Zeiten positioniert, die in der dritten Spalte angegeben sind. Wenn wir eine unendliche Relaxationszeit vor dem ersten HF-Impuls annehmen und Diffusions- und Strömungseffekte ignorieren, sind die Echoamplituden oder Echointensitäten gegeben durch:

wobei M₀, T₁ und T₂ die übliche Bedeutung haben und R₁, R₂ und R₃ sich auf die Nutationswinkel der drei HF-Impulse beziehen.

Tabelle A

Es sind Gleichungen hergeleitet worden, die die Beziehung zwischen der Amplitude der MR-Echosignale und dem Nutationswinkel R₁ des ersten Anregungs-Feldimpulses 301 angeben. Eine dieser Gleichungen, die für sehr sinnvoll erachtet wird, lautet wie folgt:

Solange die Nutationswinkel R₂ und R₃ gleich sind, müssen sie nicht gleich dem Nutationswinkel R₁ sein. Diese Erkenntnis läßt einem viel Spielraum bei der Auswahl ihrer Werte, was zu einer wesentlichen Verbesserung des Störabstandes bei dem Meßverfahren führt. Der optimale Wert für R₂ und R₃ hängt von dem gewählten Nutationswinkel R₁ ab, allerdings für einen weiten Bereich bezüglich R₁, wobei die optimale Wahl in etwa getroffen wird, wenn man R₂ und R₃ auf den doppelten Wert von R₁ setzt. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind daher, wenn ein Wert für R₁ gewählt wird, R₂ und R₃ auf das doppelte dieses Wertes gesetzt.

Wir betrachten nunmehr Fig. 4. Die Impulsfolge nach Fig. 3 wird in einem Vorabtastungs-Prozeß verwendet, der von der MRI-Anlage nach Fig. 1 ausgeführt wird, um einen Wert für TA zu erreichen, der den gewünschten Nutationswinkel in der Bildebene erzeugt. Wie durch den Prozeßblock 320 gezeigt ist, wird ein Anfangswert für TA auf der Grundlage einer früheren Erfahrung ausgewählt. Der optimale Startwert für TA ist ein Kompromiß zwischen dem Störabstand und der Nicht-Linearität der Meßmethode aufgrund der Kippwinkel- Inhomogenität. Bei den Experimenten erreichten wir die besten Ergebnisse, wenn der Start-Kippwinkel zwischen 45° und 65° lag. Dieser Kippwinkel ist groß genug, um einen guten Störabstand zu erhalten und niedrig genug, das streng nicht-lineare Verhalten des Meßverfahrens zu vermeiden, wenn R₁ nahe 90° ist. Wenn R₁ sich 90° annähert, verursachen Inhomogenitäten des B₁-Feldes Ungenauigkeiten in den Gleichungen 2-5, die erheblich sein können und es wird schwierig, das Vorzeichen der Echosignale zu ermitteln. Deshalb benutzen wir einen Winkel von 55° als den geeignetsten Start-Kippwinkel. Der Wert für TA, der diesen Kippwinkel erzeugt, hängt vom Typ der verwendeten Sendespule (z. B. einer Ganzkörper-Spule, Kopfspule, Extremitäten-Spule usw.) ab, und basiert auf früheren Erfahrungen mit ähnlichen Abtastungen.

Die Pulsfolge nach Fig. 3 wird anschließend ausgeführt, wie dies in einem Prozeßblock 321 gezeigt ist, und die MR- Echosignale S₁, E₂, E₂₃ und E₁₃ werden gewonnen. Da eine hohe räumliche Auflösung nicht erforderlich ist, ist die Filterbandbreite des Empfängers auf ± 4 kHz reduziert und es werden lediglich 64 Abtastpunkte gewonnen. Die gewonnenen MR-Echosignale werden anschließend im Prozeßblock 322 Fourier-transformiert, um ihre Werte an 64 Orten entlang der Auslese-Gradientenachse (x in der bevorzugten Ausführungsform) anzugeben. Die Amplitude an jedem Ort wird als Quadratwurzel der Summe der Quadrate der I- und Q-Werte in dem Prozeßblock 323 berechnet und vier Echosignal-Amplitudenverläufe S₁ (x), E₂ (x), E₂₃ (x) und E₁₃(x) werden erzeugt.

Vor dem Berechnen des Nutationswinkels R₁ in jedem Ort entlang der Auslese-Achse werden diese Orte mit unzuverlässigen Daten herausgefiltert. Wie im Prozeßblock 324 gezeigt ist, wird dies dadurch erreicht, daß man den größten Intensitätswert E_23max in dem Intensitätsprofil E₂₃(x) sucht. Jeder der anderen Intensitätswerte in diesem Profil E₂₃(x) wird anschließend mit E_23max verglichen, und wenn irgendeiner kleiner ist als 1/5 dieser Größe, wird der Nutationswinkel in diesem Ort in jedem der vier Echosignal- Amplitudenprofile auf 0 gesetzt. Andernfalls wird, wie dies im Prozeßblock 325 gezeigt ist, der vom ersten Anregungs- Impuls 301 erzeugte Nutationswinkel R₁ an jedem Ort (x) wie folgt berechnet:

R₁(x) = tan^-1[(32 S₁ (X) E₂³ (X) E₁₃²(X))^1/6/E₂₃ (X)] (8)

Das resultierende Feld von Werten R₁ (x) wird anschließend unter Verwendung eines 8-Punkt-Impulsspitzenfilters (8- Punkt-Boxcar-Filter), wie dies im Prozeßblock 326 gezeigt ist, gefiltert und der größte Nutationswinkel R_max wird aus diesem gefilterten Feld gewählt, wie dies im Prozeßblock 327 gezeigt ist. Diese Filterung des Nutationswinkel- Projektionsfeldes R₁ (x) verbessert den Störabstand des Meßverfahrens.

Wir betrachten uns noch einmal Fig. 4. Der gemessene Nutationswinkel R_max sei richtig und wird zum Berechnen von TA für einen 90°-Nutationswinkel im Prozeßblock 328 verwendet, außer er übersteigt 75°. Wie oben bereits erläutert, ist das Meßverfahren nicht linear, wenn es sich einem Nutationswinkel von 90° nähert und das Meßverfahren wird als ungenau betrachtet, wenn ein Nutationswinkel erzeugt wird, der größer als 75° ist. Diese Bedingung wird im Entscheidungsblock 329 detektiert und das gesamte Meßverfahren wird wiederholt, nachdem die Sendedämpfung (TA) im Prozeßblock 330 erhöht worden ist. Gegebenenfalls wird die Sendedämpfung TA₉₀ für einen 90°-Nutationswinkel in 10-tel Dezibels im Prozeßblock 328 wie folgt berechnet:

TA₉₀ = TA - 200 log₁₀(π/2/R_max) (9)

Dieses Verfahren wählt eine TA derart, daß der Punkt in der Bildscheibe mit der höchsten magnetischen HF-Feldanregung um 90° gekippt oder nutiert wird. Dies ergibt eine TA, die in enger Übereinstimmung mit der TA steht, die durch gegenwärtige Verfahren hervorgerufen wird und eine Ausführungszeit von 20 bis 30 s benötigen. Der Störabstand dieses Einzel-Meßverfahrens ist nicht ganz so hoch wie bei langsameren Verfahren, die mehrere Messungen interpolieren, aber er ist ausreichend groß genug für eine praktische Anwendung mit schnellen Impulsfolge-Abtastungen.

Claims

1. Verfahren zum Ermitteln des Nutationswinkels, der den Spins an einer Stelle in einer Schicht durch ein Objekt, welches durch ein MRI-System dargestellt wird, aufgedrückt wird, mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Anlegen einer Serie von drei selektiven Anregungs- Feldimpulsen (301, 302, 303) an das Objekt,
b) Anlegen von Schicht-Auswahl-Magnetfeld-Gradienten impulsen (304, 305, 306) während des Anlegens der drei selektiven Anregungs-Feldimpulsen (301, 302, 303) derart, daß die in der Schicht befindlichen Spins nutiert werden,
c) Gewinnen (321) mehrerer MR-Echosignale (S₁, E₂, E₂₃, E₁₃), die sich als Ergebnis der Nutation der in der Schicht angeordneten Spins bilden,
d) Anlegen eines Auslese-Magnetfeld-Gradientenimpulses (308) an das Objekt während der Gewinnung der MR- Echosignale, um die MR-Echosignale entlang einer Auslese- Achse in der Schicht bezüglich der Position zu codieren,
e) Ausführen einer Fourier-Transformation (322) mit den gewonnenen MR-Echosignalen, um die Größe der jeweiligen MR- Echosignale an Orten entlang der Auslese-Achse anzugeben, und
f) Berechnen des Nutationswinkels (325) an einem Ort entlang der Auslese-Achse unter Benutzung der entsprechenden Größenwerte der MR-Echosignale.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Nutationswinkel des zweiten und dritten selektiven Anregungs-Feldimpulses (302, 303) gleich aber von dem Nutationswinkel des ersten selektiven Anregungs-Feldimpulses (301) unterschiedlich sind, wobei der in Schritt f) berechnete Nutationswinkel der durch den ersten selektiven Anregungs-Feldimpuls (301) erzeugte Nutationswinkel ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Nutationswinkel des zweiten und dritten selektiven Anregungs-Feldimpulses (302, 303) doppelt so groß ist wie der Nutationswinkel des ersten selektiven Anregungs-Feldimpulses (301).

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Spins, die in einer Scheibe, die viel größer als die Schicht ist, angeordnet sind, durch den ersten und zweiten selektiven Anregungs-Feldimpuls nutiert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Scheibe wenigstens viermal dicker ist als die Schicht.

6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Scheibe eine Dicke von etwa 20 mm und die Schicht eine Dicke von etwa 5 mm aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Berechnung des Nutationswinkels in Schritt f) an allen Orten entlang der Auslese-Achse ausgeführt wird und weitere Verfahrensschritte enthält:

g) Suchen (327) des größten Nutationswinkels R_max aus den in Schritt f) berechneten Nutationswinkeln.

8. Verfahren nach Anspruch 7, mit folgenden Verfahrensschritten:

h) Vergleichen (329) des größten Nutationswinkels (R_max) mit einer vorgewählten Grenze, und
i) Wiederholen der Schritte a) bis g) nach dem Reduzieren des Nutationswinkels des ersten ausgewählten Anregungs- Feldimpulses (301), wenn der größte Nutationswinkel (R_max) die vorgewählte Grenze überschreitet.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Nutationswinkel (R₁) gemäß der Gleichung berechnet wird.

10. Einrichtung zum Ermitteln des Nutationswinkels, der den Spins an einer Stelle in einer Schicht durch ein Objekt, welches durch ein MRI-System dargestellt wird, aufgedrückt wird, mit folgenden Merkmalen:

a) Mittel zum Anlegen einer Serie von drei selektiven Anregungs-Feldimpulsen (301, 302, 303) an das Objekt,
b) Mittel zum Anlegen von Schicht-Auswahl-Magnetfeld- Gradientenimpulsen (304, 305, 306) während des Anlegens der drei selektiven Anregungs-Feldimpulsen (301, 302, 303) derart, daß die in der Schicht befindlichen Spins nutiert werden,
c) Mittel zum Gewinnen (321) mehrerer MR-Echosignale (S₁, E₂, E₂₃, E₁₃), die sich als Ergebnis der Nutation der in der Schicht angeordneten Spins bilden,
d) Mittel zum Anlegen eines Auslese-Magnetfeld- Gradientenimpulses (308) an das Objekt während der Gewinnung der MR-Echosignale, um die MR-Echosignale entlang einer Auslese-Achse in der Schicht bezüglich der Position zu codieren,
e) Mittel zum Ausführen einer Fourier-Transformation (322) mit den gewonnenen MR-Echosignalen, um die Größe der jeweiligen MR-Echosignale an Orten entlang der Auslese- Achse anzugeben, und
f) Mittel zum Berechnen des Nutationswinkels (325) an einem Ort entlang der Auslese-Achse unter Benutzung der entsprechenden Größenwerte der MR-Echosignale.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, wobei die Nutationswinkel des zweiten und dritten selektiven Anregungs-Feldimpulses (302, 303) gleich, aber von dem Nutationswinkel des ersten selektiven Anregungs- Feldimpulses (301) unterschiedlich sind, wobei der im Merkmal f) berechnete Nutationswinkel der durch den ersten selektiven Anregungs-Feldimpuls (301) erzeugte Nutationswinkel ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, wobei der Nutationswinkel des zweiten und dritten selektiven Anregungs-Feldimpulses (302, 303) doppelt so groß ist wie der Nutationswinkel des ersten selektiven Anregungs- Feldimpulses (301).

13. Einrichtung nach Anspruch 10, wobei die Spins, die in einer Scheibe, die viel größer als die Schicht ist, angeordnet sind, durch den ersten und zweiten selektiven Anregungs-Feldimpuls nutiert werden.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, wobei die Scheibe wenigstens viermal dicker ist als die Schicht.

15. Einrichtung nach Anspruch 13, wobei die Scheibe eine Dicke von etwa 20 mm und die Schicht eine Dicke von etwa 5 mm aufweist.

16. Einrichtung nach Anspruch 10, wobei die Berechnung des Nutationswinkels im Merkmal f) an allen Orten entlang der Auslese-Achse ausgeführt wird und die Einrichtung ferner enthält:

g) Mittel zum Suchen (327) des größten Nutationswinkels R_max aus den im Merkmal f) berechneten Nutationswinkeln.

17. Einrichtung nach Anspruch 16, mit folgenden Merkmalen:

h) Mitteln zum Vergleichen (329) des größten Nutationswinkels (R_max) mit einer vorgewählten Grenze, und
i) Mitteln zum Wiederholen der Merkmale a) bis g) nach dem Reduzieren des Nutationswinkels des ersten ausgewählten Anregungs-Feldimpulses (301), wenn der größte Nutationswinkel (R_max) die vorgewählte Grenze überschreitet.

18. Einrichtung nach Anspruch 10, wobei der Nutationswinkel (R₁) gemäß der Gleichung berechnet wird.