FI86506C - Avbildningsfoerfarande. - Google Patents

Description

1 86506

Kuvausmenetelmä - Avbildningsförfarande

Keksinnön kohteena on ydinmagneettiseen resonanssiin perustuva kuvausmenetelmä esim. ihmiskehon, eläinten, elintarvikkeiden tai puunrungon tutkimiseen.

Magneettikuvaus (MRI) on menetelmä, joka käyttää hyväksi ydinmagneettista resonanssi-ilmiötä (NMR) kohteen ydintiheys ja ytimeen liittyvien NMR ominaisuuksien tai niihin vaikuttavien fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien paikallisten jakautumien selvittämiseen. Mainittuja NMR ominaisuuksia ovat mm.: pitkittäinen relaksaatio (karakterisoi pitkittäinen relaksaatioaika Tl), poikittainen relaksaatio (karakterisoi poikittainen relaksaatioaika T2), relaksaatio pyörivässä koordinaatistossa (karakterisoi relaksaatioaika Tlrho), kemiallinen siirtymä, kytkentäkertoimet ytimien välillä. NMR ominaisuuksiin vaikuttavat fysikaaliset ilmiöt mm.: virtaus, diffuusio, paramagneettiset ainekset, ferromagneettiset ainekset, viskositeetti ja lämpötila.

Magneettisen resonanssin ja magneettikuvauksen menetelmiä ja sovellutuksia on käsitelty lukuisissa viitteissä: Wehrli FW, Shaw D, Kneeland BJ : Biomedical Magnetic Resonance Imaging, VCH Publishers, Inc., New York 1988, Stark DD and Bradley WG: Magnetic resonance imaging, C. V. Mosby Comp., St. Louis 1988, ·.' Gadian DG: Nuclear magnetic resonance and its applications to living systems, Oxford Univ. Press, London 1982, Shaw D: ··. Fourier transform NMR spectroscopy, Elsevier, Amsterdam, 1984,

Battocletti JH: NMR proton imaging, CRC Crit. Rev. Biomed. Eng. vol. 11, pp. 313 - 356, 1984, Mansfield P and Morris PG: NMR imaging in biomedicine. Adv. in magnetic resonance, Academic Press, New York 1982, Abragam A: The principles of nuclear magnetism, Clarendon press, Oxford 1961, Farrar TC, Becker ED: Pulse and Fourier Transform NMR, Academic Press, New York 1971, Sepponen RE: Discrimination and characterization of biological 2 86506 tissues with magnetic resonance imaging: A study on methods for Tl, T2, Tlrho and chemical shift imaging, Acta polytechnica scandinavica EL-56, Helsinki 1986, Fukushima E and Roeder SB: Experimental pulse NMR, Addison Wesley, London 1981, Thomas SR and Dixon RL (eds.) NMR in medicine: The instrumentation and clinical applications. Medical Physics Monograph No. 14, American Institute of Physics, New York 1986. Anderson WA et al: US Pat 3,475,680, Ernst RR: US Pat 3,501,691, Tomlinson BL et al: US Pat 4,034,191, Ernst RR: US Pat 3,873,909, Ernst RR: US Pat 4,070,611, Bertrand RD et al: US Pat 4,345,207, Young IR: US Pat 4,563,647, Hofer DC et al: US Pat 4,110,681, Savelainen MK: Magnetic resonance imaging at 0.02 T: Design and evaluation of radio frequency coils with wave winding, Acta Polytechnica Scandinavica Ph 158, Helsinki 1988, Sepponen RE: US Pat 4,743,850, Sepponen RE: US Pat 4,654,595, Savelainen MK: US Pat 4,712,068, Sepponen RE: US Pat 4,587,493, Savelainen MK: 4,644,281 ja Kupiainen J: US Pat 4,668,904.

Lisäksi voidaan signaali/kohina-suhdetta eräin edellytyksin parantaa käyttämällä nk. Overhauser-ilmiötä kuten on esitetty viitteissä: Ettinger KV: US Pat 4,719,425 on sovellutuksina esitetty paramagneettisten ainesosien pitoisuuksien kartoitus ja aivojen hermosolujen aktiviteetin kartoitus. Viitteissä Lurie DJ, Bussel DM, Bell LH, Mallard JR: Proton Electron Douple Resonance Imaging: A new method for imaging free radicals, Proc. S.M.R.M. Fifth Annual Meeting, 1987, New York, p. 24 ja Lurie DJ, Bussel DM, Bell LH, Mallard JR: Proton-Electron Douple Magnetic Resonance Imaging of free radical solutions, J. Magn. Reson., vol. 76, 1988, pp. 366 - 370 on esitetty vapaiden radikaaliryhmien, nitroksidi radikaalien ja hapetusasteen kartoitukset mahdollisina sovellutuksina.

Signaalinkeruustrategioita voidaan tarkastella nk. k-avaruus-esityksellä. Tätä tarkastelua on käsitelty mm. viitteissä: Twieg DB: The k-trajectory formulation of the NMR-imaging

II

3 86506 process with applications in analysis and syntesis of imaging methods. Med. Phys., vol. 10, pp. 610 - 621, 1983 ja Ljunggren S: A simple graphical representation of Fourier-based imaging methods. J. Magn. Reson., vol. 54, pp. 338 - 343, 1983.

Kolmiulotteisen kohteen tutkimuksen nopeuttamiseksi käytetään usein nk. moniviipalekuvausta. Moniviipale (multiple slice, multislice) kuvauksen periaate on esitetty mm. viitteessä Crooks LE: Selective irradiation line scan techniques of NMR imaging, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 27, pp. 1239 - 1241, 1980.

Kuvauksen nopeuttamiseksi on kehitetty pulssisekvenssejä, joissa virityskulma on pieni ja spinkaiku muodostetaan gradienttitoimenpiteillä. Tällaisia ratkaisuja on esitetty mm. viitteissä Frahm J, Haase A, Matthaei D, Haenicke W, Merboldt K-D: US 4,707,658 ja Gyngnell ML: 4,699,148, aikaisemmin viitteissä Tanttu J: Koelaitteisto NMR-kuvausta varten.

Diplomityö, Helsingin Teknillinen korkeakoulu, Teknillisen fysiikan osasto, 1982 sivu 69 ja Pohjonen J: Koelaitteisto liikkuvan kohteen NMR-kuvausta varten, Lisensiaattityö, Helsingin Teknillinen korkeakoulu, Teknillisen fysiikan osasto, • · 1984, sivut 39 - 40.

:'· Näiden kuvaussekvenssien muodostamien kuvien kontrastia on käsitelty mm. viitteessä Buxton RB, Fisel CR, Chien D, Brady TJ: Signal intensity in fast NMR imaging with short repetition times, J. Magn. Reson., vol. 83, pp. 576 - 585, 1989. Valitsemalla virityskulma a, toistoaika (TR), kaikuviive (TE) viitteissä esitetyllä tavalla, voidaan kuvaan muodostuva kontrasti maksimoida valitulle ainesosapari11 e (esim. aivojen valkea ja : harmaa aine).

NMR-menetelmien heikkous on huono signaali/kohinasuhde, mikä pätee myös magneettikuvaukseen. Signaali/kohina-suhdetta voi 4 86506 daan parantaa keskiarvostamal1 a signaaleja, mikä vuorostaan kasvattaa kuvausaikaa. Signaali/kohina-suhde kasvaa verrannollisesti keskiarvoistusten lukumäärän neliöjuureen. Kuvaus-strategian on oltava sellainen, että kuvan resoluutio vastaa saatavissa olevaa signaali/kohina-suhdetta: Liian suuri resoluutio tuottaa kuvan, jonka signaali/kohina-suhde on huono ja toisaalta alhainen resoluutio saattaa tehdä kuvan käyttökelvottomaksi .

Signaalikeruustrategian optimointi on edullista suorittaa mm. tapauksissa, joissa polarisoivan magneettikentän voimakkuus on alhainen tai kuvausnopeuden halutaan olevan mahdollisimman suuri.

Käytännössä on signaalia kerättävä siten, että vastaava kuvan resoluutio on suurempi kuin, mitä signaali/kohina-suhde sallisi. Tällöin lopullisen kuvan parantamiseksi käsitellään joko signaalia tai lopullista kuvaa en tyyppisillä suodatusmenetelmillä. Suodatuksen avulla poistetaan sitä kohinaa, jota signaa-1ikeruun aikana on kerätty. Täten osa signaalinkeruuajasta on käytetty turhaan.

Keksinnön mukaisella kuvausmenetelmällä on mahdollista optimoi-·'· da kuvaustapahtuma siten, että kuvauksen aikana kerätyn signaa-. .·. Iin kaistaleveys vastaa lopullisen kuvan resoluutiota ja täten ·. koko kuvausaika pystytään käyttämään tehokkaasti hyväksi. Mene-- - telmä soveltuu erityisesti suurten suhteellisen homogeenisten . kohteiden kuten esimerkiksi ihmiskehon tutkimiseen.

Keksintöä on kuvattu oheisissa piirroksissa, joissa:

Kuva 1 esittää erästä keksinnön mukaista kuvaussekvenssiä V · kohteen kaksiulotteiseen kuvaukseen.

*· Kuva 2 esittää menetelmän mukaista kuvausstrategiaa nk. k — 5 8 6 5 O 6 avaruudessa.

Kuvassa 1 on esitetty keksinnön mukaisen kuvaussekvenssin pulssikaavio. Virityspulssi- ja NMR-signaali (spin-kaiku, SE) on esitetty akselilla RF, toistoväli on TR ja kaikuviive TE.

Virityspulssien välillä tapahtuvat magneettikuvauksen vaatimat gradienttioperaatiot, joita on havainnollistettu akseleilla Gx ja Gy. Viritys- ja gradienttitoimenpiteistä johtuen kohteen protonit emittoivat rekisteröitävän spin-kaiun SE, joka syntyy ajan TE kuluttua virityspulssista ja rekisteröidään. Keksinnön mukaisen signaalikeruun voidaan ajatella tapahtuvan kaksivai-heisesti siten, että ensiksi vaihekoodausgradienttina käytetään y-suuntaista gradienttia Gy ja lukugradienttina on x-suuntainen gradientti Gx. Kun halutun y-suuntaisen resoluution edellyttämät vaihekoodaustoimenpiteet on suoritettu suoritetaan kuvaus-toimenpiteet siten, että vaihekoodausgradienttina on x-suuntainen gradientti Gx ja lukugradienttina y-suuntainen gradientti Gy. Kun haluttu resoluutio x-suuntaan on saavutettu on kuvaus suoritettu. Kuvassa 1 on esitetty yksinkertaistettu kaksiulotteisen kuvauksen edellyttämä kuvaussekvenssi. Viipalevalinta-gradientin toiminta on jätetty esittämättä. Kolmiulotteisessa tapauksessa vaihekoodausgradientti voidaan ajatella muodostuvan kahdesta ortogonaalisesta gradienttikentästä. Tällöin keksinnön mukaisesti kukin vaihekoodausgradientin komponentti on luku- • j*· gradienttina osassa kuvaussekvenssin toistokerroista.

• · · : Kuvassa 2 on havainnollistettu k-avaruudessa keksinnön mukaista signaal ikeruustrategiaa. Kuvausstrategian mukaisesti jäävät ”1 keräämättä ne k-avaruuden pisteet, joissa signaali/kohina-suhde olisi heikko. Ihmiskehon kaltaisessa, suuressa ja homogeenisessa kohteessa ne ovat alueet, joissa gradienttien aiheuttama '· spinpopulaation koodaus x- ja y-suuntaan ovat suuria. Näiden * pisteiden arvoksi voidaan asettaa 0 tai jokin mittauspisteiden !’.*· arvoista esim. interpoloimal 1 a ja ekstrapoloimalla johdetut .··*. arvot.

6 86506

Kuten kuvasta havaitaan kerätään menetelmän mukaisesti k-ava-ruuden keskellä olevat pisteet kahdesti. Tällä saavutetaan hyvä signaali/kohina-suhde kohteen suhteellisen suurien rakenteiden rekisteröinnissä. Tämä pienentää kuvan tulkintaa haittaavia liikeartifaktoja ja parantaa kuvan tasaisuutta.

Menetelmän ominaisuuksia tässä suhteessa voidaan myös muuttaa muuttamalla keskiarvoistusten määrää sen mukaan mikä on vaihe-koodauksen määrä. Voidaan esimerkiksi kerätä useita kertoja se signaali, jossa vaihekoodaus on pieni ja siten parantaa kuvan visualisuutta etenkin niissä tapauksissa, joissa signaali/ kohina-suhde on hyvin huono. Tällaisia tapauksia ovat mm. voimakkaasti relaksaatioaikapainotteiset kuvat ja hyvin nopeasti kerätyt kuvat.

Ylläkuvatussa selostuksessa on esitetty vain jokin keksinnön mukainen suoritusmuoto.

* · «

II

Claims (4)

7 86506

1. Menetelmä kohteen kuten ihmiskehon, eläimen tai puunrungon tutkimiseen NMR-ilmiöön ja magneettikuvausmenetelmiin perustuen, missä kuvainformaation keräämiseksi suoritetaan useita kertoja nk. kuvaussekvenssin vaatimat toimenpiteet, missä viritystapahtuman jälkeen kytketään kohteen yli yhden tai useamman erisuuntaisen gradienttikentän resultanttina syntyvä magneettikenttägradientti, nk. vaihekoodausgradientti ja sen jälkeen nk. lukugradientti, jonka aikana ydinmagneettinen resonanssisignaali kerätään, tunnettu siitä, että mainitun vaihekoodausgradientin yksi tai useampi komponentti-gradienttikenttä osassa sekvenssin toistokerroista muodostaa 1ukugradientin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet tu siitä, että gradienttikentät ovat ortogonaaliset.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että osalle kuvan muodostamiseen tarvittavista k-avaruuden pisteistä annetaan laskennallinen arvo.

: 4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, t u n - n e t t u siitä, että signaalin keskiarvostusten lukumäärä riippuu vaihekoodauksesta. • · 8 86506