DE4435104A1 - Pulssequenz mit Mehrschicht-Anregung - Google Patents

Description

In der Kernspintomographie ist es ein allgemeines Ziel, die Meßzeit so kurz wie möglich zu halten. Dazu werden z. B. "schnelle" Pulssequenzen eingesetzt, bei denen die Repetiti­ onszeit der Pulssequenzen so kurz ist, daß sich ein dynami­ scher Gleichgewichtszustand der Magnetisierung einstellt. Ein typisches Beispiel für diese Gattung ist die sogenannte "FISP"-Sequenz, wie sie in der US-Patentschrift 4 769 603 beschrieben ist.

Ein anderer Ansatz für die Verkürzung der Meßzeit bei der Datenakquisition aus mehreren Schichten besteht darin, inner­ halb der Repetitionszeit einer Sequenz für eine erste Schicht mindestens eine weitere Schicht anzuregen. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß die Repetitionszeit einer Sequenz normalerweise wesentlich länger ist als die Zeit zwischen Anregung und Auslesen eines Kernresonanzsignals, also die sogenannte Echozeit. Die Zeitlücke zwischen der Datenakquisi­ tion in einer Schicht und der nächsten Anregung in derselben Schicht wird dabei dazu verwendet, eine benachbarte Schicht anzuregen und dort einen Scan durchzuführen. Eine derartige Mehrschichttechnik ist beispielsweise beschrieben von L.E. Crooks et al in Radiology 146, Seite 123 (1983). Diese Mehr­ schichttechnik kann jedoch nicht immer eingesetzt werden, und zwar insbesondere dann nicht, wenn die Repetitionszeit TR sehr kurz ist und sich dem minimal möglichen Wert für die Bildgebung aus einer einzelnen Schicht nähert. Dies gilt z. B. für schnelle Gradientenechosequenzen.

Von S. Müller wurde in Magnetic Resonance in Medicine 6, Seiten 364-371 (1988) vorgeschlagen, durch Anregungspulse, die ein Mehrfrequenz-Anregespektrum aufweisen, mehrere Schichten gleichzeitig anzuregen. Dabei entsteht nur ein Echo, in dem alle Schichten zusammenfallen. Da die Signale aus den verschiedenen Schichten jedoch unterschiedliche Pha­ sen aufweisen, ist eine Separation dieser Signale möglich. Bei dieser Anordnung benötigt man jedoch mindestens so viele Messungen, wie Schichten untersucht werden sollen, so daß man keinen Meßzeitvorteil erhält.

Besonders kritisch wird die Meßzeit beim sogenannten single point-Bildgebungsverfahren, wie es beispielsweise in den SMRM Abstracts 1993, Seite 1215, beschrieben ist. Ein derartiges Verfahren ermöglicht eine Bildgebung in inhomogenen Feldern, indem der Auslesegradient durch ein Phasencodierexperiment ersetzt wird. Dabei wird jedoch je Scan nur ein Punkt im k- Raum gewonnen, so daß sich für eine Schicht bei einer quadra­ tischen Rohdaten-Matrix der Größe N und einer Repetitionszeit TR eine Meßzeit von NxNxTR ergibt. Bei mehreren Schichten wird die Meßzeit noch entsprechend verlängert.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Meßzeit bei der Datenakqui­ sition aus mehreren Schichten zu verkürzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die mehrfache Anregung von Schich­ ten innerhalb eines Scans, die mit geringem Versatz erfolgen kann, ergibt sich eine deutliche Meßzeitverkürzung. Da die Echosignale mit zeitlichem Versatz auftreten, können sie pro­ blemlos separiert werden. Der Meßzeitgewinn ist bei der für inhomogene Felder geeigneten "single point"-Bildgebung von besonderer Bedeutung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 15 naher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 bis 5 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Pulsse­ quenz nach der Erfindung,

Fig. 6 bis 10 und 11 bis 15 jeweils weitere Ausführungs­ beispiele für Pulssequenzen.

Die Fig. 1 bis 5 zeigen einen Scan einer single point- Sequenz. In Fig. 1 sind die Hochfrequenzpulse RF darge­ stellt. Mit einem ersten Hochfrequenzpuls RF1, der unter der Wirkung eines Schichtselektionsgradienten GS1 eingestrahlt ist, werden die Kernspins angeregt. Der Hochfrequenzpuls RF1 besteht aus der Addition mehrerer selektiver Einzel-Hochfre­ quenzpulse, die unter der Wirkung eines Schichtselektionsgra­ dienten GS1 eingestrahlt werden. Die Einzel-Hochfrequenzpulse sind jeweils um ein Zeitintervall τ versetzt. In Fig. 1 sind der Übersichtlichkeit wegen nur zwei Einzel-Hochfrequenzpulse gezeigt, durch die Markierung [n] ist angedeutet, daß der Hochfrequenzpuls RF1 tatsächlich aus n Einzel-Hochfrequenz­ pulsen zusammengesetzt ist. Diese Einzel-Hochfrequenzpulse regen unter der Wirkung des Schichtselektionsgradienten GS1 benachbarte Schichten an, indem sie frequenzmäßig entspre­ chend versetzt sind.

Wie in Fig. 2 dargestellt, wird nach der Anregung der Schichtselektionsgradient GS invertiert (GS2), um die durch den positiven Teil GS1 des Schichtselektionsgradienten GS dephasierten Kernspins zu rephasieren.

In der nächsten Phase werden die Kernspins, wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt, in zwei senkrecht aufeinanderstehen­ den Richtungen durch Phasencodiergradienten GP1 und GP2 pha­ sencodiert. Diese Phasencodiergradienten werden von Scan zu Scan schrittweise fortgeschaltet, was in den Fig. 3 und 4 durch die Unterteilung und einen Pfeil angedeutet ist.

In der nächsten Phase werden die Kernspins durch einen zwei­ ten Hochfrequenzpuls RF2 refokussiert. Hierzu weist dieser zweite Hochfrequenzpuls RF2 im Ausführungsbeispiel einen Flipwinkel von 180° auf. Auch der zweite Hochfrequenzpuls RF2 besteht aus der Addition von n selektiven Einzel-Hochfre­ quenzpulsen, die wiederum unter der Wirkung eines Schichtse­ lektionsgradienten GS3 eingestrahlt werden und einen zeitli­ chen Versatz τ aufweisen. Durch entsprechende Wahl der Fre­ quenzspektren der Einzelpulse werden die vorher angeregten Schichten wieder einzeln refokussiert.

Durch die Refokussierung entstehen in einer Auslesephase n Kernresonanzsignale, die im selben Abstand τ wie die Einzel- Hochfrequenzpulse beim Anregepuls RF1 erscheinen. Somit sind die Signale aus den einzelnen Schichten separat identifizier­ bar.

Für jedes einzelne Echosignal S muß eine Rephasierung in Schichtselektionsrichtung vorliegen, d. h. das Gradientensi­ gnal in Schichtselektionsrichtung 0 sein. Dazu werden zwi­ schen den einzelnen Signalen S einzelne Rephasierungspulse GSR in Schichtselektionsrichtung eingeschaltet, die so dimen­ sioniert sind, daß das obengenannte Gradientenintegral 0 wird. Durch diese Rephasierungspulse GSR und die während die­ ser Zeit wirkende Inhomogenität werden zwar die Kernspins in der jeweils ausgelesenen Schicht rephasiert, benachbarte Schichten werden aber dephasiert, so daß, wie gewünscht, nur das Signal aus einer Schicht gemessen wird.

Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 5 erfolgt mit den Phasencodiergradienten GP1 und GP2 eine Phasencodierung in zwei Richtungen, es ist jedoch kein Auslesegradient vor­ handen. Während bei üblichen Verfahren durch Auslesen des Kernresonanzsignals unter einem Auslesegradienten ein Werte­ bereich im k-Raum oder, anders ausgedrückt, eine vollständige Zeile in einer Rohdatenmatrix erfaßt wird, wird hier nur ein einzelner Punkt im k-Raum gemessen. Dieses Bildgebungsverfah­ ren wird daher auch als "single point"-Verfahren bezeichnet. Durch den Verzicht auf einen Auslesegradienten sollen Ver­ zeichnungen in Richtung des Auslesegradienten durch Magnet­ feld-Inhomogenitäten vermieden werden. Durch Auslesegradien­ ten sollte ein im Idealfall linearer Zusammenhang zwischen dem Ort x in Frequenzcodierrichtung und der zugeordneten Resonanzfrequenz der Kernspins erreicht werden. Magnetfeldin­ homogenitäten führen jedoch zu Nichtlinearitäten in diesem Zusammenhang. Dies rührt daher, daß dem linearen Auslesegra­ dienten Gradienten überlagert sind, die die Inhomogenität des Grundmagnetfeldes repräsentieren.

Inhomogenitäten in Phasencodierrichtung führen unter der Voraussetzung, daß das Magnetfeld während der Auslesephase konstant ist, dagegen nicht zu Verzerrungen, da es hierbei im wesentlichen auf Signalunterschiede zwischen aufeinanderfol­ genden Phasencodierschritten ankommt.

Der wesentliche Nachteil des für inhomogene Felder geeigneten single point-Verfahrens besteht in der langen Meßzeit, da - wie bereits ausgeführt - je Scan nur ein Punkt im k-Raum ge­ messen wird. Andererseits sind Pulssequenzen für inhomogene Felder deshalb von Bedeutung, weil Magnete wesentlich billi­ ger und kleiner hergestellt werden können, wenn man die An­ forderungen an deren Homogenität verringert. Mit der anhand der Fig. 1 bis 5 beschriebenen Pulssequenz gelingt es, die Meßzeit für die Datenakquisition aus mehreren Schichten deut­ lich zu reduzieren, da damit k-Raum-Punkte aus mehreren Schichten innerhalb eines Scans gemessen werden können. Je Schicht wird allerdings nach wie vor nur ein Datenpunkt ge­ messen. Der Zeitversatz τ zwischen den Einzelpulsen der Hoch­ frequenzpulse RF1 und RF2 sowie zwischen den gewonnenen Echo­ signalen S wird im wesentlichen dadurch bestimmt, daß die Echosignale S zeitlich separierbar sein müssen. Da die Aus­ leseintervalle wegen des fehlenden Auslesegradienten gerade bei single point-Verfahren sehr kurz sind, können auch die Echosignale S sehr kurz und der Zeitversatz τ klein sein.

Zur Erzielung kurzer Meßzeiten ist es natürlich auch wichtig, daß eine schnelle Pulssequenz verwendet wird. Dabei stellt sich ein Gleichgewichtszustand der Magnetisierung ein. Es muß allerdings dafür gesorgt werden, daß nach jedem Scan die Pha­ sencodierung der Kernspins wieder zurückgesetzt wird. Dies wird durch zusätzliche Phasencodiergradienten GP1′ und GP2′ nach Auslesen der Kernresonanzsignale S erreicht. Da zwischen dem jeweils ersten Phasencodiergradienten GP1 und GP2 und den Rephasiergradienten GP1′ und GP2′ jeweils ein 180°-Hochfre­ quenzpuls liegt, der die Magnetisierung invertiert, weisen Phasencodiergradienten und Rephasiergradienten dasselbe Vor­ zeichen auf, sie wirken jedoch entgegengesetzt und heben sich damit über den Scan betrachtet auf.

Für das Magnetdesign kann es auch schon ein wesentlicher Vor­ teil sein, wenn anstelle einer vollständigen Homogenität in allen Raumrichtungen eine definierte Inhomogenität in einer Raumrichtung zugelassen wird. Diese Inhomogenität in einer Raumrichtung entspricht einem permanenten Gradienten. Wie in Fig. 7 dargestellt, kann man diese Inhomogenität als perma­ nenten Schichtselektionsgradienten GS verwenden. Bevorzugt sollte die Inhomogenität linear sein, da sonst die Schicht­ dicke in Abhängigkeit von der Schichtposition variiert. Der permanente Gradient GS in Schichtselektionsrichtung erübrigt jegliches Schalten von Gradienten in dieser Richtung. Auch die Rephasierung der Kernspins in Schichtselektionsrichtung, die im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 durch gesonderte Re­ phasiergradienten GSR erfolgt, wird beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 6 bis 10 durch den permanenten Gradienten GS bewirkt. Es muß lediglich das Zeitintervall τ so dimensio­ niert werden, daß das Gradientenintegral in diesem Zeitinter­ vall für die Rephasierung ausreicht. Die Schaltung der Pha­ sencodiergradienten GP1 und GP2 erfolgt wie im Ausführungs­ beispiel nach den Fig. 1 bis 5.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 11 bis 15 dargestellt. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 5 wird hier nur ein Phasencodiergradient GP in einer Richtung geschaltet. Dafür wird in einer zweiten, dazu senkrechten Richtung während des Auslesens der Kernresonanz­ signale S ein Auslesegradient GR eingeschaltet. Damit gewinnt man wie bei herkömmlichen Verfahren pro Scan eine vollstän­ dige Zeile der Rohdatenmatrix. Aufgrund der Mehrschichtanre­ gung gemäß der Erfindung erhält man hier mit geringem zeitli­ chem Versatz τ jeweils eine Zeile für die Rohdatenmatrizen mehrerer Schichten.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betrieb eines Kernspintomographiegerätes mit folgenden Schritten:

• a) während einer Anregephase werden unter der Wirkung eines Schichtselektionsgradienten (GS1) zeitlich versetzte An­ rege-Hochfrequenzpulse (RF1) mit unterschiedlichen Fre­ quenzen eingestrahlt,
• b) angeregte Kernspins werden phasencodiert und durch HF- Refokussierungspulse (RF2) und einen Gradienten (GS3) in Schichtselektionsrichtung refokussiert,
• c) zwischen den entstehenden Kernresonanzsignalen (S) werden Refokussierungsgradienten (GSR) in Schichtselektionsrich­ tung eingeschaltet,
• d) die entstehenden Kernresonanzsignale (S) werden abgeta­ stet, digitalisiert und in je eine Rohdatenmatrix einge­ tragen,
• e) die Schritte a) bis d) werden so oft wiederholt, bis die Rohdatenmatrizen gefüllt sind,
• f) aus jeder Rohdatenmatrix wird ein Bild einer Schicht des Untersuchungsobjektes rekonstruiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kernresonanzsignale (S) unter einem Auslesegradienten (GR) ausgelesen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Phasencodierung in Schritt b) in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen erfolgt und daß nach jeder Anregung für jede angeregte Schicht nur ein Punkt im k-Raum ausgelesen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß eine in einem Grundmagnetfeld vorhandene lineare Inhomogenität als Schichtselektionsgradient (GS) und als Refokussierungsgra­ dient (GSR) in Schichtselektionsrichtung verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Repetitionszeit der Pulssequenz kürzer als die Relaxations­ zeit der Kernspins ist, so daß sich ein steady-state-Zustand einstellt, wobei die durch Phasencodiergradienten (GP1, GP2) verursachte Dephasierung nach jeder Pulssequenz wieder zu­ rückgesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Flipwinkel der Anrege- Hochfrequenzpulse (RF1, RF2) 180°-α und der Flipwinkel der HF-Refokussierungspulse (RF2) 180° ist.