DE10044424C2 - Verfahren zum Betreiben eines Kernspintomographiegerätes, wobei ein ortsaufgelöster Navigatorstab zur Positionsüberwachung eines zu untersuchenden Objektes gewonnen wird - Google Patents
Verfahren zum Betreiben eines Kernspintomographiegerätes, wobei ein ortsaufgelöster Navigatorstab zur Positionsüberwachung eines zu untersuchenden Objektes gewonnen wirdInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Kern
spintomographie (KST, Synonym: Magnetresonanztomographie) wie
sie in der Medizin zur Untersuchung von Patienten Anwendung
findet. Dabei bezieht sich die vorliegende Erfindung insbe
sondere auf ein Kernspintomographiegerät sowie ein Verfahren
zum Betreiben eines solchen, bei denen eine sogenannte EPI-
Pulssequenz verwendet wird um einen sogenannten ortsaufgelös
ten Navigatorstab in Körperlängsachse zu gewinnen.
Die Kernspintomographie ist ein Schnittbildverfahren für die
medizinische Diagnostik, das sich in erster Linie durch ein
hohes Kontrastauflösungsvermögen auszeichnet. Aufgrund der
hervorragenden Darstellbarkeit des Weichgewebes hat sich die
Kernspintomographie zu einem der Röntgen-Computertomographie
vielfach überlegenen Verfahren entwickelt. Die Kernspintomo
graphie basiert heute auf der Anwendung von Spinecho- und
Gradientenecho-Sequenzen, die bei Meßzeiten in der Größen
ordnung von Minuten eine exzellente Bildqualität ermöglichen.
In vielen Bereichen der medizinischen Diagnostik ist es von
Interesse physiologische Prozesse durch Kernspintomographie
aufnahmen darzustellen. Dazu ist es notwendig diese physio
logischen Prozesse mit dem entsprechenden Kernspintomogra
phieverfahren zu synchronisieren.
Eine typische Anwendung ist die Überwachung der Herzposition
bei Herzaufnahmen. Zur Gewinnung der Positionsinformation
dient zum Beispiel vorteilhaft ein Profil der Spindichte in
einem Stab in Körperlängsachse, dem sogenannten Navigator
stab.
Der Begriff "Navigator" hat in der Fachwelt keine einheitli
che Bedeutung. So werden in dem Verfahren von DE 197 15 113 A1
mit einer EPI-Sequenz drei Referenzechos S1 +, S2 -, S3 + ge
wonnen aus deren Phasendifferenz ein weiteres Referenzecho
S2 + interpoliert wird. Derartige Referenzechos dienen zur
Korrektur von Maschinenfehlern und werden zwar als Navigator
echos bezeichnet, haben aber mit der Positionsermittlung ei
nes zu untersuchenden Objektes - wie sie in der vorliegenden
Erfindung beabsichtigt ist - nichts zu tun.
Ebenso werden in EP 0 909 958 A2 bzw. US 6 037 771 zwischen
den eigentlichen Messungen zusätzliche Messungen (Navigator-
Echos) dazwischengestreut die eine Referenz darstellen anhand
derer die Rohdaten nachträglich phasenkorrigiert werden kön
nen. Auch dies hat jedoch nichts mit Navigatoren im Sinne der
vorliegenden Erfindung zu tun, in der ein Navigatorstab ge
wonnen wird um die örtliche Position eines zu untersuchenden
Objektes während einer MRT-Messung zu bestimmen.
Auch in US 5 539 312 werden Navigationsmessungen (im Sinne
von Referenzmessungen) durchgeführt durch die jedoch bewe
gungsbedingte Artefakte ermittelt und korrigiert werden sol
len, während in der vorliegenden Erfindung die eigentliche
Messung durch die Auswertung eines gemessenen Navigatorstabes
getriggert wird.
Im Stand der Technik wird ein Navigatorstab üblicherweise
durch eine Spinechosequenz gewonnen, deren selektive 90°- und
180°-RF-Pulse gemäß Fig. 3 gekreuzte Schichtebenen 25, 26 be
sitzen. Das Spinecho entsteht so ausschließlich im Schnitt
bereich 27 der beiden Schichtebenen 25, 26.
Diese Methode hat jedoch den schwerwiegenden Nachteil, daß
die Längsmagnetisierung in beiden Schichten 25, 26 und auch im
Schnittbereich 29 mit dem Meßvolumen 28 gesättigt bzw. inver
tiert wird. Daher müssen die Orientierungen der beiden Ebenen
25, 26 so gewählt werden, daß sie das Volumen der folgenden
Bildmessung 28 nicht schneiden.
Dies hat neben einer schwierigen Handhabung zur Folge, daß
z. B. die Herzbewegung durch Atmung nicht direkt gemessen wer
den kann, sondern aus der Bewegung der besser zugänglichen
anderen Zwerchfellhälfte abgeleitet werden muß.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Verfahren
zum Betreiben eines Kernspintomographiegerätes bereitzustel
len, das die Gewinnung eines Navigatorstabs ermöglicht, ohne
das Meßvolumen für die nachfolgende Messung zu beeinträchti
gen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren
zum Betreiben eines Kernspintomographiegerätes gemäß Anspruch
1 gelöst, wobei eine EPI-Pulssequenz zur Gewinnung eines
ortsaufgelösten Navigatorstabes zur Positionsüberwachung ei
nes zu untersuchenden Objektes während einer Kernspinuntersu
chung verwendet wird. Dabei werden zunächst die Spins mit ei
nem Anregungsimpuls (RF) mit kleinem Flipwinkel α < 90° ange
regt. Nach Einschalten eines Schichtselektions-Gradienten
(GS) und eines Phasenkodier-Gradienten (GP) werden durch ei
nen oszillierenden Auslese-Gradienten (GR) nach Einstrahlen
des Anregungsimpuls (RF) mehrere Gradientenechos erzeugt. Da
bei liefert die selektive Anregung mit kleinem Flipwinkel
α < 90° ein Signal, das unter Phasencodierung ausgelesen und
zur Gewinnung des Navigatorstabes verwendet wird. Die Phasen
kodierung erfolgt in einer zur Schichtselektions- und Ausle
serichtung senkrechten Richtung.
Durch die Schichtselektionsrichtung wird eine Navigator
schicht festgelegt. Diese ist üblicherweise parallel zu einer
bei einer nachfolgenden Messung verwendeten Meßschicht ange
ordnet.
Der oszillierende Auslesegradient (GR) umfaßt positive und
negative Gradientenhalbwellen, wobei die Echos beider Gra
dientenhalbwellen bzw. nur die je einer Halbwelle zur Gewin
nung des Navigatorstabes verwendet werden.
Die Signale einer Spalte/Zeile der durch die Schichtselek
tionsrichtung festgelegten Navigatorschicht werden durch ge
wichtete Addition zu einem Summenecho, aus dem der Navigator
stab berechnet wird, addiert.
Erfindungsgemäß wird weiter ein Kernspintomographiegerät zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß An
spruch 6 vorgeschlagen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden
Erfindung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen bezug
nehmend auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Kernspintomographiegerät,
Fig. 2 zeigt schematisch eine klassische EPI-Pulssequenz,
Fig. 3 zeigt schematisch die mit EPI gemessene Navigator
schicht parallel zur Meßschicht, und
Fig. 4 zeigt schematisch das stabförmige Navigatorecho, er
zeugt durch gekreuzte schichtselektive 90°- und
180°-RF-Pulse gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kernspin
tomographiegerätes zur Erzeugung eines Kernspinbildes eines
Objektes gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau des
Kernspintomographiegerätes entspricht dabei dem Aufbau eines
herkömmlichen Tomographiegerätes. Ein Grundfeldmagnet 1 er
zeugt ein zeitlich konstantes starkes Magnetfeld zur Polari
sation bzw. Ausrichtung der Kernspins im Untersuchungsbereich
eines Objektes, wie z. B. eines zu untersuchenden Teils eines
menschlichen Körpers. Die für die Kernspinresonanzmessung er
forderliche hohe Homogenität des Grundmagnetfeldes ist in ei
nem kugelförmigen Meßvolumen M definiert, in das die zu un
tersuchenden Teile des menschlichen Körpers eingebracht wer
den. Zur Unterstützung der Homogenitätsanforderungen und ins
besondere zur Eliminierung zeitlich invariabler Einflüsse
werden an geeigneter Stelle sogenannte Shim-Bleche aus ferro
magnetischem Material angebracht. Zeitlich variable Einflüsse
werden durch Shim-Spulen 2 eliminiert, die durch eine Shim-
Stromversorgung 15 angesteuert werden.
In den Grundfeldmagneten 1 ist ein zylinderförmiges Gradien
tenspulensystem 3 eingesetzt, das aus drei Teilwicklungen be
steht. Jede Teilwicklung wird von einem Verstärker 14 mit
Strom zur Erzeugung eines linearen Gradientenfeldes in die
jeweilige Richtung des kartesischen Koordinatensystems ver
sorgt. Die erste Teilwicklung des Gradientenfeldsystems 3 er
zeugt dabei einen Gradienten Gx in x-Richtung, die zweite
Teilwicklung einen Gradienten Gy in y-Richtung und die dritte
Teilwicklung einen Gradienten Gz in z-Richtung. Jeder Ver
stärker 14 umfaßt einen Digital-Analog-Wandler, der von einer
Sequenzsteuerung 18 zum zeitrichtigen Erzeugen von Gradien
tenpulsen angesteuert wird.
Innerhalb des Gradientenfeldsystems 3 befindet sich eine
Hochfrequenzantenne 4, die die von einem Hochfrequenzleis
tungsverstärker 30 abgegebenen Hochfrequenzpulse in ein mag
netisches Wechselfeld zur Anregung der Kerne und Ausrichtung
der Kernspins des zu untersuchenden Objektes bzw. des zu un
tersuchenden Bereiches des Objektes umsetzt. Von der Hochfre
quenzantenne 4 wird auch das von den präzedierenden Kernspins
ausgehende Wechselfeld, d. h. in der Regel die von einer Puls
sequenz aus einem oder mehreren Hochfrequenzpulsen und einem
oder mehreren Gradientenpulsen hervorgerufenen Kernspinecho
signale, in eine Spannung umgesetzt, die über einen Verstär
ker 7 einem Hochfrequenz-Empfangskanal 8 eines Hochfrequenz
systems 22 zugeführt wird. Das Hochfrequenzsystem 22 umfaßt
weiterhin einen Sendekanal 9, in dem die Hochfrequenzpulse
für die Anregung der magnetischen Kernresonanz erzeugt wer
den. Dabei werden die jeweiligen Hochfrequenzpulse aufgrund
einer vom Anlagenrechner 20 vorgegebenen Pulssequenz in der
Sequenzsteuerung 18 digital als Folge komplexer Zahlen darge
stellt. Diese Zahlenfolge wird als Real- und als Imaginäran
teil über jeweils einen Eingang 12 einem Digital-Analog-
Wandler im Hochfrequenzsystem 22 und von diesem einem Sende
kanal 9 zugeführt. Im Sendekanal 9 werden die Pulssequenzen
einem Hochfrequenz-Trägersignal aufmoduliert, dessen Basis
frequenz der Resonanzfrequenz der Kernspins im Meßvolumen
entspricht.
Die Umschaltung von Sende- auf Empfangsbetrieb erfolgt über
eine Sende-Empfangsweiche 6. Die Hochfrequenzantenne 4
strahlt die Hochfrequenzpulse zur Anregung der Kernspins in
das Meßvolumen M ein und tastet resultierende Echosignale ab.
Die entsprechend gewonnenen Kernresonanzsignale werden im
Empfangskanal 8 des Hochfrequenzsystems 22 phasenempfindlich
demoduliert und über einen jeweiligen Analog-Digital-Wandler
in Realteil und Imaginärteil des Meßsignals umgesetzt. Durch
einen Bildrechner 17 wird aus den dergestalt gewonnenen Meß
daten ein Bild rekonstruiert. Die Verwaltung der Meßdaten,
der Bilddaten und der Steuerprogramme erfolgt über den Anla
genrechner 20. Aufgrund einer Vorgabe mit Steuerprogrammen
kontrolliert die Sequenzsteuerung 18 die Erzeugung der je
weils gewünschten Pulssequenzen und das entsprechende Abtas
ten des k-Raumes. Insbesondere steuert die Sequenzsteuerung
18 dabei das zeitrichtige Schalten der Gradienten, das Aus
senden der Hochfrequenzpulse mit definierter Phase und Ampli
tude sowie den Empfang der Kernresonanzsignale. Die Zeitbasis
für das Hochfrequenzsystem 22 und die Sequenzsteuerung 18
wird von einem Synthesizer 19 zur Verfügung gestellt. Die
Auswahl entsprechender Steuerprogramme zur Erzeugung eines
Kernspinbildes sowie die Darstellung des erzeugten Kernspin
bildes erfolgt über ein Terminal 21, das eine Tastatur sowie
einen oder mehrere Bildschirme umfaßt.
Fig. 2 zeigt schematisch eine klassische EPI-Pulssequenz.
EPI steht für "echoplanare Bildgebung' ("echo planar ima
ging").
Zunächst wird durch das Gradientenfeldsystems 3 (Fig. 1) ein
phasierender Schichtselektionsgradient angelegt und während
dessen durch den Hochfrequenzleistungsverstärker 30 (Fig. 1)
ein Hochfrequenz-Anregungsimpuls abgegebenen.
Nach dem Anregungsimpuls werden alle Gradienten für kurze
Zeit in eine dephasierende Richtung geschaltet. Der im An
schluß daran zusammen mit dem positiv geschalteten Phasen
kodiergradienten angelegte Auslesegradient hat einen oszil
lierenden Verlauf, das heißt, er umfaßt positive und negative
Gradientenhalbwellen, die z. B. sinusförmig ausgeprägt sind.
Dadurch werden in Ausleserichtung mehrere Gradientenechos er
zeugt und dem Hochfrequenz-Empfangskanal 8 des Hochfrequenz
systems 22 (Fig. 1) zugeführt. Die Phasenkodierung erfolgt
in diesem Beispiel durch einen permanent eingeschalteten Pha
senkodiergradienten.
In Fig. 3 ist die erfindungsgemäße Lösung dargestellt. Durch
eine selektive Anregung in einer ersten Querrichtung mit
kleinem Flipwinkel α < 90° wird mittels Schichtselektions
gradienten eine sogenannte "Navigatorschicht" 23 definiert.
Die selektive Anregung erzeugt ein Signal, das unter Phasen
codierung in einer zur Schichtselektions- und Ausleserichtung
senkrechten Richtung ausgelesen wird und zwar mit oszillie
rendem Auslesegradienten welcher mehrere Gradientenechos er
zeugt.
Um im Gegensatz zum reinen EPI einen eindimensionalen orts
aufgelösten Navigatorstab zu gewinnen, muß typischerweise nur
eine einzelne Spalte bzw. Zeile der Navigatorschicht rekon
struiert werden. Dabei können die Echos beider Gradienten
halbwellen oder zur Vermeidung der Zeitraster-Ausrichtungs
probleme nur die je einer Halbwelle genutzt werden, da es nur
einer sehr groben Auflösung bedarf (Größenordnung 2 cm).
Es bietet sich an, die phasencodierten Signale durch gewich
tete Addition zu einem Summenecho zu vereinen, das dann nach
einer eindimensionalen Fouriertransformation die gewünschte
Stabprojektion liefert.
Wenn die für nachfolgende Messungen verwendete Meßschicht 24
normalerweise parallel zur Navigatorschicht 23 gewählt wird,
kommt es zu keiner störenden Sättigung bzw. Invertierung der
Längsmagnetisierung in einem Schnittbereich wie gemäß dem
Stand der Technik.
Navigatorschicht und Meßschicht dürfen sich, falls sich dies
nicht vermeiden läßt, bei sehr kleinem Flipwinkel (α < 30°),
aber auch schneiden, da dann die Relaxationszeit der Spins
sehr kurz ist und somit eine hohe Meßwiederholrate möglich
ist.
Claims (6)
1. Verfahren zum Betreiben eines Kernspintomographiegerätes,
wobei eine EPI-Pulssequenz zur Gewinnung eines ortsaufgelös
ten Navigatorstabes zur Positionsüberwachung eines zu unter
suchenden Objektes während einer Kernspinuntersuchung verwen
det wird,
aufweisend folgende Schritte:
- - Anregung der Spins mit einem Anregungsimpuls (RF) mit ei nem kleinen Flipwinkel α < 90°,
- - Einschalten eines Schichtselektions-Gradienten (GS)
- - Einschalten eines Phasencodier-Gradienten (GP)
- - Erzeugen multipler Gradientenechos durch einen oszillie renden Auslese-Gradienten (GR) zum Erzeugen mehrerer Gra dientenechos nach dem Anregungsimpuls (RF),
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine durch die Schichtselektionsrichtung festgelegte Na
vigatorschicht (23) parallel zu einer bei einer nachfolgenden
Messung verwendeten Meßschicht (24) wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der oszillierende Auslesegradient (GR) positive und nega
tive Gradientenhalbwellen umfaßt, wobei die Echos beider Gra
dientenhalbwellen zur Gewinnung des Navigatorstabes verwendet
werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der oszillierende Auslesegradient (GR) positive und nega
tive Gradientenhalbwellen umfaßt, wobei die Echos nur je ei
ner Gradientenhalbwelle zur Gewinnung des Navigatorstabes
verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Signale einer Spalte bzw. Zeile der durch die
Schichtselektionsrichtung festgelegten Navigatorschicht (23)
durch gewichtete Addition zu einem Summenecho addiert werden,
aus dem der Navigatorstab berechnet wird.
6. Kernspintomographiegerät zur Durchführung des Verfahrens
nach Patentanspruch 1 bis 5 mit Einrichtungen zur Erzeugung
und Einstrahlung der EPI-Pulssequenz auf ein zu untersuchen
des Objekt, wobei die EPI-Pulssequenz aufweist:
den Anregungsimpuls (RF) zur Anregung der Spins mit einem kleinen Flipwinkel α < 90°,
den Schichtselektionsgradienten (GS),
den Phasencodiergradienten (GP), und
den oszillierenden Auslesegradienten (GR) zum Erzeugen meh rerer Gradientenechos nach dem Anregungsimpuls (RF).
den Anregungsimpuls (RF) zur Anregung der Spins mit einem kleinen Flipwinkel α < 90°,
den Schichtselektionsgradienten (GS),
den Phasencodiergradienten (GP), und
den oszillierenden Auslesegradienten (GR) zum Erzeugen meh rerer Gradientenechos nach dem Anregungsimpuls (RF).
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