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Diese Erfindung betrifft im allgemeinen eine Magnetresonanzspektroskopie und insbesondere eine Volumenspektroskopie, bei der der chemische Verschiebungsfehler verringert ist.
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Die volumenlokalisierte Magnetresonanzspektroskopie wurde zu einem nützlichen und routinemäßigen klinischen Werkzeug insbesondere für die Erfassung von Anomalien, die zu diffusen chemischen Veränderungen im Gehirn führen. Mehrere Verfahren sind zur direkten Anregung von Spins in einem in Frage kommenden Volumen und zum Erreichen einer dreidimensionalen Auswahl bekannt, die die Verwendung stimulierter Echos und von Carr-Purcell-Echos enthalten. Bei diesen Verfahren wird ein lokalisiertes Spektrum bei einer einzelnen Abtastung erhalten. Beispielsweise wird bei der punktaufgelösten Spektroskopie (PRESS, siehe
US 4 480 228 A ) eine Drei-Impuls-Folge verwendet, bei der jeder Impuls frequenzselektiv ist.
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Viele wichtige klinische Anwendungen der Protonen-Magnetresonanz-Spektroskopieabbildung MRSI beruhen auf der Phasenkodierung eines eingeschränkten Anregungsvolumens. Typischerweise wird die Volumenanregung unter Verwendung der PRESS erreicht, die sich den Vorteil dreier orthogonaler Schnitte in der Form eines Doppel-Spin-Echos zur Auswahl eines bestimmten in Frage kommenden Bereichs zunutze macht. Die Schwäche dieses Ansatzes besteht allerdings darin, daß der Bereich der chemischen Verschiebungsfrequenzen (über 200 Hz für Protonen bei 1,5 T) nicht unwesentlichen bezüglich der begrenzten Bandbreite der meisten Anregungsimpulse (1000–2000 Hz) ist. Die Folge ist eine Fehlregistrierung des in Frage kommenden Volumens für chemische Verschiebungsfrequenzen, die sich nicht an der Senderfrequenz befinden. Dies ist in 1 dargestellt. Der chemische Verschiebungsfehler verursacht die größte Schwierigkeit bei Signalen, die durch den Übergangsbandabschnitt (f) des RF-Profils angeregt werden. Abgesehen von dem Abschnitt des Durchlaßbandes, das den in Frage kommenden chemischen Verschiebungsfrequenzen (c) gemeinsam ist, wird jede Resonanz unterschiedlich angeregt. Wird somit ein PRESS-Volumen durch eine Magnetresonanz Spektroskopieabbildung (MRSI) aufgelöst, hängen die chemischen Niveaus nicht nur vom Gewebeniveau T1 und T2, sondern auch vom Ort in dem in Frage kommenden Volumen ab. Die einzige Ausnahme besteht innerhalb der Grenzen des gemeinsamen Durchlaßbandes (RF-Durchlaßband (a) – chemischer Verschiebungsfehler (d)). Innerhalb der Übergangsbänder hängt die Größe des Fehlers vom chemischen Verschiebungsfehler und der Form des Übergangsbandes ab. Eine wesentliche Größe ist der Unterschied der Anregung an den Extremen der gewünschten chemischen Verschiebung über 90% des Übergangsbandes: Max_Fehler = chemische Verschiebungsbandbreite·(Steigung des Übergangsbandes). Dabei wird angenommen, daß das Übergangsband relativ linear ist und die Steigung die Übergangsbandbreite darstellt, über die die Anregung von 5% auf 95% des Spitzenwerts ansteigt. Diese Werte können 40% für 90°-Anregungen und 60% bei Nachfokussierimpulsen überschreiten, die bei der PRESS verwendet werden.
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Zur Verringerung der Unsicherheit ortsabhängiger Änderungen bei der Messung der Gewebeniveaus und Spitzenwertverhältnisse bei Fokalanwendungen der MRSI ist es wichtig, die prozentuale Selektivität (definiert zu: (Durchlaßband/(Durchlaßband + Übergangsbänder))·100) zu maximieren und den prozentualen chemischen Verschiebungsfehler (definiert zu: ((chemische Verschiebungsbandbreite)/(effektive RF-Bandbreite))·100 zu minimieren. Bei B1-Feldern von ~0,2 Gauss typischer klinischer Abtasteinrichtungen ist es schwierig, bei der PRESS erforderliche Nachfokussierimpulse mit einer Selektivität größer als 59% und einem chemischen Verschiebungsfehler geringer als 20% für einen chemischen Verschiebungsbereich von 3,4 ppm bei 1,5 T zu entwickeln.
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Da die Selektivität bei einer Fokal-MRSI-Anwendung sowohl durch die Übergangsbandbreite als auch die chemische Verschiebung begrenzt ist, wird herkömmlicherweise die tatsächliche Selektivität wie folgt definiert: % Selektivität_mrsi = ((Durchlaßband – chemischer Verschiebungsfehler)/(Durchlaßband + Übergangsbänder + chemischer Verschiebungsfehler))·100. Mit dieser Definition würde eine wie vorstehend beschriebene typische Selektivität lediglich 46% für einen Nachfokussierimpuls und ungefähr 52% für eine typische 90°-Anregung betragen. Bei einer Selektivität von weniger als 50% müssen außerhalb dieser Selektivität aufgelöste Volumenelemente entweder ignoriert oder für das Anregungsprofil korrigiert werden. Es wäre allerdings vorzuziehen, die Fokal-MRSI-Selektivität zur Vermeidung dieser Korrekturen und begleitenden Annahmen zu verbessern.
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Die
US 5 537 039 A von Le Roux et al. mit dem Titel ”Virtual Frequency Encoding of aquired NMR Image Data” befaßt sich mit diesem Problem durch Verzerrung der phasenkodierten Frequenzen zur Anpassung an die Schnittauswahl-Fehlerregistrierung. Dies wird durch Hinzufügen einer Evolutionszeitkodierung zu jedem Phasenkodierungsinkrement bewirkt. Der Nachteil für die Spektroskopieabbildung besteht in der Auswirkung der Evolutionszeitkodierung auf gekoppelte Spins und der Auswirkung einer Anregung großer Signale wie Lipiden außerhalb des in Frage kommenden Volumens.
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Bei D. C. Shungu, J. D. Glickson, ”Sensitivity and localization enhancement in multinuclear in vivo NMR spectroscopy by outer volume presaturation”, Magn. Reson. Med. 30 (1993), S. 661–671, ist ein Verfahren beschrieben, bei dem durch selektive Pulse die Spins in einem Bereich außerhalb des VOI bzw. ROI dephasiert werden, so dass das Signal innerhalb des scharf abgegrenzten Messvolumens ohne Einfaltung von räumlich weiter außerhalb liegenden Signalen aufgenommen werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend angeführten Probleme zu lösen. Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Magnetresonanz-Spektroskopieabbildung gemäß Patentanspruch 1 bereitgestellt.
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Erfindungsgemäß wird eine Volumenanregung wie PRESS mit sehr selektiven Sättigungsimpulsen außerhalb des Volumens zur Unterdrückung eines Signals von außerhalb des in Frage kommenden Volumens, d. h. zur Unterdrückung eines Signals von außerhalb des Messvolumens, und zur Minimierung des chemischen Verschiebungsfehlers in diesem Volumen kombiniert. Die Verwendung äußerst selektiver Sättigungsbänder auf jeder Seite des in Frage kommenden Volumens, d. h. Messvolumens, beseitigt die PRESS-Anregung außerhalb des in Frage kommenden Orts-/Frequenzbandes und der damit verbundenen chemischen Verschiebung. Signale werden dann aus dem in Frage kommenden Volumen, d. h. Messvolumen, erfaßt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
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1 einen Fehler, der aus der chemischen Verschiebung in einem ausgewählten Schnitt bei einer Magnetresonanz-Spektroskopieabbildung nach dem Stand der Technik resultiert,
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2A–2D die Anordnung einer herkömmlichen MRI-Vorrichtung und von darin erzeugten Magnetfeldern,
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3 ein schematisches Blockschaltbild einer MRI- und Spektroskopievorrichtung,
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4 eine Volumenanregung mit verringertem chemischem Verschiebungsfehler unter Verwendung von Sättigungsimpulsen gemäß der Erfindung und
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5 eine verbesserte MRSI-Auflösung unter Verwendung der Erfindung.
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2A zeigt eine perspektivische Darstellung einer Spulenvorrichtung in einem Magnetresonanz-Abbildungssystem (MRI-System) teilweise im Schnitt, und die 2B-2D stellen Feldgradienten dar, die in der Vorrichtung in 2A erzeugt werden können. Diese Vorrichtung ist bei Hinshaw und Lent, ”An Introduction to NMR Imaging: From the Bloch Equation to the Imaging Equation”, Proceedings of the IEEE, Band 71, Nr. 3, März 1993, Seiten 338–350, beschrieben. Kurz gesagt wird das gleichmäßige statische Feld B0 durch den ein Spulenpaar 10 umfassenden Magneten erzeugt. Ein Gradientenfeld G(x) wird durch einen komplexen Gradientenspulensatz erzeugt, der über einen Zylinder 12 gewickelt werden kann. Ein RF-Feld (Hochfrequenzfeld) B1 wird durch eine RF-Spule 14 erzeugt. Eine untersuchte Probe wird entlang der Z-Achse in der RF-Spule 14 positioniert.
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In 2B ist ein X-Gradientenfeld gezeigt, das auf dem statischen Magnetfeld B0 senkrecht steht und sich linear mit der Entfernung entlang der X-Achse verändert aber nicht mit der Entfernung entlang der Y- oder Z-Achse. Die 2C und 2D zeigen ähnliche Darstellungen jeweils des Y- und des Z-Gradientenfeldes.
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3 zeigt ein Blockschaltbild einer Magnetresonanz-Abbildungsvorrichtung (MRI-Vorrichtung). Ein Computer 20 ist zur Steuerung des Betriebs der MRI-Vorrichtung programmiert und verarbeitet daraus erfaßte FID-Signale. Das Gradientenfeld wird durch einen Gradientenverstärker 22 angeregt, und die RF-Spulen zur Erzeugung des B1-Feldes an der Larmor-Frequenz werden durch einen Sender 24 und eine RF-Spule 26 gesteuert. Nachdem die ausgewählten Kerne angeregt worden sind, werden die RF-Spulen 26 zur Erfassung des FID-Signals verwendet, das einem Empfänger 28 zugeführt und dann über einen Digitalisierer 30 dem Computer 20 zur Verarbeitung zugeführt wird.
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Erfindungsgemäß wird ein Volumenanregungsimpuls wie PRESS mit Sättigungsimpulsen außerhalb des Volumens zur Unterdrückung einer Relaxationssignalwiederherstellung außerhalb des in Frage kommenden Volumens kombiniert. Die
US 5 821 752 A von Patrick L. LeRoux mit dem Titel ”Real Time RF Pulse Construction for NMR Measurement Sequences” offenbart ein Verfahren zur Ausbildung derartiger Sättigungsimpulse außerhalb des Volumens.
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Wie es in dieser anhängigen Anmeldung beschrieben ist, wird der RF-Impuls für die NMR-Impulsfolge in dem NMR-System unter Verwendung eines inversen SLR-Transformationsverfahrens entwickelt. Die für die SLR-Transformation erforderlichen Polynome werden unter Verwendung eines gewichteten Kleinste-Mittlere-Quadrate-(WLMS-)Vorgangs berechnet, bei dem eine Anfangsgewichtungsfunktion zusammen mit dem gewünschten Impulsprofil angewendet wird, das durch den Bediener des MRI-Systems eingegeben wird. Der Bediener kann auch das Phasenprofil als Eingabe für den WLMS-Vorgang bestimmen. Insbesondere wird das gewünschte Impulsprofil des(ω) eingegeben, eine Gewichtungsfunktion W(ω) berechnet, ein Satz von SLR-Polynomen unter Verwendung eines gewichteten Kleinste-Mittlere-Quadrate-Vorgangs mit dem gewünschten Impulsprofil des(ω) und der Gewichtungsfunktion W(ω) als Eingangssignale berechnet, und die SLR-Polynome in einem inversen SLR-Vorgang zur Erzeugung eines RF-Impulssignalverlaufs R(t) angewendet. Der RF-Impuls kann in dem MRI-System im Ansprechen auf ein von dem Bediener vor einer den RF-Impuls verwendenden Abtastung bestimmtes RF-Impulsprofil erzeugt werden.
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Zusätzlich zur Bestimmung der Größe der Anregung als Funktion der Frequenz kann die RF-Impulsprofilbestimmung auch eine Phasenbestimmung enthalten. In diesem Fall wird die Phasenbestimmung bzw. Phasenspezifizierung auch für den gewichteten Kleinste-Mittlere-Quadrate-Vorgang eingegeben, und dieser Vorgang kann einmal oder mehrere Male zur Erfüllung der gewünschten Größenbestimmung wiederholt werden.
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Zusätzlich zu sehr schmalen Übergangsbandbreiten weisen diese Sättigungsimpulse sehr große effektive RF-Bandbreiten und daher einen sehr kleinen chemischen Verschiebungsfehler auf. Mit diesen Sättigungsimpulsen ist es möglich, ein lokalisiertes Volumen mit einer prozentualen Selektivitäts MRSI von bis zu 99% zu definieren. Das Problem bei der Definition eines Volumens lediglich mit einer Sättigung außerhalb des Volumens besteht darin, daß, wenn das gewünschte Volumen viel kleiner als das gesamte angeregte Volumen wird, die Selektivität abfällt, und selbst die relativ gemäßigte Relaxationswiederherstellung des gesättigten Signals das Ergebnis in dem in Frage kommenden Volumen gefährden kann.
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Erfindungsgemäß wird eine Kombination der PRESS und äußerst selektiver Sättigungsimpulse außerhalb des Volumens zur Verbesserung der Selektivität und zur erheblichen Verringerung chemischer Verschiebungsfehler bei einer Fokal-MRSI verwendet. Das Konzept ist in 4 dargestellt. Bei diesem Verfahren werden äußerst selektive Sättigungsbänder (g) zur Beseitigung des PRESS-Anregungsvolumens außerhalb des gemeinsamen Durchlaßbandes verwendet (c). Die neue Vorschrift (j) schränkt das in Frage kommende Volumen derart ein, daß es lediglich von den äußerst selektiven Sättigungsbändern für seine prozentuale Selektivitäts_MRSI abhängt. Durch Einschränkung der Betriebslast der Sättigungsbänder auf die Gesamtübergangsbänder (f) kann die Breite der Sättigungsbänder eingeengt werden und Probleme mit der Relaxationswiederherstellung des gesättigten Signals minimiert werden. 5 stellt die Auswirkung einer 1 cm-MRSI-Auflösung eines herkömmlichen 10 cm-Rx-PRESS-Volumens gegenüber einem 10 cm-Rx mit dem äußerst selektiven PRESS-Volumen dar.
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Vorstehend ist ein Verfahren zur Minimierung eines chemischen Verschiebungsfehlers bei einer Magnetresonanz-Spektroskopieabbildung durch Kombination einer Volumenanregung mit Sättigungsimpulsen außerhalb des Volumens zur Unterdrückung einer Relaxationssignalwiederherstellung außerhalb des in Frage kommenden Volumens beschrieben.
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Erfindungsgemäß wird ein chemischer Verschiebungsfehler bei einer Protonen-Magnetresonanz-Spektroskopie durch Anlegen einer Volumenanregungsimpulsfolge wie PRESS und äußerst selektiver Sättigungsimpulse außerhalb des Volumens zur Begrenzung dieses Volumens auf ein in Frage kommendes Volumen verringert, das frei von Fehlerregistrierungsfehlern ist, die mit der Anregungsfolge verbunden sind. Das resultierende Volumen ist dann lediglich durch die sehr kleine chemische Verschiebungsfehlerregistrierung der äußerst selektiven Sättigungsimpulse beschränkt.
