DE19626255A1

DE19626255A1 - Verfahren der lokalisierten NMR-Spektroskopie zur Messung überlappender Signale von gekoppelten Spinsystemen

Info

Publication number: DE19626255A1
Application number: DE19626255A
Authority: DE
Inventors: Juergen Prof Dr Hennig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-06-29
Filing date: 1996-06-29
Publication date: 1998-01-02
Anticipated expiration: 2016-06-30
Also published as: DE19626255C2; GB2314934B; US5955883A; GB9713717D0; GB2314934A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der lokalisierten MR-Spektroskopie mit einer Abfolge von Hochfrequenz-(HF)-Impul sen zur Anregung und Refokussierung von Spins in zu untersu chenden Metaboliten in einem Untersuchungsvolumen, wobei die Anregung durch einen HF-Impuls schmaler Bandbreite in Anwe senheit eines Schichtselektionsgradienten erfolgt, sowie ge gebenenfalls einer weiteren Einschränkung des Untersuchungs volumens durch Verwendung von Refokussierungsimpulsen schma ler Bandbreite in Anwesenheit jeweils orthogonaler Schicht selektionsgradienten.

Ein solches Verfahren ist bekannt aus NMR in Biomedicine, Vol. 2, No. 5/6, 1989, 216-224.

Die lokalisierte NMR-Spektroskopie ist ein wichtiges Verfah ren zur Diagnose, Verlaufskontrolle und Erforschung ver schiedener Krankheitsverläufe. Das Problem der Lokalisierung des Zielvolumens wird bei den gängigen Verfahren durch An wendung sogenannter Schichtselektionspulse erreicht. Dabei wird im allgemeinen von einem Puls eine Selektion in einer Raumrichtung bewirkt, so daß zur Lokalisation eines dreidi mensionalen Zielvolumens eine Folge von drei solcher Pulse unter jeweils orthogonalen Gradienten Anwendung findet. Je nach Art des erzeugten Signals führt dies zum sogenannten STEAM (stimulierten Echo)- oder PRESS (Spinecho)-Selektions verfahren. Eine weitere Separation der Signale innerhalb ei nes selektierten Volumens wird üblicherweise durch Anwendung von Phasenkodiergradienten erreicht. Diese Verfahren sind als chemical shift imaging (CSI) bekannt.

Ein Problem aller dieser Lokalisationstechniken liegt darin, daß die Anwendung der benötigten Verfahrensschritte eine zeitliche Verzögerung te zwischen der Signalanregung und der Detektion bedingt. In dieser Zeit findet ein Zerfall des zu beobachtenden Signals zum einen auf Grund der Relaxations zeit T2 (bei STEAM auch T1) statt. Dieser Effekt ist z. B. im Falle der Protonenspektroskopie bei Verwendung von technisch ohne weiteres realisierbaren Auslesezeiten von te=20-30 ms gering, da die Relaxationszeiten der üblicherweise beobach teten Metaboliten im Bereich mehrerer hundert Millisekunden liegt und daher nur eine geringe Signalabschwächung erfolgt.

Gravierender sind Signalverluste, welche die Signale gekop pelter Substanzen betreffen. Bei j-gekoppelten Spinsystemen erfahren die Einzelsignale der auftretenden Multiplett-Si gnale eine von der (den) Kopplungskonstanten abhängige unter schiedliche Dephasierung. Überlappen nun solche Multiplett signale, so führt diese Dephasierung zu einem wesentlichen Verlust der beobachteten Signalintensität. So läßt sich zei gen, daß dieser Signalverlust z. B. bei der Beobachtung der in vivo-Signale von Glutamat/Glutamin im Protonenspektrum bereits bei einer Echozeit von 30 ms mehr als 50% beträgt.

Kürzere Echozeiten sind mit neueren Ganzköper-MR-Geräten durchaus realisierbar. Hierbei tritt dann allerdings das Problem auf, daß im Protonenspektrum zusätzlich zu den er wünschten Metabolitensignalen weitere sehr breite Signale von Substanzen mit kurzen Relaxationszeiten im Bereich 1-20 ms in Erscheinung treten. Diese bilden ein breites über lagerndes Untergrundsignal, welches eine Bestimmung der In tensität der erwünschten Signale erheblich erschwert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, diesen Signalverlust zu vermeiden, so daß bei Echozeiten von 20-30 ms im Protonen spektrum, bei welchen die breiten Signale schnell zerfallen der Substanzen abgeklungen sind, die volle Intensität von Multiplettsignalen beobachtet wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe auf ebenso überraschend einfache wie wirkungsvolle Art und Weise dadurch gelöst, daß eine zur Signalerzeugung gewünschte Auslese zeit te durch n-fache Wiederholung einer Teilsequenz von HF-Impulsen und ggf. Gradientenschaltungen in einem zeitlichen Abstand tcp2 voneinander erreicht wird, wobei innerhalb jedes dieser Re fokussierungsintervalle eine Refokussierung der Spins durch einen Refokussierungsimpuls erfolgt.

Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Abhängig keit der Modulation der Signalamplitude gekoppelter Systeme von dem Echointerval tcp einer Refokussierungsperiode in ei ner Spin-echo Sequenz. Eine quantenmechanische Beschreibung hierfür wurde von Allerhand 1966 publiziert (A. Allerhand, J. Chem. Phys. 44,1 (1966)). Er zeigte, daß die Signalamplitude im einfachsten Fall eines AB-Systems (Spin 1/2) mit der Fre quenz J/2 moduliert ist, wobei J die Kopplungskonstante dar stellt. Die Modulationsamplitude hängt von J sowie von der Differenz der chemischen Verschiebung δ zwischen den gekop pelten Signalen ab. So läßt sich zeigen (s. Gleichung 58a in Allerhand), daß die Modulationsamplitude verschwindet, wenn gilt:

Für typische Werte von δ=100 1/s und J=10 1/s sollte tcp kleiner als 10 ms sein, wobei der für ein bestimmtes Experi ment zu wählende Wert stark von der Natur der zu beobachten den Signale abhängt.

Besonders bevorzugt ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die auftretenden Zeitintervalle zwischen Anregungs- und erstem Refokussierungsimpuls innerhalb der Teilsequenz des Refokussierungsintervals sowie dem letzten Refokussierungsimpuls und dem nachfolgenden Signalmaximum entsprechend den Bedingungen zur Ausbildung einer CPMG-Refo kussierungssequenz gewählt werden. Damit wird die NMR-Mes sung stabiler gegen Artefakte aufgrund von Inhomogenitäten des statischen Magnetfeldes.

Bei einer weiteren vorteilhaften Variante des erfindungsge mäßen Verfahrens werden zusätzlich zu den Schichtselektions gradienten weitere Gradientenimpulse angewendet, welche der Unterdrückung von Signalen außerhalb des angeregten Voxels dienen, das Signal aus dem Voxel jedoch unbeeinflußt lassen. Auf diese Weise ergibt sich eine bessere Zuordnung der beob achteten Signale zum untersuchten Meßvolumen.

Alternativ dazu ist eine Verfahrensvariante, bei der die Flipwinkel der der Signalauslesung unmittelbar vorangehenden beiden HF-Impulse so gewählt werden, daß die Signalauslesung in Form eines stimulierten Echos erfolgt, wobei zur weiteren Selektion des stimulierten Echos in das Zeitintervall zwi schen diesen HF-Impulsen zusätzliche Gradientenimpulse ein gefügt werden, welche die Bildung des stimulierten Echos nicht beeinflussen, wohl aber die aller anderen möglichen auftretenden Signale.

Durch die Erzeugung eines stimulierten Echos wird die Mög lichkeit zur verbesserten Artefaktunterdrückung in einem zu sätzlich eröffneten Zeitinterval tm gegeben.

Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens schließlich sieht vor, daß durch Anwendung von Phasenkodier gradienten in mindestens einer Richtung im Zeitintervall zwischen Anregung und Signalauslesung eine weitere Separa tion der Signale im ausgewählten Voxel entsprechend der Methode des Chemical Shift Imaging erreicht wird.

Auf diese Weise erhält man Informationen über mehrere Voxel, was zu einer besseren räumlichen Auflösung führt.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Be schreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfin dungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in be liebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaf ten Charakter für die Schilderung der Erfindung. Die Erfin dung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein zeitliches Schema der Grundsequenz des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den entsprechenden HF-Impulsen (Rf) und Gradientenschaltungen (G_x, G_y und G_z);

Fig. 2 eine Verbesserung der Grundsequenz nach Fig. 1 durch Anwendung von Spoilergradienten;

Fig. 3 eine Verbesserung der Sequenz nach Fig. 2 mit der Pulsabfolge einer CPMG-Selektionssequenz;

Fig. 4 den Vergleich einer herkömmlichen PRESS-Sequenz (linke Bildhälfte) mit Spektren unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Fig. 3 (rechte Bildhälfte);

Fig. 5 eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Erzeugung eines stimulierten Echos und der Anwendung starker Spoilergradienten;

Fig. 6 eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens mit CSI-Phasencodierung;

Fig. 7 eine CSI-Verfahrensvariante mit niedrig-dimensionaler Volumenselektion.

Die Grundsequenz des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgehend von einem PRESS-Volumenselektionsexperiment ist in Fig. 1 dargestellt. Rf bezeichnet hierbei die Hochfrequenzimpulse sowie das durch diese erzeugte Signal. Häufig wird lediglich die abfallende Hälfte (durchgezogene Linien) des auftreten den Spin-Echo Signals acquiriert (sog. Pseudo-FID (free in duction decay)) und der ansteigende Teil (gepunktete Linie) vernachlässigt. G_x, G_y und G_z kennzeichnen die schaltbaren Magnetfeldgradienten. Die in eckigen Klammern gekennzeichne te Refokussierungsschleife im Zeitintervall tcp2 wird n mal wiederholt, so daß sich eine Signalauslesezeit von te = tcp1 + n · tcp2 + tcp3 ergibt.

Die Zuordnung der Gradienten G_x, G_y und G_z zu den gezeigten Hochfrequenzimpulsen ist dabei nicht zwingend. Notwendige und hinreichende Bedingung ist, daß wenigstens dreien der n+3 verwendeten Hochfrequenzimpulse jeweils einer (und nur einer) der drei Gradienten zugeordnet wird. So kann dem Hochfrequenzimpuls innerhalb der durch Klammern angedeuteten n-fachen Wiederholungsschleife durchaus ebenfalls ein Selek tionsgradient in einer der drei Richtungen zugeordnet wer den, wobei die Zuordnung im Wiederholungszyklus auch inner halb der drei Raumrichtungen permutiert werden kann. Gegen über einem herkömmlichen PRESS-Experiment ist das gezeigte Verfahren daher dadurch abgegrenzt, daß die Erreichung einer bestimmten Echozeit nicht durch Variation der Zeitintervalle zwischen den drei zur Volumenselektion notwendigen HF-Impul sen bewirkt wird, sondern durch n-fache Wiederholung eines Refokussierungsintervals mit einer Refokussierungszeit tpc2, welche der in der obigen Gleichung (1) gestellten Bedingung genügt und möglichst kurz ist.

Auf Grund der Bildung unerwünschter Signale durch Wirkung von nur einem der verwendeten Hochfrequenzimpulse auf eine entsprechende Schicht im Untersuchungsvolumen oder durch Wirkung von einem Paar von HF-Impulsen auf ein quaderförmiges Volumen im Schnittvolumen zweier Schichten ist es im allgemeinen vorteilhaft, zusätzliche sogenannte Spoilergradienten zu verwenden, welche zu einer Refokussierung ausschließlich der Signale des Zielvolumens bei gleichzeitiger Dephasierung der unerwünschten Signale führen. Eine Möglichkeit hierzu ist in Fig. 2 dargestellt, wo in den Zeitintervallen tcp1 und tcp3 die angewendeten Spoilergradienten schwarz eingezeichnet sind.

Im allgemeinen ist es vorteilhaft, wenn tcp1=tcp2=tcp3 ge setzt wird. In diesem Fall entspricht die Pulsabfolge einer carr-Purcell-Meiboom Gill (CPMG) Sequenz. Eine vorteilhafte Implementierung dieser Sequenz verwendet dabei Gradienten, welche innerhalb der Multiecho-Schleife nach Fig. 1 so ge schaltet werden, daß die Dephasierung der Spins im Zielvolu men unmittelbar vor Ablauf der Refokussierungsimpulse je weils gleich ist. Eine solche Sequenz ist für die Bildgebung unter ein-dimensionaler Selektion einer Schicht als RARE-Verfahren bekannt und beschrieben (siehe J. Hennig, J. Mag. Res. 78, 397-407 (1988)).

Eine mögliche Realisierung einer solchen CPMG-Selektionsse quenz zur volumenselektiven Spektroskopie ist in Fig. 3 dar gestellt. Andere Möglichkeiten der Anwendung der Gradienten schaltschritte, welche ebenfalls zur Bildung des erwünschten Signals bei gleichzeitiger Unterdrückung unerwünschter Si gnale führen, lassen sich vom Fachmann aus der Grundsequenz nach Fig. 1 ohne weiteres herleiten.

Die mit einer Fig. 3 entsprechenden Sequenz bewirkte Signal verbesserung der Signale gekoppelter Multipletts gegenüber einer herkömmlichen PRESS-Sequenz ist in Fig. 4 in verglei chenden Messungen anhand von in vivo Protonenspektren am Ge hirn eines Probanden (Voxelgröße 2 × 2 × 2 cm³, 2T Ganzkör persystem (Bruker S 200 Avance), 64 Mittelungen) augenfällig dargestellt. So wird gezeigt, daß der schnelle Signalabfall der Signale von Glutamat und Glutamin im Bereich von 2-2,5 ppm und 3,5-3,8 ppm wirkungsvoll vermieden wird. Dabei ist in der linken Bildhälfte von Fig. 4 das Ergebnis einer her kömmlichen PRESS-Sequenz bei Auslesezeiten te zwischen 10 und 80 ms gezeigt, während die rechte Bildhälfte von Fig. 4 entsprechende Spektren mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Fig. 3 darstellt. Im Bereich jeweils zweier gepunkte ter senkrechter Linien sind die Signale von Glutamat/Glut amin wiedergegeben.

Es ist auch möglich und unter Umständen sinnvoll, einen der zur volumenselektiven Signalgebung angewandten Selektions schritte als sogenanntes stimuliertes Echo durchzuführen. Insbesondere, wenn dies - wie in Fig. 5 gezeigt - der letzte Schritt vor der Signalauslesung ist, ermöglicht dies die Einfügung weiterer und sehr starker Spoilergradienten in ei nem Zeit-Interval tm zur Unterdrückung unerwünschter Signa le. Zur Optimierung der Signalintensität wird hierbei der Flipwinkel der beiden letzten Hochfrequenzimpulse auf 90 Grad gesetzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch ohne weiteres mit Verfahren des chemical shift imaging (CSI) verbinden. In Fig. 6 ist dies für den Fall eines CSI-Experimentes in einem selektierten Volumen gezeigt, wobei dies durch Variation ei nes zusätzlichen Phasenkodiergradienten, im gezeigten Bei spiel in Richtung des Gradienten G_y, erfolgt. Entsprechend dem Stand der Technik läßt sich eine solche CSI-Phasenkodie rung natürlich in jeder beliebigen anderen Richtung anwen den. Auch zwei- oder drei-dimensionale CSI-Experimente las sen sich vom Fachmann aus der hier gezeigten Sequenz ohne weiteres herleiten.

Auch ist bei CSI auf Grund der zusätzlichen Phasenkodierung eine drei-dimensionale Volumenselektion nicht zwingend er forderlich und auch nicht immer sinnvoll. So lassen sich un ter Wegfall von einem oder mehreren der in Fig. 6 gezeigten Schichtselektionsgradienten ohne weiteres CSI-Experimente in entsprechend niedrig-dimensionaler Volumenselektion reali sieren. Fig. 7 zeigt als Realisierungsbeispiel eine Sequenz ganz ohne Volumenselektion, jedoch mit drei-dimensionaler Phasenkodierung.

Claims

1. Verfahren der lokalisierten MR-Spektroskopie mit einer Abfolge von Hochfrequenz-(HF)-Impulsen zur Anregung und Refokussierung von Spins in zu untersuchenden Me taboliten in einem Untersuchungsvolumen, wobei die An regung durch einen HF-Impuls schmaler Bandbreite in Anwesenheit eines Schichtselektionsgradienten erfolgt, sowie gegebenenfalls einer weiteren Einschränkung des Untersuchungsvolumens durch Verwendung von Refokussie rungsimpulsen schmaler Bandbreite in Anwesenheit je weils orthogonaler Schichtselektionsgradienten, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Signalerzeugung gewünschte Auslesezeit te durch n-fache Wiederholung einer Teilsequenz von HF-Impulsen und ggf. Gradientenschaltungen in einem zeitlichen Abstand tcp2 voneinander erreicht wird, wo bei innerhalb jedes dieser Refokussierungsintervalle eine Refokussierung der Spins durch einen Refokussie rungsimpuls erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auftretenden Zeitintervalle zwischen Anregungs- und erstem Refokussierungsimpuls innerhalb der Teilse quenz des Refokussierungsintervals sowie dem letzten Refokussierungsimpuls und dem nachfolgenden Signalma ximum entsprechend den Bedingungen zur Ausbildung ei ner CPMG-Refokussierungssequenz gewählt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß zusätzlich zu den Schichtselektionsgradienten weitere Gradientenimpulse angewendet werden, welche der Unterdrückung von Signalen außerhalb des angereg ten Voxels dienen, das Signal aus dem Voxel jedoch un beeinflußt lassen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß die Flipwinkel der der Signalauslesung unmit telbar vorangehenden beiden HF-Impulse so gewählt wer den, daß die Signalauslesung in Form eines stimulier ten Echos erfolgt, wobei zur weiteren Selektion des stimulierten Echos in das Zeitintervall zwischen die sen HF-Impulsen zusätzliche Gradientenimpulse einge fügt werden, welche die Bildung des stimulierten Echos nicht beeinflussen, wohl aber die aller anderen mögli chen auftretenden Signale.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß durch Anwendung von Phasen kodiergradienten in mindestens einer Richtung im Zei tintervall zwischen Anregung und Signalauslesung eine weitere Separation der Signale im ausgewählten Voxel entsprechend der Methode des Chemical Shift Imaging erreicht wird.