DE4435106C2 - MR-Pulssequenz für die zeit- und ortsaufgelöste Darstellung funktioneller Gehirnaktivitäten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine MR-Pulssequenz für die zeit- und ortsaufgelöste Darstellung funktioneller Gehirnaktivitäten.

Es wurde festgestellt, daß durch Stimulation hervorgerufene Gehirnaktivitäten in der Großhirnrinde von Menschen mit Kern­ spintomographen nachgewiesen werden können. Derartige Stimu­ lationsexperimente wurden z. B. mit visueller Stimulation und mit Stimulation um den primären Motorkortex durch Fingerbewe­ gung durchgeführt. Funktionelle Gehirnuntersuchungen können auch mit anderen Techniken, z. B. PET (Positronen-Emissions- Tomographie) oder EEG durchgeführt werden. Mit der Kernspin­ tomographie kann jedoch eine wesentlich bessere Ortsauflösung erreicht werden. Wenn man die Datenaufnahme in 'real time' durchführt, ist jedoch die Zeitauflösung mit der Kernspinto­ mographie deutlich schlechter. Von J. Frahm et al. wurde in SMRM/SMRI Workshop: Functional imaging of the brain, Arlington, June 17 to 19, 1993, S. 157 vorgeschlagen, die Datenak­ quisition mit einer periodischen Wiederholung einer Gehirnak­ tivitäten auslösenden Aufgabe zu synchronisieren. Ein ver­ gleichbares Verfahren wurde bereits für "Filmaufnahmen" der Herzbewegung verwendet (siehe beispielsweise Dennis Atkinson et al. "Cineangiography of the heart in a single breath told with a segmented turbo flash sequence" in Radiology, 1991, 178, Seiten 357 bis 360).

Eine schnelle Magnetresonanz-Bildgebungssequenz ist in der US 4,707,658 beschrieben. Diese Sequenz ist auch unter der Bezeichnung FLASH (Fast Low Angle Shot) bekannt, weil dabei Hochfrequenzanregungspulse mit einem Flipwinkel von wesent­ lich weniger als 90° verwendet werden. Eine darauf folgende Gradientenumkehr erzeugt ein Gradientenechosignal. Der kleine Flipwinkel erzeugt einen Gleichgewichtszustand zwischen longitudinaler und transversaler Magnetisierung, wodurch eine schnelle Wiederholung der Hochfrequenz-Anregung möglich wird.

Aus den DE 39 18 625 A1, EP 0 599 456 A1 und EP 0 571 071 A1 sind Sequenzen zur Bildgebung des Herzens bekannt, die durch ein EKG getriggert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pulssequenz der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß funktionelle Gehirnakti­ vitäten nach einer aktiven Handlung des Patienten mit guter Zeit- und Ortsauflösung dargestellt werden können.

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. 1 bis 9 näher beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 bis 5 eine herkömmliche FISP-Sequenz,

Fig. 6 den Ablauf der Datenakquisition nach einem Triggerimpuls,

Fig. 7 die Einordnung von Rohdaten in eine Rohda­ tenmatrix,

Fig. 8 die Zuordnung einer Pulssequenz zu einer Datenakquisitionsphase,

Fig. 9 ein Mehrschichtverfahren.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann im Prinzip mit jeder für die Bildgebung geeigneten MR-Pulssequenz durchgeführt werden. Insbesondere eignen sich natürlich schnelle Pulssequenzen, wie z. B. die sogenannte FLASH-Sequenz (siehe z. B. US-A-4,707,658) oder die sogenannte FISP-Sequenz (siehe z. B. US-A-4,769,603).

Die FISP-Sequenz wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 5 kurz erläutert, eine genauere Beschreibung findet sich im US- Patent 4,769,603. Durch eine Folge von Hochfrequenzpulsen RF gemäß Fig. 1 werden die in einem Grundmagnetfeld ausgerich­ teten Kernspins eines Untersuchungsobjekts ausgelenkt. Die Hochfrequenzpulse RF werden gemäß Fig. 2 unter der Wirkung eines Schichtselektionsgradienten SS eingestrahlt, so daß sie selektiv nur auf eine Schicht des Untersuchungsobjekts wir­ ken. Auf jeden positiven Puls des Schichtselektionsgradienten SS folgt ein negativer Puls, so daß die durch den positiven Puls verursachte Dephasierung wieder rückgängig gemacht wird. Nach jeder Anregung wird ein Puls eines Phasencodiergradien­ ten Ph eingeschaltet, dessen Amplituden-Zeitfläche sich von Anregepuls zu Anregepuls ändert. Damit werden die Kernspins von Anregung zu Anregung unterschiedlich phasencodiert. Durch einen bipolaren Auslesegradienten R0 gemäß Fig. 4 wird schließlich ein Kernresonanzsignal S gemäß Fig. 5 erzeugt, das unter der Wirkung des positiven Teils jedes Auslesegra­ dienten R0 ausgelesen wird. Nach jedem Kernresonanzsignal S und vor der nächsten Anregung wird die Phase der Kernspins in Phasencodierrichtung durch einen negativen Puls des Phasenco­ diergradienten Ph wieder zurückgesetzt.

Die so gewonnenen Kernresonanzsignal S werden im Zeitbereich abgetastet, digitalisiert und die damit erhaltenen numeri­ schen Werte je Kernresonanzsignal S in eine Zeile einer Roh­ datenmatrix eingetragen. Die Rohdatenmatrix kann man als Meß­ datenraum, bei dem im Ausführungsbeispiel vorliegenden zwei­ dimensionalen Fall als Meßdatenebene betrachten. Dieser Meß­ datenraum wird in der Kernspintomographie im allgemeinen als "K-Raum" bezeichnet. Die für die Bilderzeugung notwendige In­ formation über die räumliche Herkunft der Signalbeiträge S ist in der Phaseninformation codiert, wobei zwischen dem Ortsraum (also dem Bild) und dem K-Raum mathematisch der Zu­ sammenhang über eine zweidimensionale Fouriertransformation besteht. Es gilt:

Dabei gelten folgende Definitionen:

ρ = Kernspindichte.

Durch schrittweise Fortschaltung des Phasencodiergradienten Ph gemäß Fig. 3 erfolgt die Abtastung im K-Raum in aufeinan­ derfolgenden Zeilen.

Aus der so erhaltenen Rohdatenmatrix wird durch zweidimensio­ nale Fourier-Transformation eine Bildmatrix gewonnen, auf­ grund derer dann eine Bildrekonstruktion erfolgt.

Es sei nochmals betont, daß das hier dargestellte FISP-Ver­ fahren nur eine von vielen möglichen Sequenzen zur Durchfüh­ rung der erfindungsgemäßen zeitaufgelösten Bildgebung dar­ stellt.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine getriggerte Meßdatenaufnahme zur Zeit- und ortsaufgelösten Darstellung von Gehirnaktivitäten. Der zu untersuchende Patient löst mehrfach hintereinander Triggerimpulse T1, T2 bis Tx aus. Die jeweils nach diesen Triggerimpulsen ablaufende Gehirnaktivi­ tät soll zeit- und ortsaufgelöst untersucht werden. Die Trig­ gerimpulse können beispielsweise durch einen vom Patienten bedienbaren Schalter ausgelöst werden. Nach jedem Triggerim­ puls Tn folgen mehrere Datenakquisitionsphasen DA, die in ei­ nem konstanten Zeitraster liegen. Jede dieser Datenakquisi­ tionsphasen DA ist einer Zeitscheibe nach dem Triggerimpuls zugeordnet. Die Anzahl der Datenakquisitionsphasen DA hängt von der gewünschten Zeitauflösung ab. Im Ausführungsbeispiel sind der Übersichtlichkeit wegen lediglich sechs Datenakqui­ sitionsphasen DA dargestellt, in der Praxis werden es erheb­ lich mehr sein. Während jeder Datenakquisitionsphase DA er­ hält man bei diesem Ausführungsbeispiel durch eine FISP- Sequenz ein einzelnes Signal, also eine Zeile einer Rohdaten­ matrix. Die Phasencodiergradienten sind in den Datenakquisi­ tionsphasen DA1 bis DA6 gleich, die gewonnenen sechs Signale werden jeweils einer Zeile einer Rohdatenmatrix zur Erstel­ lung von sechs aufeinanderfolgenden Bildern zugeordnet.

Nach dem nächsten Triggerimpuls T gewinnt man durch Fort­ schaltung der Phasencodiergradienten jeweils eine weitere Zeile für jedes der sechs Bilder. Es müssen so viele Trigger­ vorgänge durchgeführt werden, bis alle Zeilen der Rohdaten­ matrix gefüllt sind. Die gesamte Meßzeit ergibt sich damit aus der Summe der Abstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden Triggerimpulsen.

Aus dem bereits eingangs genannten Artikel von D. J. Atkinson und R. R. Edelman ist es bekannt, bei der Messung der Herzbe­ wegung innerhalb jeder Herzphase für jedes der Bilder mehrere Fourier-Zeilen schnell hintereinander zu messen und diese dann Segmenten des Rohdatensatzes mit der entsprechenden Herzphase zuzuordnen. Dieses als segmentierte K-Raum-Technik bekannte Verfahren läßt sich auch auf die getriggerte Bildge­ bung von Gehirnaktivitäten anwenden. Dabei wird - wie in Fig. 7 dargestellt - in jeder Datenakquisitionsphase DA (in Fig. 7 ist der Übersichtlichkeit wegen nur jeweils die erste Datenakquisitionsphase DA1 dargestellt) eine Mehrzahl von un­ terschiedlich phasencodierten Signalen gewinnen. Die Rohda­ tenmatrix RM wird gleichmäßig in eine Anzahl von Segmenten SG1 bis SGN eingeteilt. In der ersten Datenakquisitionsphase nach jedem Triggerimpuls T werden jeweils die ersten Zeilen jedes Segments SG eingetragen, in der ersten Datenakquisi­ tionsphase DA1' nach dem zweiten Triggerimpuls T2 werden je­ weils die zweiten Zeilen jedes Segments eingetragen usw. In derselben Weise, jedoch mit Datenakquisitionsphasen, die in unterschiedlichem Abstand zum jeweiligen Triggerimpuls lie­ gen, werden die Segmente SG für die Bilder der weiteren Herz­ phasen gewonnen.

In Fig. 8 ist schematisch die Zuordnung einer Pulssequenz zur Datenakquisitionsphase DA1 dargestellt. Im Vergleich zu Fig. 6 erkennt man, daß hier mehrere Anregungen während jeder Datenakquisitionsphase DA erfolgen und mehrere unter­ schiedlich phasencodierte Signale gewonnen werden. Bei Mes­ sung mehrerer Schichten zur dreidimensionalen Auflösung wird zweckmäßigerweise ein sogenanntes Mehrschichtverfahren ange­ wandt. Dabei werden während der Repetitionszeit der angewand­ ten Pulssequenz zeitlich versetzt mehrere Schichten angeregt, so daß sich ein Zeitgewinn entsprechend der Anzahl der wäh­ rend einer Repetitionsphase angeregten Schichten ergibt. Dies ist schematisch in Fig. 9 dargestellt. Dabei ist die Zeit nach jedem Triggerimpuls T in mehrere Phasen P1 bis Px einge­ teilt. Während jeder dieser Phasen werden im Ausführungsbei­ spiel vier Schichten S1 bis S4 angeregt und ausgelesen. Die­ ses Verfahren kann mit einem der vorstehend erläuterten Ver­ fahren kombiniert werden, das heißt, es kann nach jedem Trig­ gerimpuls T jeweils eine Fourier-Zeile für die Rohdatenma­ trizen der vier Schichten S1 bis S4 und der unterschiedlichen Datenakquisitionsphasen gewonnen werden, oder es können mit der in Fig. 7 dargestellten Technik des segmentierten K- Raums nach jedem Triggerimpuls mehrere Zeilen dieser Rohda­ tenmatrizen gewonnen werden.

Mit dem beschriebenen Verfahren gelingt es, Gehirnaktivitäten mit hoher Zeit- und Ortsauflösung darzustellen. Die vom Pa­ tienten ausgelöste Datenakquisition muß nicht notwendigerwei­ se periodisch sein, es wird aber davon ausgegangen, daß die auf jeden Triggerimpuls folgende Gehirnaktivität gleich ist, damit sie nach dem oben genannten Verfahren abgetastet werden kann.

Als Triggervorrichtung kommt beispielsweise ein einfacher, vom Patienten zu bedienender Schalter in Betracht. Um Stö­ rungen durch elektrische Leitungen im Untersuchungsraum zu vermeiden, kann man den Patienten z. B. auch einen Gummiball drücken lassen, der über den erzeugten, durch einen Schlauch weitergeleiteten Druck einen außerhalb vom Untersuchungsraum liegenden Schalter schließt.

Claims (6)

1. MR-Pulssequenz für die zeit- und ortsaufgelöste Dar­ stellung funktioneller Gehirnaktivitäten eines Patienten mit folgenden Schritten:

• a) mit einer von einem Patienten bedienbaren Triggervor­ richtung werden Triggerimpulse (T) ausgelöst;
• b) nach jedem Triggerimpuls (T) wird ein Gehirnaktivitäten hervorrufender Stimulationsvorgang durchgeführt;
• c) nach jedem Triggerimpuls (T) wird in einer Folge von n zeitlich aufeinanderfolgenden Datenakquisitionsphasen (DA) mindestens jeweils eine Pulssequenz zur Anregung und zum Auslesen von Kernresonanzsignalen (S) durchge­ führt, wobei durch vor dem Auslesen jedes Kernresonanz­ signals (S) angelegte Phasencodiergradienten (Ph) und durch während der Auslesephase jedes Kernresonanzsignals (S) angelegte Auslesegradienten (RO) jedes Kernresonanz­ signal (S) entsprechend seinem örtlichen Ursprung pha­ sen- und frequenzcodiert wird und wobei jedes Kernreso­ nanzsignal (S) abgetastet, digitalisiert und die während jeder Datenakquisitionsphase (DA) gewonnenen Kernreso­ nanzsignale (S) in einer dieser Datenakquisitionsphase zugeordneten, einen k-Raum darstellenden Rohdatenmatrix abgespeichert wird;
• d) die Schritte a) und b) werden so oft mit unterschied­ lichen Werten von Phasencodierschritten wiederholt, bis für alle n Rohdatenmatrizen jeweils der gesamte k-Raum abgetastet ist;
• e) aus den n Rohdatenmatrizen werden n Bilddatensätze ge­ wonnen, die jeweils funktionelle Aktivitäten in unter­ schiedlichen Zeitabständen zum Stimulationsvorgang re­ präsentieren.

2. Pulssequenz nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Gewinnung einer Rohda­ tenmatrix (RM) mit m Zeilen m Stimulationsvorgänge durch­ geführt werden, wobei nach jeder Stimulation n Pulssequenzen mit derselben Phasencodierung durchgeführt werden.

3. Pulssequenz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Datenakquisi­ tionsphase (DA) mehrere unterschiedlich phasencodierte Kern­ resonanzsignale (S) gewonnen werden, die in verschiedene Segmente (SG1 bis SGN) der Rohdatenmatrix (RM) eingetragen werden.

4. Pulssequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß jede Puls­ sequenz eine Gradientenechosequenz ist.

5. Pulssequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Zeit­ raum zwischen Stimulationsvorgang und erster Pulssequenz ein­ stellbar ist.

6. Pulssequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Anre­ gung der Kernresonanzsignale (S) schichtselektiv erfolgt und daß während einer Repetitionszeit der Anregung in einer Schicht wenigstens eine weitere Schicht des Untersuchungs­ objekts angeregt wird.