ITMI951369A1

ITMI951369A1 - Ricostruzione di immagini da segnale mr in campi disomogenei

Info

Publication number: ITMI951369A1
Application number: IT001369A
Authority: IT
Inventors: Oliver Heid
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1994-07-06
Filing date: 1995-06-27
Publication date: 1996-12-27
Also published as: DE4423806C1; IT1277187B1; DE4423806C2; US5777472A; JPH0838459A; JP3624021B2; ITMI951369A0

Description

DESCRIZIONE

L'invenzione riguarda un procedimento per ricavare i margini MR con una sequenza di simboli misurazioni, cho sono formate rispettivamente tra:

a) una fase di eccitazione, nella quale spin nucleari vengono eccitati con impulsi di eccitazione (RE )

b) una fase di codifica, in cui gli spin nucleari vengono codificati in fasi mediante almeno un gradiente di codifica di fase (RP1-GP3)

c) una fase di lettura in uscita (AQ), in cui viene letto in uscita un segnale di risonanza nucleare (S) che associato ad un punto, definito dai precedenti gradienti di codifica di fase (GP1-GP3), nello spazio (κ >,

laddove ogni segnale (S) ricavato nella fase di lettura in uscita (AQ) viene registrato in una matrice dello spazio k (RD) laddove la sequenza di misurazione conformemente alle fasi a) fino a c) viene effettuata n volte con differente codifica di fase per la completa esplorazione dello spazio k.

Un procedimento di tale tipo è noto ad esempio dal DE 42 19610 e dal DE 4232 731 Al. Disomogeneità nel campo magnetico di base con le usuali sequenze formazione di immagine MR notoriamente portano a distorsione di immagine. Le sequenze di impulsi oggi giorno impiegate in generale si basano sul cosiddetto procedimento “Spin-Warp ” , come quello descritto ad esempio nel US-PS 4706 025. In tal caso un segnale di risonanza nucleare prima della lettura in uscita viene codificata in fase in almeno una direzione e durante la lettura in uscita viene codificato in frequenza in un'ulteriore direzione mediante un gradiente di lettura in uscita. Le disomogeneità del campo magnetico di base nella direzione di codifica in fase sono relativamente non critiche, poiché sono importanti soltanto differenze di segnale fra singoli passi di codifica in fase. Nella direzione del gradiente in uscita la sovrapposizione del gradiente di lettura in uscita con disomogenietà del campo di base porta perù a distorsioni. In procedimenti convenzionali con selezione a strati durante la fase di eccitazione ad alta frequenza si verificano ulteriori distorsioni, poiché le disomogeneità di campo agiscono come aggiuntivo gradiente di selezione a strati dipendente dall'ubicazione. Ciò porta a inflessioni della superficie dello strato e ad uno spessore variabi 1e dello strato.

Portonta per magneti per tomografi a spina nucleari nell'ambito del volume di misurazione sono tipicamente tollerabili soltanto costamenti di linearità fino di circa 1 PPM.

Questi requesiti possono essere soddisfatti soltanto con grande dispendio. In particolare i magneti rispetto al volume di misurazione propriamente detto devono essere costruiti relativamente lunghi rispettivamente (nel caso di magnetici ad espansioni polari) di superficie relativamente grande, affinchè sia sopratutto raggiungibile la omogeneità richiesta.

Per la tomografia a spine nucleare in solidi con tempo d'eco estremamente breve, ad esempio dalla pubblicazione letteraria Nauert A. et al, SMRM Abstracts, 1993, Pagina 1215, è noto il fatto di effettuare, dopo un'eccitazione, unicamente una codifica in fase, e di rilevare assai rapidamente dopo l'eccitazione un segnale FID senza influenza di un gradiente di letture in uscita. In tal caso a differenza dell'usuale procedimento Spin—Warp con ogni segnale si attiene soltanto un punto nello spazio k. Per produrre un'immagine con 128x 128 punti immagine sono pertanto necessarie 128 x 128 misurazioni singolo rispettivamente con eccitazione ad alta frequenza e codifica in fase. Quando a causa della problematica summenzionata del1 ‘eccitazione selettiva si fa a meno di questa e al posto di ciò si effettua una codifica in fase tridimensionale, allora ad esempio si rendono necessarie addirittura 12BM 128X128=2 .097.ib2 misurazioni singole. Poiché i campi di gradiente per ogni singola misurazione vengono inseriti di nuovo disinseriti, specialmente in seguito ai necessari tempi di rampa per gli impulsi di gradiente si perviene ad un lungo tempo di misurazione e ad una estrema inefficienza della misurazione.

L'invenzione si pane per tanto il campito di indicare un procedimento per ricavare immagine MR, in cui diminuisce il dispendio di tempo per ricavare immagini .

Seconda l'invenzione questo problema viene risolto per il fatto che un primo gradiente di codifica in fase durante un gruppo di singole misurazioni tompor a1monte* coerenti, rimane inserito e la sua grandezza varia da singola misurazione a singola misurazione. Poiché in tal caso si fa a meno dell'inserimento o del disinserimento del gradiente di codifica di fase per ogni singola misurazione, vengono a mancare i tempi di rampa altrimenti necessari per l'inserimento e disinserimento del gradiente di codifica in fase e l'ottenimento delle immagini può essere attuato in modo sostanzialmente veloce . ;Esecuzioni vantaggiose dell'invenzione sono indicate nelle sottorivendicazioni. ;Un'esempio di realizzazione dell'invenzione viene illustrato dettagllatamente in seguito in base alle figure 1 fino a 2. ;In particolare: ;le figure 1 fino a 6 per illustrare il problema opposto mostrano una convenzionale sequenza spin-Warp, la figura 7 pure per illustrare il problema posto mostra una matrice dello spazio k, ;le figure 8 e 9 mostrano un diagramma per illustrare l'azione di disomogeneità del campo magnetico, ;le figure 10 fino a 14 inoltre per illustrare il problema posto mostrano una convenzionale sequenza SPI, ;le figuro 15 fino a 1B mostrano un'esempio di realizzazione dell'invenzione ;le figure 19 fino a 21 mostrano in dettaglio due singole misurazioni, ;la figure 22 mostra un diagramma a blocchi per una media di più complessi di dati di immagine. ;La convenzionale sequenza spin-warp conformemente alle figure 1 fino a 6 servirà unicamente ad illustrare il problema posto. Per l'esempio rappresentato in un primo momento sotto l'azione di un gradiente Gg di selezione di strato viene irradiato un impulso ad alta frequenza RF a seleziono di frequenza. In tal modo gli spin nucleari vengono eccitati soltanto in uno strato dell'apparecchio di esame. Successivamente lo sfasamento, provocata dall'impulso parziale positivo del gradiente Gg di selezione di strato, viene nuovamente eliminato per mezzo di un'impulso negativo Gg . Inoltre viene irradiato un gradiente di codifica in fase Gp. Infine nell'esempio di realizzazione viene inserito anche un gradiente negativo di lettura in uscita Gp . ;Durante la successiva fase di lettura in uscita viene inserito unicamente un gradiente positivo di lettura in uscita Gp<+ >. Il segnale d'eco risultante S -come indicato da treccie sull'asse AQ - viene esplorata Mvolte dei vamori misurati M così ricavati vengono registrati in una riga di una matrice RD di dati grezzi secondo la figura 7. ;La sequenza di impulsi rappresentata viene ripetuta N volte con differenti valori del gradiente Gp di codifica in fase, cosicché si ottiene complessivamente una matrice di misurazione con N righe. Solitamente, in tal caso il gradiente di codifica in fase da una sequenza di impulsi all'altra viene fatta avanzare con passi uguali al più alto valore positivo al più alto valore negativa, rispettivamente viceversa. La matrice RD di dati grezzi può essere considerata come spazio dei dati di misurazione, nel caso bidimensionale presente nell'esempio di realizzazione come piano dei dati di misurazine. Questo dato di spazio dei dati di misurazione nella tomografia a spine nucleare viene indicato come "spazio k". ;Le informazioni, necessarie per la produzione dell'immagine, in merito all'origine spaziale dei contribuiti di segnale è codificata nei fattori di fase, laddove fra lo spazio locale con le coordinate cartesiane x, p, z e lo spazio k esiste matematicamente all'elevazione tramite una trasformazione di Fourier. Vale: ;;;;A riguardo valgono le seguenti definizioni: ;;;Nella matrice RD dei dati grezzi rappresentata nella figura 7 ogni riga corrisponde ad un singolo segnale di risonanza nucleare. Nel caso di avanzamento a passi del gradiente Gp di codifica in fase l'esplorazione nello spazio k avviene in righe consecutive. All'inizio di ogni singola misurazione di volta in volta prima del segnale di risonanza nucleare S viene inserito un gradiente di codifica in fase Gp, la cui ampiezza di gradiente cresce continuamente a passi da una sequenza parziale all'altra. Quando ad esempio si esplora ogni segnale di risonanza nucleare con 128 punti di misurazione e si effettuano 1S8 passi di codifica in fase, allora si aziona una matrice dei dati grezzi con 128 righe e 128 colonne, ossia 128 x 128 valore misurati nello spazio k. I segnali misurati analogici, ottenuti con la sequenza degli impulsi secondo le figure 1 fino a 6 vengono pertanto digitalizzati su un reticolo nello spazio k. ;Dalla matrice dei dati grezzi rispettivamente dalla matrice RD dello spazio k mediante trasformazione di fourier bidimensionale viene quindi ricavato una matrice dell'immagine. In un campo magnetico di base disomogeneo si verificano tuttaviacome già citato all'inizio due tipi di distorsioni: ;- durante la fase di eccitazione disomogeneità del campo magnetico portano ad inflessioni di una superficie dello strato e ad uno spessore variabile dello strato ;- nella fase di lettura in uscita disomogeneità del campo magnetico portano a distorsioni nella direzione del gradiente Gp di lettura in uscita. Mediante il gradiente GR di lettura in uscita si dovrebbe ottenere una relazione, lineare nel caso ideale fra il luogo x nella direzione di codifica in frequenza e l'associata frequenza di risonanza f dello spin nucleare, come rappresentato in figura 8. Tuttavia disomogeneità del campo magnetica portano a non linearità in questo contesto, come rappresentato nella figura 9. Pertanto ciò porta al fatto che al gradiente lineare GR di lettura in uscita sono sovrapposti i gradienti rappresentanti la disomogeneità del campa magnetico di base. ;Nel presupposto che sia costante il campo magnetico durante la fase di lettura in uscita, disomogeneità in direziono di codifica in fase non portano a distorsioni, poiché in tal caso sano importanti sostanzialmente differenze di segnale fra passi consecutivi di codifica in fase. ;Nel caso di una cosiddetta sequenza SPI (Single Paint Imaging) si fa a meno di un gradiente di lettura in uscita e si impiegano gradiente di codifica in fase. Una tale sequenza, nota dalla letteratura citata all'inizio Nauerth et al, SMRM Abstracts 1993, pagina 1215, è rappresentata nelle figure 10 fino a 14, oppure per illustrare il problema posto. In tal caso dopo un impulso di alta frequenza RF non selettivo ha luogo una codifica in fase del segnale di risonanza nucleare in tre direzioni mediante i tre gradienti di codifica in fase GP1, GP2, GP3 fra di loro ortogonali. Un intervallo di tempo stabilito tl dopo l'eccitazione viene letto in uscita il risultante FID (Free Induction Decay). Mentre tuttavia per il procedimento convenzionale precedentemente descritto con ogni segnale si ricava sempre una riga completa nella matrice dello spazio k, si ottiene qui soltanto un punto nello spazio k che è definito dai gradienti GP1 fino a GP3. Por ricavare un complesso di dati con 129x120x128 punti dello spazio k è pertanto necessaria un numero corrispondente di misurazioni, laddove consecutivamente mediante corrispondente inserimento dei gradienti GP1 fino a GP3 vengono rilevati tutti i punti necessari dello spazio k. ;Per mantenere il dispendio di tempo entro limiti accettabili é necessario cercare di rendere i più possibile breve il tempo di ripetizione delle singole misurazioni. Per ogni singola misurazione tuttavia i tre gradienti GP1 fino a GP3 dovranno essere di volta involta inseriti e disinseriti. Poiché le bobine dei gradienti presentano un induttanza non irrilevante processi di commutazione non possono avvenire con velocità a piacere, ma anzi per 1 'inserimento e disinserimento sono necessari considerevoli tempi di rampa, che contrastano una riduzione del tempo di ripetizione. Pertanto si ottiene un tempo di misurazione complessivo non accettabile per il funzionamento pratico. ;E' possibile ottenere tempi di misurazione cosiderevolmente più brevi quando corrispondentemente ad un esempio di realizzazione dell'invenzione secondo le figure 15 fino a 17 non si inseriscono e disinsericono i gradienti di codifica in fase in occasione di singola misurazione, ma questi vengono lasciati inseriti almeno per un gruppo di singole misurazioni. ;Nella figura 15 è rappresentata una sequenza di inpulsi RF ad alta frequenza fra i quali sono situate rispettivamente le fasi di acquisizione dei dati indicate con AQ. I gradienti GPS e GP3 di codifica ed in fase corrispondentemente alle figure 17 e 1B durante il gruppo rappresentato di singole misurazioni rimangono costanti, mentre il gradiente di codifica in fase GP1 varia linearmente da un valore negativo ad un valore positivo. In tal modo si ottengono N segnali di risonanza nucleare che nella direzione del gradiente GP1 di codifica in fase sono tutti differentemente codificati in fase. In tal modo tipicamente si rileva una riga completa della matrice dello spazio k. ;Per rilevare le ulteriori righe di una matrice dello spazio k con complessivamente M righe la misurazione rappresentata viene ripetuta M volte con differenti valori del gradiente di codifica in fase GP2. Corrispondentemente l'intera operazione per rilevare la terza dimensione viene ripetuta P volte con differenti valori del gradiente di codifica in fase GP3, cosicché complessivamente sono necessarie M.P misurazioni seconda la figura 15 fino a 18 per coprire uno spazio k tridimensionale. ;Il vantaggio della sequenza degli impulsi descritta sta nel fatto che vengono eliminate le rampe per gli impulsi di gradiente durante le singoie misurazioni, cosicché le singole misurazioni possono essere ripetute in sostanza più rapidamente. ;Gli impulsi ad alta frequenza vengono realizzati come impulsi "duri” ossia a banda larga affinchè i gradienti contemporaneamente inseriti non portino indesideratamente ad una selezione di strato. Durante ogni fase di lettura in uscita è in verità inserito il gradiente GP1 ma ciò non porta a distorsioni come nella convenzionale acquisizione dei dati, poiché per ogni misurazione viene rilevato soltanto un singolo punto di misurazione a distanza fissa ad impulso ad alta frequenza RF e non viene letta in uscita l'intera segnale con la dipendenza di frequenza provocata da un gradiente di lettura in use ita. ;Per chiarire una parte della sequenza secondo le figuro 15 e 18 è rappresentata nelle figure 19 e 20 in una scala di misura di tempo dilatata. A riguardo si riconosce che ogni segnale SK; viene letto in uscita ad un'intervallo di tempo fisso t1 dopo il relativo impulso di eccitazione RFK. La codifica in fase in direzione del gradiente di codifica in fase GP1 è definita dal suo integrale di tempo fra eccitazione e distanze di lettura in uscita ossia tramite l'intervallo di tempo t1. Questo integrale di tempo è rappresentato tratteggiato in figura EO. A riguardo si riconosce che la codifica in fase in direzione del gradiente di codifica Gp1 aumenta da una singola misurazione all'altra. Con il procedimento descritto si ottengono tempi di misurazione dell'ordine di grandezze di metodi convenzionali. Ad esempio si è potuto ottenere un tempo di misurazione di 15 minuti per 64 x 128 x128 punti di misurazione. La disomogeneità di campo, tollerata senza riconoscibili artefatti di immagini era di oltre 300 mm di estensione dell'oggetto per un'intervallo di tempo di 500^|s di eccitazione e lettura in uscita e un sistema di gradiente per al massimo 10 mT/m . s era di circa 1 'IV* del campo principale dello 0,3 T. In tal caso si impiegano impulsi di eccitazione ad alta frequenza con una durata di 10 us ed un'angolo di eccitazione di A°. La velocità di campionamento per i segnali di risonanza nucleare era di EOO kHz. Si è ottenuta una risoluzione lineare per un Voxel di E,53 mm.

Poiché con il procedimento descritto dal segnale di risonanza nucleare viene esplorato soltanto un punto di dato, il rapporto segnale - rumore con riferimento all'intera tempo di misurazione è estremamente sfavorevole. In una forma di realizzazione vantaggiosa per tanto in ogni singola misurazione il risultante segnale di risonanza nucleare viene campionato molteplicemente, e precisamente in differenti intervalli di tempo t^ come rappresentato dalle treccie in figura 22. Successivamente per ogni istante di campionamento viene realizzata una completa distinta matrice dello spazio k, ossia complessivamente si ottengono y matrici RD1 fino a RDY dello spazio k. L'ulteriore lavorazione rappresentata nello schema a blocchi secondo la figura 2Ξ. Ogni matrice RD1 fino a RDY dello spazio k viene sottoposta separatamente ad una trasformazione FFT (Fast Fourier Transform). In tal modo si ottiene un numero corrispondente di matrici di immagini BD1' fino a BDY'. Tuttavia queste matrici di immagine in seguito a codifica in fase di differenti intensità con le differenti distanze temporali per 1'eccitazione possiedono un differente fattore Zoom il che nella figura 22 è indicato mediante le linee tratteggiate nelle matrici di immagine BD2' e BDY'.

Dalle matrici di immagine BD1' fino a BDY' in un primo ancora complesse mediante formazione di importo vengono ricavate matrici di immagine reali BD1" fino a BDY". Alternativamente al posto della formazione dell'importo potrebbe aver luogo una correzione di fase, poiché con questo passo da ultimo è importante eliminare errori di fase.

Le matrici di immagine BD1" fino a BDY" come in precedenza presentano differenti fattori Zoom, che vengono corretti nel passo successivo mediante corrispondente dilatazione. Per ricavare i punti di immagine in un reticolo stabilito dalla matrici di immagine vengono in tal caso effettuati interpolazini. Infine i dati di immagine dalle y matrici dei dati di immagini BD1"' fino a BDY"' vengono mediati, cosicché si ottiene una matrice dei dati di immagine BD. L'immagine in tal modo ricavata presenta un rapporto segnale-rumore decisamente migliore. Più precisamente il rapporto segnale-rumore viene mirato in ragione della radice quadrata del numero dei punti di misurazione mediati. In tal caso il tempo di misurazione non viene prolungato rispetto al procedimento SPI con la ricezione di soltanto un punto di dati.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per ricavare immagini MR con una sequenza di singole misurazioni, che sono formate rispettivamente da: a) una fase di eccitazione, in cui vengono eccitati spine nucleari con impulsi di eccitazione (RF), b) una fase di codifica, che in cui gli spin nucleari vengono codificati in fase mediante almeno un gradiente di codifica in fase (GP1-GP3), c) una fase di lettura in uscita <AQ), in cui viene letto in uscita un segnale di risonanza nucleare <S), che è associato ad un punto definito dai precedenti gradienti di codifica in fase (GP1-GP3) nello spazio k, laddove ogni segnale (S) ricavato nella fase di lettura in uscita (AQ>, viene registrato in una matrice (RD) dello spazio k, laddove la sequenza di misurazione viene attuata conformemente ai passi a) fino a c) n volte cone la differente codifica in fase per la completa esplorazione dello spazio k, caratterizzato dal fatto che un primo gradiente di codifica in fase (GPl) durante un gruppo di singole misurazioni temporalmente coerenti rimane inserito e la sua grandezza varia da una sequenza di misurazione all 'altra .
2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che gli impulsi di eccitazione (RF) sono a banda larga.
3. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 oppure P caratterizzato dal fatto che il segnale di risonanza nucleare (S) è un segnale FID.
4. Proceriimento secondo la rivendicazione 1 fino a 3, caratterizzato dal fatto che il primo gradiente di codifica in fase (6P1) nell'ambito del gruppo di singole misurazione presenta una pendenza lineare .
5. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a U, caratterizzato dal fatto durante ogni gruppo di singole misurazioni è inserito un secondo gradiente di codifica in fase (GPS) di grandezza costante, che perpendicolare al primo gradiente di codifica in fase (GPl) nonché dal fatto che la grandezza del secondo gradiente di codifica di fase (GP2) fra i gruppi di singole misurazioni viene fatto progredire, in modo che ha luogo una completa esplorazione di uno spazio k bidimensionale.
6. Procedimento secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che durante ogni gruppo di singole misurazioni è inserito un terzo gradiente di qualifica in fase (GP3) di grandezza costante, che è perpendicolare al primo e al secondo gradiente di qualifica in fase (GP1-GP2) nonché dal fatto che il primo e il secondo gradiente di codifica in fase (GP1 GP2> fra i gruppi di singole misurazioni vengono fatte progredire, in modo che ha luogo una completa esplorazione di uno spazio k tridimensionale.
7. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 6, caratterizzato dal fatto che durante ogni gruppo di singole misurazioni viene ricavata una riga completa della matrice dello spazio k
8. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 7 caratterizzato dal fatto che in ogni fase di lettura in uscita vengono letti in uscita segnali di risonanza nucleare in y intervalli di tempo fissi (ti) pel 1 'eccitazione, nonché dal fatto che di volta in volta i segnali di risonanza nucleari associati ad un determinato intervallo di tempo (ti) vengono registrati in una matrice (RDi) dello spazio k cosicché si ottengono y matrici dello spazia k.
9. Procedimento secondo la rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto che per ogni matrice (RDi) dello spazio k viene effettuata una ricostruzione di Fourier nonché dal fatto che complessi di dati (BDi) , ottenuti dopo la ricostruzione vengono mediati per realizzare un complesso di dati di immagine (BD>.
10. Procedimento secondo la rivendicazione 9, caratter izzato dal fatto che per la media viene effettuata una interpolazione dei complessi di dati, ottenuti dopo la ricostruzione per la correzione di differenti fattori Zoom. Legenda f Frequenza di risonanza AQ Fase di acquisizione dei dati BD Matrice dei dati di immagine GP Gradiente di codifica in fase GR Gradiente di lettura in uscita GS Gradiente di selezione di strato GS Impulso parziale RD Matrice dei dati grez2i RD1-RDY Matrice dello spazio k RF Alta frequenza S Segnale di risonanza nucleare t1 Intervallo di tempo x Luogo