DE19901007C1

DE19901007C1 - Frequenz- und ortsselektive HF-Pulsfolge für ein Magnetresonanzgerät und Kernspintomograph

Info

Publication number: DE19901007C1
Application number: DE19901007A
Authority: DE
Inventors: Oliver Heid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-01-13
Filing date: 1999-01-13
Publication date: 2000-08-17
Anticipated expiration: 2019-01-14
Also published as: US6342786B1

Abstract

Ein Kernspintomograph weist eine HF-Einrichtung zur Erzeugung von HF-Pulsen und eine Magneteinrichtung zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes und eines dieses überlagernden Magnetfeldgradienten auf, wobei die HF-Einrichtung ausgebildet ist, eine frequenz- und ortsselektive HF-Pulsfolge zur resonanten kernmagnetischen Anregung eines ersten Mediums und Unterdrückung der Anregung eines zweiten Mediums zu erzeugen, wobei das Frequenzspektrum der Pulse so gewählt ist, daß für das zweite Medium der räumliche Resonanzbereich von Pulsen bei einer ersten Polarität des Magnetfeldgradienten mit dem räumlichen Resonanzbereich von HF-Pulsen bei entgegengesetzter Polarität des Magnetfeldgradienten im wesentlichen übereinstimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine frequenz- und ortsselektive HF- Pulsfolge für Magnetresonanzgeräte und einen Kernspintomo graphen zur Erzeugung derartiger HF-Pulsfolgen.

Bei der Kernspintomographie oder Magnetresonanztomographie wird mit Hilfe eines Hochfrequenzfeldes im Megahertz-Bereich und eines ortsabhängigen Magnetfeldes die scharfe Resonanzab sorption der Kernmagnetisierung magnetischer Kerne in biolo gischem Gewebe zur Erzeugung eines in-vivo-Abbildes des menschlichen Körpers genutzt. Alle Atomkerne mit ungerader Protonen- oder Neutronenzahl besitzen einen Eigendrehimpuls und daher ein magnetisches Kernmoment. Mit Abstand am größten ist die Nachweisempfindlichkeit jedoch für Protonen, die Ker ne von Wasserstoffatomen. Dabei hängt die genaue Kernreso nanzfrequenz (Lamorfrequenz) von der chemischen Umgebung des jeweiligen Protons ab. Beispielsweise ist die Resonanzfre quenz von Wasserstoffkernen in freiem Wasser gegenüber derje nigen in aliphatischer Bindung (Fett) um etwa 3 ppm (parts per million), d. h. ca. 130 Hertz bei einer Feldstärke von 1,0 Tesla verschoben.

Da bei der Kernresonanztomographie die Ortsinformation auf grund des magnetischen Gradientenfeldes in Frequenzen kodiert ist, d. h. die kernmagnetische Resonanzfrequenz ändert sich entlang der Gradientenrichtung (Schichtnormalen), ergibt sich eine räumliche Verschiebung des Fettbildanteils gegenüber dem Wasserbildanteil:

Δx = Δf × B₀/G_r.

Δx Ortsverschiebung durch die chemische Verschiebung,
Δf Resonanzfrequenz zwischen Wasser- und Fettprotonen,
B₀Magnetfeldstärke,
G_r Auslese-Magnetfeldgradient.

Das Verfahren zur Ortsauflösung bei der Kernresonanztomogra phie ist in H. Morneburg, "Bildgebende Systeme für die medi zinische Diagnostik", Erlangen, 1995, in Kapitel 6.2, die chemische Verschiebung in Kapitel 11.2.2 und 11.3.4.2 erläu tert.

Die chemische Verschiebung zwischen Wasser- und Fettabbildung ist für viele diagnostische Anwendungen unerwünscht. Es sind daher Verfahren zur Unterdrückung der chemischen Verschiebung bekannt, bei denen beispielsweise das Fettsignal unterdrückt und nur das Wassersignal dargestellt wird. Derartige Verfah ren und Vorrichtungen zur Darstellung biologischen Gewebes mittels Magnetresonanztomographie sind beispielsweise aus der EP 0 745 865 A1, und der US 5 510 713 sowie der DE 38 10 018 A1 und der DE 38 04 212 A1 bekannt. Bei den in diesen Dokumenten offenbarten Vorrichtungen und Ver fahren wird eine Folge von HF-Pulsen mit bestimmten Eigen schaften zur kernmagnetischen Anregung eines ersten Mediums, z. B. Wasser, und zur Unterdrückung der Anregung eines zweiten Mediums, z. B. Fett, verwendet. Einige der bekannten Vorrich tungen und Verfahren ermöglichen damit die selektive Darstel lung eines ersten Mediums, z. B. Wasser, und eines zweiten Me diums, z. B. Fett, abhängig von der gewünschten Anwendung. Die DE 35 43 854 A1 offenbart ein Kernspintomographieverfahren bzw. eine Anordnung zur Durchführung eines derartigen Verfah rens, wobei eine Pulsfolge von jeweils 3 HF-Pulsen mit bipo laren Magnetfeldgradienten verwendet werden, um Bilder zu er zeugen, die nur die Fettverteilung zeigen bzw. Bilder, die nur die Wasserverteilung zeigen.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren zur Unterdrückung der chemischen Verschiebung wird beispielsweise eine Unterdrü ckung des Fettsignales und eine ausschließliche Darstellung des Wassersignales erreicht durch eine zeitlich genau abge stimmte Pulsfolge von HF-Anregungspulsen, mit der selektiv nur die Wasserprotonen angeregt werden, während die kernmag netische Anregung der Fettprotonen unterdrückt wird. Das Ver fahren ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. In Fig. 2a sind die HF-Pulse, in Fig. 2b der Magnetfeldgradient G_Z in der Schichtnormalen dargestellt. Der erste HF-Puls zum Zeitpunkt t₁ erzeugt beispielsweise eine Drehung des Präzessionswinkels der magnetischen Kernmomente um einen Winkel α/4. Der zweite HF-Puls zum Zeitpunkt t₂ erzeugt eine Winkeländerung um α/2 und der dritte Puls zum Zeitpunkt t₃ wieder eine Winkelände rung um α/4. Falls die drei HF-Pulse in Phase abgestrahlt werden, ergibt sich für resonante Kerne eine Gesamtwinkelver änderung um α, beispielsweise 90°. Zur selektiven Anregung nur der Wasserprotonen ist der zeitliche Abstand t₂-t₁ der ersten beiden Pulse und t₃-t₂ des zweiten und dritten Pulses so gewählt, daß in dieser Zeitperiode gerade eine Phasenver schiebung von 180° zwischen den präzessierenden Wasserstoff protonen und Fettprotonen eintritt. Die durch die einzelnen HF-Pulse erzeugten Winkelverschiebungen der Fettprotonen ad dieren sich nicht, sondern subtrahieren sich. Die Winkelver änderungen bei den Wasser- und Fettprotonen ergibt sich daher wie folgt:

Wasser: 0 → α/4 → α/4 → 3α/4 → 3α/4 → α,

Fett: 0 → α/4 → -α/4 → α/4 → -α/4 → 0.

Dabei bedeutet der 1., 3. und 5. Pfeil jeweils die Winkelän derung durch den 1., 2. bzw. 3. HF-Puls und der 2. und 4. Pfeil die Winkeländerung aufgrund freier Präzession.

So wird eine Anregung lediglich der Wasserprotonen präpa riert. Die Fettprotonen erzeugen bei einer folgenden Messung kein Signal. Diese Unterdrückung ist jedoch aufgrund des bei dem zweiten HF-Puls gegenüber dem ersten und dritten HF-Puls umgekehrten Magnetfeldgradienten nicht vollständig. Der räum liche Bereich, in dem die genannte Phasenbeziehung zwischen den Einzelpulsen für beide Richtungen des Magnetfeldgradien ten erfüllt ist, ist nur sehr schmal. In beidseitig daneben liegenden Randbereichen ist die Fettunterdrückung daher un vollständig und es treten (störende) Fettsignale auf.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine frequenz- und ortsselektive HF-Pulsfolge für ein Magnet resonanzgerät vorzuschlagen, bei der eine zuverlässige Unter drückung der Anregung eines zweiten Mediums, beispielsweise Fett, erreicht wird.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Magnetresonanz- Bildgebungsverfahren gemäß Anspruch 1 mit einer frequenz- und ortsselektive HF-Pulsfolge mit bipolarem selektiven Magnet feldgradienten zur kernmagnetischen Anregung eines ersten Me diums und Unterdrückung der Anregung eines zweiten Mediums, wobei die Pulsfolge drei zeitlich äquidistante Pulse auf weist, wobei die beiden äußeren Pulse eine Drehung der Kern magnetisierung von erstem und zweitem Medium um einen ersten Winkel und der mittlere Puls eine Drehung der Kernmagnetisie rung des ersten Mediums um den doppelten Betrag des ersten Winkels in derselben Richtung und der Kernmagnetisierung des zweiten Mediums um den doppelten Winkel in entgegengesetzter Richtung bewirkt, wobei der Abstand zwischen den Pulsen so gewählt ist, daß er einer Phasendifferenz von 180° zwischen den präzedierenden Kernmagnetisierungen der beiden Medien entspricht, und wobei das Frequenzspektrum der HF-Pulse so ge wählt ist, daß für das zweite Medium der räumliche Resonanz bereich von Pulsen bei einer ersten Polarität des Magnetfeld gradienten mit dem räumlichen Resonanzbereich von HF-Pulsen mit entgegengesetzter Polarität des Magnetfeldgradienten im wesentlichen übereinstimmt.

Durch die Frequenzkompensation für das zu unterdrückende Me dium kann eine fast vollständige Unterdrückung der Signale von diesem Medium, beispielsweise Fett, erreicht werden. Die damit einhergehende Abschwächung des Signals von dem ersten Medium fällt demgegenüber für die zu erreichende Bildqualität weniger ins Gewicht.

Die Wahl der Winkel bleibt dabei dem Fachmann entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall überlassen.

Die Erfindung betrifft auch einen Kernspintomographen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer HF- Einrichtung zur Erzeugung von HF-Pulsen und einer Magnetein richtung zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes und ei nes damit überlagerten Magnetfeldgradienten, wobei die HF- Einrichtung ausgebildet ist, die in Anspruch 1 definierte frequenz- und ortsselektive HF-Pulsfolge zu erzeugen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnun gen im Detail erläutert, in denen

Fig. 1a die Kernmagnetisierung des ersten Mediums ent lang der Schichtnormalen gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 1b die Kernmagnetisierung des zweiten Mediums ent lang der Schichtnormalen gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 2a die Kernmagnetisierung des ersten Mediums ent lang der Schichtnormalen mit einem herkömmlichen Verfah ren zeigt;

Fig. 2b die Magnetisierung des zweiten Mediums entlang der Schichtnormalen bei dem herkömmlichen Verfahren zeigt;

Fig. 3a eine HF-Pulsfolge zur Fettunterdrückung zeigt; und

Fig. 3b den zugehörigen Magnetfeldgradienten in Richtung der Schichtnormalen zeigt.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer frequenz- und ortsselektiven HF-Pulsfolge mit bipolarem selektivem Magnet feldgradienten. Die Abstände zwischen den Pulsen (t₂-t₁ und t₃-t₂) sind so gewählt, daß die verstrichene Zeitdauer zwi schen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen gerade einer Phasen verschiebung der Lamorpräzession zwischen dem zu selektieren den Medium (beispielsweise Wasser) und dem zu unterdrückenden Medium (beispielsweise Fett) von 180° entspricht. Mit dem ersten Puls zum Zeitpunkt t₁ sind die Kernmagnetisierungen beider Medien in Phase. Bis zum Zeitpunkt t₂ sind sie um 180° "auseinandergelaufen", so daß ein weiterer Magnetfeldpuls auf beide Medien gerade eine entgegengesetzte Winkeländerung (+α/2 bzw. -α/2) bewirkt. Mit dem dritten Puls stellt sich dann eine Gesamtwinkeländerung von α bei dem zu selektieren den Medium und von 0 bei dem zu unterdrückenden Medium ein. An dieser Stelle sei erwähnt, daß die in Fig. 3 gezeigte Pulsfolge zur selektiven Anregung eines Mediums nur exempla risch dargestellt ist und der Fachmann auch andere geeignete Pulsfolgen einsetzen kann.

Fig. 1a zeigt die Kernmagnetisierung des zu selektierenden Mediums (Wasser) und Fig. 1b die Kernmagnetisierung des zu unterdrückenden Mediums (Fett) entlang der Schichtnormalen (Z-Achse) durch eine erfindungsgemäße HF-Pulsfolge. Die Fre quenz des zweiten HF-Pulses ist gegenüber dem ersten und dritten HF-Puls so gewählt, daß der räumliche Resonanzbereich für das zu unterdrückende Medium der Pulse entgegengesetzter Polarität (erster und dritter Puls gegenüber zweitem Puls) übereinstimmt. Der erste und dritte Puls ruft eine negative Kernmagnetisierung hervor, deren Summe an jedem Punkt der Z- Achse gerade von der durch den dritten Puls erzeugten positi ven Magnetisierung kompensiert wird. So wird die Fettanregung vollständig unterdrückt und es treten keine unerwünschten Fett-Störsignale auf. Aufgrund der umgekehrten Polarität des Gradientenmagnetfeldes tritt dagegen bei dem zu selektieren den Medium Wasser eine Verschiebung des räumlichen Anregungs bereichs zwischen erstem und dritten Puls einerseits und zweitem Puls andererseits auf, wie in Fig. 1a skizziert ist. Die aus der Pulsfolge resultierende Gesamtmagnetisierung ist so entlang der Z-Achse verbreitert, was eine gewisse Vermin derung des Signal-Rausch-Verhältnisses des Nutzsignals be wirkt. Der Nutzen der weitgehend vollständigen Unterdrückung der Fett-Komponente überwiegt diesen Nachteil für die meisten Anwendungen jedoch bei weitem.

In Fig. 2 ist die entsprechende, durch eine frequenz- und ortsselektive HF-Pulsfolge hervorgerufene Magnetisierung ent lang der Schichtnormalen z dargestellt, wobei jedoch eine herkömmliche Frequenzkompensation bezüglich des zu selektie renden Mediums gewählt wurde. Die durch die drei Pulse her vorgerufenen Kernmagnetisierungen für das zu selektierende Medium Wasser stimmen in ihrer räumlichen Verteilung überein und addieren sich so, während es bei der Fett-Magnetisierung zu einer Verschiebung des Schichtprofils der einzelnen Pulse kommt. Dies führt dazu, daß die Randbereiche jeweils nur im Anregebereich eines der HF-Pulse einer Gradientenpolarität liegen, während die anderen HF-Pulse an dieser Stelle bereits nicht mehr wirken. Die Fettunterdrückung ist in den Randbe reichen daher unvollständig (siehe schraffierter Bereich in Fig. 2b).

Eine Verschiebung von z. B. 10% erzeugt bei der bekannten Me thode für fett-frequente Spins 20% zusätzliche Schichtrandbe reiche, deren Signal die erreichbare Fettunterdrückung auf ca. 20% begrenzt, so daß ein erhebliches unerwünschtes Stör signal verbleibt, während bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine praktisch vollständige Fettunterdrückung möglich ist.

Claims

1. Magnetresonanz-Bildgebungsverfahren, wobei frequenz- und ortsselektive HF-Pulsfolgen mit bipolarem selektiven Magnet feldgradienten zur resonanten kernmagnetischen Anregung eines ersten Mediums und Unterdrückung der Anregung eines zweiten Mediums erzeugt werden, wobei
die Pulsfolge drei zeitlich äquidistante Pulse aufweist, wo bei die beiden äußeren Pulse eine Drehung der Kernmagnetisie rung von erstem und zweitem Medium um einen ersten Winkel α/4 und der mittlere Puls eine Drehung der Kernmagnetisierung des ersten Mediums um einen Winkel α/2 in der gleichen Richtung und der Kernmagnetisierung des zweiten Mediums um einen Win kel α/2 in der entgegengesetzten Richtung bewirkt,
der zeitliche Abstand zwischen den Pulsen einer Phasendiffe renz von 180° zwischen den im Magnetfeld präzessierenden Kernmagnetisierungen des ersten gegenüber dem zweiten Medium entspricht, und
das Frequenzspektrum der Pulse so gewählt ist, daß für das zweite Medium der räumliche Resonanzbereich von HF-Pulsen bei einer ersten Polarität des Magnetfeldgradienten mit dem räum lichen Resonanzbereich von HF-Pulsen entgegengesetzter Pola rität des Magnetfeldgradienten im wesentlichen übereinstimmt.

2. Magnetresonanz-Bildgebungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Medium Wasser und das zweite Medium Fett ist.

3. Kernspintomograph zur Durchführung des Verfahrens nach An spruch 1 oder 2, mit einer HF-Einrichtung zur Erzeugung von HF-Pulsen und ei ner Magneteinrichtung zur Erzeugung eines konstanten Magnet felds und eines dieses überlagernden Magnetfeldgradienten, wobei die HF-Einrichtung ausgebildet ist, eine frequenz- und ortsselektive HF-Pulsfolge zur resonanten kernmagnetischen Anregung eines ersten Mediums und Unterdrückung der Anregung eines zweiten Mediums zu erzeugen, wobei das Frequenzspektrum der Pulse so gewählt ist, daß für das zweite Medium der räum liche Resonanzbereich von Pulsen bei einer ersten Polarität des Magnetfeldgradienten mit dem räumlichen Resonanzbereich von HF-Pulsen bei entgegengesetzter Polarität des Magnetfeld gradienten im wesentlichen übereinstimmt.