NL8501685A - Kleine hoek spin warp mri. - Google Patents

Description

* * PHN 11.426 j N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Kleine hoek spin warp MRI.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het bepalen van een kernmagnetisatieverdeling in een deel van een lichaam, waarbij een stationair homogeen magneetveld wordt opgewekt, waarin een deel van het lichaam zich bevindt, welke werkwijze de volgende stappen 5 bevat: a) het door middel van een hoogfrequente elektromagnetische puls exciteren van kernspins in een gekozen plak in het lichaam, in aanwezigheid van een eerste magnetische veldgradiënt G+y, waarvan de gra-diëntrichting loodrecht staat op de eerder genoemde plak.

10 b) het inverteren van de richting van de eerste veldgradiënt, Gy en het aanleggen van een tweede en een derde magnetische veldgradiënt, res-_ + pectievelijk Gx en Gg, waarvan de gradiëntrichtingen onderling loodrecht zijn en loodrecht staan op de richting van de eerste veldgradiënt.

15 c) het inverteren van de richting van de tweede veldgradiënt en het tijdens het aanhouden van deze geïnverteerde veldgradiënt, Gx, uitlezen van het resonantiesignaal.

d) het herhalen van de stappen a), b) en c) met telkens voor elke cy- ! clus een andere waarde van de tijdintegraal van de derde veldgra-20 diënt Gx.

De uitvinding heeft verder betrekking op een inrichting voor het bepalen van de kernmagnetisatieverdeling in een deel van het lichaam, welke inrichting bevat: a) middelen voor het opwekken van een stationair homogeen magneetveld, 25 b) middelen voor het opwekken van een hoogfrequente elektromagnetische puls, + c) middelen voor het opwekken van drie magnetische veldgradiënten Gy, __ *

Gx en Gwaarvan de gradiëntrichtingen onderling loodrecht zijn, d) bemonsteringsmiddelen voor het bemonsteren gedurende een meettijd van een met de onder a) en b) genoemde middelen opgewekt resonantiesignaal na conditionering van het resonantiesignaal gedurende een £ & , - f 4 Λ - J _♦ PHN 11.426 -2-

voorbereidingstijd met de met de onder c) genoemde middelen opgewekte veldgradiënt G

e) verwerkingsmiddelen voor het verwerken van de door de bemonsteringsmiddelen geleverde signalen, en 5 f) besturingsmiddelen voor het besturen van de onder b) tot en met e) genoemde middelen voor het opwekken, conditioneren, bemonsteren en verwerken van een aantal resonantiesignalen, waarbij elk resonantie-signaal steeds in een voorbereidingstijd wordt geconditioneerd, waarbij de besturingsmiddelen aan onder c) genoemde middelen stuur-10 signalen toevoeren voor het instellen van de sterkte en/o£ tijdsduur -t* van de veldgradiënt Gz, waarbij telkens na elke cyclus de integraal ·+ van de sterkte over de tijdsduur van de veldgradiënt Gz verschillend is.

Een dergelijke werkwijze is bekend uit EP 0046782.

15 Bij een dergelijke werkwijze, spin warp imaging genoemd, wordt een te onderzoeken lichaam aan een sterk, stationair homogeen magneetveld Bo onderworpen, waarvan de richting samenvalt met bijvoorbeeld de z-as van een carthesisch (x,y,z) coördinatenstelsel. Met het stationaire magneetveld Bo wordt een kleine polarisatie van de in het 20 lichaam aanwezige kernspins verkregen en wordt de mogelijkheid geschapen om kernspins een precessiebeweging om de richting van het magneetveld Bo te laten maken. Na het aanleggen van het magneetveld Bo wordt een magnetische veldgradiënt, fungerend als selectiegradiént, Gy aangelegd en tegelijkertijd een 90® radiofrequentiepuls opgewekt, die de 25 magnetisatierichting van de in een geselecteerde plak aanwezige kernen over een hoek 90® draait. Na het beëindigen van de 90® puls zullen de kernspins gaan precederen rond de veldrichting van het magneetveld Bo en een resonantiesignaal opwekken (FID-signaal). Er worden na de 90® _ _ +> puls tegelijkertijd veldgradiënten Gy, Gx en G% aangelegd waarvan de 30 veldrichting samenvalt met die van het magneetveld Bo en de gradiënt- richtingen in respectievelijk de negatieve y-, negatieve x- en negatie- _ + ve of positieve z-richting staan. De veldgradiënten Gy en G% dienen respectievelijk ter refasering en codering van de kernspins in respectievelijk de y- en z-richting. Na het beëindigen van de drie bovenge- ·+· 35 noemde veldgradiënten wordt een veldgradiënt Gx aangezet om in de x-richting een spinecho van het oorspronkelijke FID-signaal te doen ontstaan.

·"* U ** > ^ J ^ PHN 11.426 -3-

Ter verkrijging van een tweedimensionaal beeld van een geselecteerde plak wordt een meetcyclus een aantal malen herhaal met telkens voor elke cyclus een andere waarde van de tijdintegraal van de £ veldgradiënt Gj. Door nu de spindichtheidswaarden van kernen in een 5 kolom langs de z-as die verkregen zijn uit de Pouriertransofrmaties van de spinechosignalen, te rangschikken naar toenemende grootte van de tijdintegraal van en deze te onderwerpen aan een

Fouriertransformatie, wordt een spindichtheidsdistributie verkregen in de kolom kernen. Een compleet twee-dimensionaal beeld van een ^ geselecteerde plak wordt verkregen wanneer dit voor elke kolom kernen in de plak wordt gedaan.

Volgens de werkwijze beschreven in het octrooischrift EP 0046782, is het voor een maximale spinechosignaalsterkte noodzakelijk tussen twee opeenvolgende meetcycli een zekere wachttijd te betrachten ^ opdat het magnetisch moment M in de longitudinale richting van het stationaire magneetveld Bo, kan relaxeren. Het in acht nemen van een wachttijd tussen elke twee opeenvolgende cycli resulsteert in een relatief lange experimenteertijd hetgeen de kans op artefacten in het beeld ten gevolge van bewegingen van bijvoorbeeld een te onderzoeken patiënt 20 vergroot. Daarbij is het ongunstig een patient ook gedurende deze wachttijd bloot te stellen aan het sterke homogene magnetisch veld Bo.

Het is het doel van de uitvinding in een werkwijze en in een inrichting te voorzien waarmee NMR-beelden worden gemaakt waarbij het wachten tussen elke twee opeenvolgende cycli achterwegen kan blij-25 ven, zodat bovengenoemde nadelen van de bekende werkwijze vermeden kunnen worden.

Een werkwijze van de in de aanhef vermelde soort heeft volgens de uitvinding tot kenmerk dat de hoogfrequente elektromagnetische puls een^'puls is met 04.-X<d90.

30 ^

Het gebruik vano< pulsen met 0<*·£ 90 is weliswaar bekend uit EP 0137420 maar de toepassing hierin beperkt zich tot spin echo imaging. Spin-echo imaging is de werkwijze waarbij een spin echo wordt gecreëerd met behulp van 180® pulsen. Dit in tegenstelling tot spin warp imaging waarbij zoals in onderhavige aanvrage is beschreven, een 35 spinecho wordt geschapen door middel van het aanleggen van een combinatie van veldgradiënten. In de praktijk is het opwekken van pulsen die ,* *— »* -* >> • C ' i o o 0 — PHN 11.426 -4- de magnetische M precies 180* roteren zeer moeilijk. Dit heeft tot gevolg dat na opwekking van een 180* puls de magnetische M bijvoorbeeld onder 170* of 200 " om de richting van het stationaire, homogene magneetveld B0 precedeert, zodat na een aantal cycli de sterkte vna het 5 spin echo signaal steeds kleiner wordt. Immers na elke onzuivere 180* puls zal niet de magnetisatie M zelf maar zijn longitudinale component langs de richting van het homogene magneetveld B0, bijdragen tot het spin echo signaal. Dit nadeel maakt de werkwijze beschreven in EP 0137420 en daarmee de toepassing van σ<* pulsen hierin, in de praktijk onbruikbaar. Door het opwekken van een hoogfrequente elektromagnetische “puls met 0-6=^90 zal de magnetische M onder een hoek o( om de richting van het homogene stationaire magneetveld Bo precederen zodat het uiteindelijk te verkrijgen spinechosignaal evenredig zal zijn met de transversale component Mt van de magnetisatie M. Deze transversale 15 component zal enige tijd na het spinechosignaal niet meer aanwezig zijn -t· doordat enerzijds de veldgradiënt Gx voor een verdere defasering in de x-richting zorgt en anderzijds de grootte van deze component wordt verkleind door T2_relaxatie. De longitudinale component van de magnetisatie M zal echter intussen in grootte zijn vergroot door 20 T-|-relaxatie. Na beëindiging van de meetpenode kan zonder wachttijd of — — ' -— ' ' ................................. —— - 25 30 y y s' / 35

X

s' 2 o υ i 6 ö o ΡΗΝ 11.426 -5- Λ met inachtneming van slechts een zeer korte wachttijd eenzelfde raeetcy-clus worden herhaald. Een tweede ^ ^ puls doet de longitudinale compo-

O

nent van de ten gevolge van de eerste << puls oorspronkelijk onder een hoek om de richting van het stationaire homogene magneetveld Bq 5 precederende magnetisatie M, onder een hoek<A can dezelfde richting pre-cederen. Het uiteindelijk te verkrijgen meetsignaal zal evenredig zijn met de transversale component van de oorspronkelijk longitudinale component van de magnetisatie M.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de 10 uitvinding heeft het kenmerk dat de wachttijd tussen elke twee opeenvolgende cycli gelijk nul is.

Een verdere voorkeursuitvoeringsvorm heeft het kenmerk dat de tijdsduur waarover de derde veldgradiënt G^ wordt aangelegd voor elke cyclus gelijk is.

15

Een verdere voorkeursuitvoeringsvorm heeft het kenmerk dat hetzij iedere cylcus hetzij een of meer herhalingen van een aantal cycli wordt/worden herhaald met verschillende sterkten van de excitatie- ; puls.

Bij het uitvoeren van driedimensionale spin warp imaging kan 20 de uitvinding eveneens worden toegepast. Een werkwijze voor het bepalen van een kernmagnetisatieverdeling in een deel van een lichaam, waarbij een stationair homogeen magneetveld wordt opgewekt, waarin een deel van het lichaam zich bevindt, welke werkwijze de volgende stappen bevat: a) het door middel van een hoogfrequente elektromagnetische puls exci-25 teren van kernspins in een gekozen plak in het lichaam, in aanwezig- ·+ heid van een eerste magnetische veldgradiënt Gy, waarvan de gra-diëntrichting loodrecht staat op de eerder genoemde plak, b) het aanleggen van een tweede, een derde en een vierde magnetische _ r -T· veldgradiënt, respectievelijk Gjj, Gj en Gyf waarvan de gradiëntrich-30 tingen onderling loodrecht zijn en waarvan de richtingen van de tweede en derde veldgradiënt loodrecht staan op de richting van de eerste veldgradiënt.

c) het inverteren van de richting van de tweede veldgradiënt en het tijdens het aanhouden van deze geïnverteerde veldgradiënt G^", uitle-35 zen van het resonantiesignaal, d) het herhalen van de stappen a) , b) en c) met telkens voor elke cyclus een andere waarde van de tijdintegraal van de derde veldgra- -n i .

PHN 11.426 -6- cliënt G%r e) het herhalen van de stappen a), b), c) en d) met een voor elke herhaling telkens verschillende waarde van de tijdintegraal van de vierde veldgradiënt G^T, 5 heeft het kenmerk dat de hoogfrequente elektromagnetische puls een .^"0puls is met 0 -l 90.

Een inrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk de besturingsmiddelen voorgeprogrammeerde computermiddelen omvatten voor het opwekken en toevoeren van stuursignalen aan de middelen voor het ^ opwekken van een hoogfrequente elektromagnetische puls, met welke stuursignalen volgens een voorgeprogrammeerd schema excitatiepulsen met verschillende sterkten opwekbaar zijn. Met een dergelijke inrichting zijn hiervoor beschreven werkwijzen uitvoerbaar, die vrij zijn van de eerder genoemde nadelen zoals reeds werd toegelicht.

15

De uitvinding zal verder worden toegelicht aan de hand van een in figuur 1 weergegeven pulssequentie van een uitvoeringsvoorbeeld. In het uitvoeringsvoorbeeld wordt een rechtsdraaiend orthonormaal assenstelsel beschouwd waarbij een statisch-homogeen, magneetveld B0 langs de z-as en een radiofrequentieveld langs de y-as is gericht. Te- 20 vens zijn er spoelen voor het produceren van Gx, Gy en Gz gradiënten, respectievelijk in de x-, y- en z-richting. Een patiënt is horizontaal gepositioneerd met de z-as Verticaal en de y-as horizontaal langs de lengte van de patiënt.

In interval 1, begrensd door de tijdstippen t=-ta en t=ta, 25 + wordt een magnetische veldgradiënt Gy aangelegd en tegelijkertijd een radiofrequentiepuls opgewekt. (In de praktijk varieert van 40 tot 90 graden). Dit heeft tot gevolg dat in het vlak Y=YQ de kernspins worden geëxciteerd, dat wil zeggen dat de magnetisatie, die gegenereerd wordt door kernspins in het vlak Y=Yg, onder een hoek c< om de z-as prece-30 o deert. Ten gevolge van de bandbreedte van de v< puls worden kernspins niet alleen in het vlak Y=Y0, maar ook in de directe omgevng daarvan geëxciteerd. Door verandering van de frequentie van de tXöpuls kunnen kernspins in een willekeurig ander vlak parallel aan het vlak Y=Y0 worden geëxciteerd.

35

In interval 2, begrensd door de tijdstippen t=ta en t=tfc>/ — _ r worden drie magnetische veldgradiënten Gx, Gy en Gz aangelegd. De +,-notatie geeft aan dat de veldgradiënten Gx en Gy alleen in de negatieve sa ,3 ·» ,ia> '·* Λ V ·· V* Λ ΡΗΝ 11.426 -7- richting en de veldgradiënt Gz zowel in de negatieve als de positieve richting worden aangelegd. Omwille van tijdwinst zijn deze drie veld-gradiënten in hetzelfde tijdinterval aangelegd. Omdat hierin echter .o geen * pulsen worden opgewekt, kunnen de effecten van de veldgradiënten 5 afzonderlijk worden beschouwd. De negatieve gradiënt Gy refaseert de kernspins in de y-richting zó dat de kernsinis die selectief geëxciteerd zijn in en in de directe omgeving van het vlak Y=YQ, geen fasediscriminatie meer kennen in de y-richting. Mathematisch geformuleerd: 10 ί citr — cLt? (refaseringsconditie) (1) t <= (De factor m het linkerlid compenseert voor het feit dat de ^ puls slechts effektief werkt halverwege het interval, begrensd door de tijdstippen t * ta en t * tb).

Aldus wordt het uiteindelijk te verkrijgen signaal gemaximaliseerd. Immers, wanneer de afzonderlijke kernspins uit fase om de z-as zouden ^ precederen, zou de transversale component van de magnetisatie, die e-venredig is met het uiteindelijke meetsignaal, nagenoeg gelijk nul r zijn. De magnetische veldgradiënten Gx en Gz dienen om de kernspins in respectievelijk de x- en z-richting te defaseren. In de laatste richting wordt hierdoor een fasecodering gerealiseerd.

In interval 3, begrensd door de tijdstippen t=*tb en t^t^, 25 ·*.

wordt een positieve gradiënt Gx aangelegd voor het in de x-richting re-faseren van de kernspins, die op het moment dat de fasediscriminering in de x-richgting teniet is gegaan in het vlak Y=Y0 een spinecho zullen vormen. Dit moment, t=tc, vindt men uit de volgende vergelijking: 30 l cib ~ ^ cL'-' (spinecho conditie) (2) 35 Na het tijdstip t=tc worden de kernspins door de gradiënt Gx ih de x- richting verder gedefaseerd. Omdat de magnetisatie M onder een hoek om de z-as precedeert, is het uiteindelijk verkregen spinecho-signaal evenredig met de transversale component M*. .

3 t van de magnetisatie M. Deze . .3 λ *-'»*· ^ y PHN 11.426 -8- transversale component Mt zal na enige tijd niet meer aanwezig zijn doordat enerzijds de veldgradiënt Gx voor een verdere defasering zorgt en anderzijds de grootte van de component verminderd wordt door T2~ relaxatie. De longitudinale component zal intussen in grootte zijn g vergroot door Tj-relaxatie.

Na het tijdstip t=tc kan zonder wachttijd of met inachtneming van slechts een korte wachttijd eenzelfde cyclus worden herhaald. Een radiofrequentiepuls van de volgende cyclus doet de longitudinale

O

component M van de ten gevolge van de eerste X puls onder een hoek om de z-as precederende magnetisatie M onder een hoeki\,preeederen. Het uiteindelijk te verkrijgen signaal is evenredig met de transversale magnetisatie

Mt = sin ei. (3)

De longitudinale magnetisatie is gelijk aan: i 15 cosc*, (4)

Bij een volgende cyclus wordt de component wederom door een K°puls over een hoekK gedraaid en is het uiteindelijk verkregen signaal even- j redig met de transversale component van de component M, .De trans- i S' versale component van component Mt draagt niet bij tot het meetsignaal 20 omdat de veldgradiënt G^" na het spinechosignaal voor een verdere defasering zorgt zodat vóór het begin van een nieuwe cyclus er geen component in de transversale (meet)-richting meer aanwezig is.

De functie van de magnetische veldgradiënt G^“ is het verschaffen van een fasecodering in de z-richting. Wanneer namelijk de ·+· 25 veldgradiënt G£ op tijdstip t = t^ is afgezet, zullen kernen langs de z-richting eenzelfde precessiefrequentie maaar een verschillende pre- cessiefase hebben. De fasehoekverandering die een kern afhankelijk van zijn positie in de z-richting heeft ondergaan, zal evenredig zijn met + de locale sterkte van de veldgradiënt G£\ De som van alle spinvector-30 bijdragen N van een kolom kernen in de z-richtging is evenredig met een specifieke beeldfrequentie in de z-richting ter plaatse van de kolom-

• T

kernen. De grootte van deze som is evenredig met de grootte van G%.

Door bovenstaande cyclus een aantal malen N voor verschil-lende waarden van de veldgradiënt G^" te herhalen, kan een volledig 35 tweedimensionaal N x N beeld van een geselecteerde plak werden verkregen.

o k ' ’ 3 a s

*rf. ·.· *. -V

Claims (7)

1. Werkwijze voor het bepalen van een kernmagnetisatieverde- ling in een deel van een lichaam, waarbij een stationair homogeen magneetveld wordt opgewekt, waarin een deel van het lichaam zich bevindt, welke werkwijze de volgende stappen bevat: 5 a) het door middel van een hoogfrequente elektromagnetische puls exciteren van kernspins in een gekozen plak in het lichaam, in aanwezigheid van een eerste magnetische veldgradiënt Gy, waarvan de gra-diëntrichting loodrecht staat op de eerder genoemde plak, b) het inverteren van de richting van de eerste veldgradiënt, G^”, en W het aanleggen van een tweede en een derde magnetische veldgradiënt, - 1 respectievelijk Gx en G2, waarvan de gradiëntrichtingen onderling loodrecht zijn en loodrecht staan op de richting van de eerste veldgradiënt, c) het inverteren van de richting van de tweede veldgradiënt en het •5 tijdens het aanhouden van deze geïnverteerde veldgradiënt, Gx, uitlezen van het resonantiesignaal, d) het herhalen van de stappen a), b) en c) met telkens voor elke cyclus een andere waarde van de tijdintegraal van de derde veldgra- f* diënt G^V met het kenmerk dat de hoogfrequente elektromagnetische puls een -<T°puls is met 90.

2. Werkwijze volgens conclusie 1 met het kenmerk dat de wachttijd tussen elke twee opeenvolgende cycli gelijk nul is.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2 met het kenmerk dat de je ± tijdsduur waarover de derde veldgradiënt Gz wordt aangelegd voor elke cyclus gelijk is.

4. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk dat hetzij iedee cyclus hetzij een of meer herhalingen van een aantal cycli wordt/worden herhaald met verschillende sterkten van de on ΰ excitatiepuls.

5. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk dat voorafgaand aan een aantal cycli met stappen a) , b) , c) en d) met daarin een herhaald vast patroon van sterkten van excitatiepulsen, op bepaalde tijdafstanden een aantal van deze patronen van excitatie-35 pulsen met tussentijden wordt uitgevoerd.

6. Werkwijze voor het bepalen van een kernmagnetisatieverdeling in een deel van een lichaam, waarbij een stationair homogeen magneet- 8 o 0 ; ? - 5 PHN 11.426 -10- veld wordt opgewekt, waarin een deel van het lichaam zich bevindt, welke werkwijze de volgende stappen bevat: gg a) het door middel van een hoogfrequente elektromagnetische puls exciteren van kernspins in een gekozen plak in het lichaam, in aanwezig- + heid van een eerste magnetische veldgradiënt Gy, waarvan de gra-diëntrichting loodrecht staat op de eerder genoemde plak, b) het aanleggen van een tweede, een derde en een vierde magnetische OS _ r ·£, veldgradiënt, respektievelijk Gx, G^"en Gy, waarvan de gradiëntrich-tingen onderling loodrecht zijn en waarvan de richtingen vcan de tweede en derde veldgradiënt loodrecht staan op de richting van de eerste veldgradiënt, c) het inverteren van de richting van de tweede veldgradiënt en het SZ •h tijdens het aanhouden van deze geïnverteerde veldgradiënt, Gx, uitlezen van het resonantiesignaal, d) het herhalen van de stappen a), b) en c) met telkens voor elke cy clus een andere waarde van de tijdintegraal van de derde veldgra-diënt G^, OZ e) het herhalen van de stappen a) , b), c) en d) met een voor elke herhaling telkens verschillende waarde van de tijdintegraal van de T vierde veldgradiënt Gy” met het kenmerk dat de hoogfrequente elektromagnetische puls een «X^puls is met ^90. SI

7. Inrichting voor het bepalen van de kernmagnetisatieverdeling in een deel van een lichaam, welke inrichting bevat: a) middelen voor het opwekken van een stationair homogeen magneetveld, b) middelen voor het opwekken van een hoogfrequente puls, c) middelen voor het opwekken van vier magnetische veldgradiënten GM _ t ± 1 Gx, en Gy, waarvan de gradiëntrichtingen van de eerste, tweede en derde veldgradiënt, respectievelijk van de tweede, derde en vierde veldgradiënt onderling loodrecht zijn, d) bemonsteringsmiddelen voor het bemonsteren gedurende een meettijd van een met de onder a) en b) genoemde middelen opgewekt resonantie^ signaal na conditionering van het resonantiesignaal gedurende een voorbereidingstijd met de met de onder c) genoemde middelen opgewek- + ± te veldgradiënten Gz en Gy' e) ver werkingsmiddelen voor het verwerken van de door de bemonsteringsmiddelen geleverde signalen, en PHN 11.426 -11- f) besturingsmiddelen voor het besturen van de onder b) tot en met e) genoemde middelen voor het opwekken, conditioneren, bemonsteren en verwerken van een aantal resonantiesignalen, waarbij elk resonantie-signaal steeds in een voorbereidingstijd wordt geconditioneerd, 5 waarbij de besturingsmiddelen aan onder c) genoemde middelen stuur signalen toevoeren voor het instellen van de sterkten en/of tijdsdu- £ i, ren van de veldgradiënten en waarbij met betrekking tot de T veldgradiënt GJ telkens na elke herhaling van cycli de integraal van de sterkte over de tijdsduur van respectievelijk de veldgradiënt G% m i 10 en de veldgradiënt Gy verschillend is, met het kenmerk dat de besturingsmiddelen voorgeprogrammeerde ccmputer- middelen omvatten voor het opwekken en toevoeren van stuursignalen aan de middelen voor het opwekken van een hoogfrequente elektromagnetische puls, met welke stuursignalen volgens een voorgeprogrammeerd schema ex-15 citatiepulsen met verschillende sterkten opwekbaar zijn. 20 25 30 35 P p i s ή uï " i ‘ -J j