DE3701850A1 - Verfahren und anordnung zur bestimmung der raeumlichen und spektralen verteilung der kernmagnetisierung in einem untersuchungsbereich - Google Patents
Verfahren und anordnung zur bestimmung der raeumlichen und spektralen verteilung der kernmagnetisierung in einem untersuchungsbereichInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der
räumlichen und spektralen Verteilung der Kernmagneti
sierung in einem Untersuchungsbereich, wobei in Anwesen
heit eines homogenen stationären Magnetfeldes auf den
Untersuchungsbereich eine Anzahl von Sequenzen einwirkt,
die je einen ersten Hochfrequenzimpuls und danach zwei
180°-Hochfrequenzimpulse sowie von Sequenz zu Sequenz
geänderte magnetische Gradientenfelder umfassen, wobei
wenigstens eines der beiden in Abwesenheit von magne
tischen Gradientenfeldern auftretenden Spin-Echo-Signale
einer Fourier-Transformation unterzogen wird, sowie eine
Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Ein solches Verfahren ist aus der EP-OS 1 06 226, Fig. 3
bekannt. Der erste Hochfrequenzimpuls hat bei dem be
kannten Verfahren einen Flipwinkel von 90° (der Flipwinkel
ist der Winkel, um den die Kernmagnetisierung aus der
Richtung des stationären homogenen Magnetfeldes gekippt
wird). Die Repetitionszeit - das ist der zeitliche Abstand
zweier aufeinanderfolgender Sequenzen - ist dabei so
gewählt, daß zu Beginn einer Sequenz die Kernmagneti
sierung ihren Ruhewert erreicht hat; der Ruhewert der
Kernmagnetisierung ergibt sich, wenn der Untersuchungs
bereich lediglich dem homogenen stationären Feld ausge
setzt ist. Die Repetitionszeit liegt daher bei einer
Sekunde oder darüber. Wenn man auf diese Weise die spek
trale Verteilung der Kernmagnetisierung in z. B. 64 × 64
Volumenelementen feststellen wollte, wären Meßzeiten von
einer Stunde oder mehr erforderlich, was im medizinischen
Bereich bei weitem zu lang ist. Mit dem bekannten
Verfahren wird daher auch nur die Kernmagnetisierung in
einem oder wenigen Volumenelementen des Untersuchungs
bereichs ermittelt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Meß
zeit wesentlich herabgesetzt wird, ohne daß der Vorteil
des bekannten Verfahrens - die Unabhängigkeit der er
mittelten Kernmagnetisierungsverteilung von Inhomogeni
täten des stationären Magnetfeldes - verloren geht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
der erste Hochfrequenzimpuls einen Flipwinkel von weniger
als 90° aufweist, daß die Repetitionszeiten der Sequenzen
so kurz sind, daß bei Beginn einer Sequenz die Kernmagne
tisierung ihren Ruhewert noch nicht erreicht hat, und daß
den Sequenzen, deren Spin-Echo-Signale einer Fourier-
Transformation unterzogen werden, eine Anzahl weiterer
Sequenzen vorausgeht, bis die Längskomponente der Kern
magnetisierung zu Beginn einer Sequenz jeweils einen
stationären Wert erreicht hat.
Bei der Erfindung hat der erste Hochfrequenzimpuls also
einen Flipwinkel von weniger als 90° und die Sequenzen
folgen so dicht aufeinander, daß die Längskomponente (die
in Richtung des homogenen stationären Magnetfeldes ver
läuft) der Kernmagnetisierung bei Beginn einer Sequenz,
d. h. unmittelbar vor dem Auftreten des ersten Hoch
frequenzimpulses dieser Sequenz, noch nicht ihren ur
sprünglichen Wert wieder erreicht hat. Wenn die Sequenzen
in derart geringem zeitlichen Abstand aufeinander folgen,
nimmt zunächst mit jeder Sequenz die Längskomponente der
Kernmagnetisierung ab - und damit auch die Größe der
Spin-Echo-Signale -, bis ein stationärer Wert erreicht
ist. Erst die nach diesen Anfangssequenzen folgenden
Sequenzen liefern Spin-Echo-Signale, die zur Rekonstruk
tion der spektralen und räumlichen Verteilung der Kern
magnetisierung im Untersuchungsbereich herangezogen werden
können.
Bekanntlich sind die Kernspin-Resonanzsignale, die von
einem Hochfrequenzimpuls erzeugt werden, um so größer, je
größer die Längskomponente der Kernmagnetisierung un
mittelbar vor Beginn dieses Hochfrequenzimpulses war und -
bis zu einem Winkel von 90° - je größer der Sinus des
Flipwinkels des Hochfrequenzimpulses ist. Ein 90°-Hoch
frequenzimpuls hätte zwar den größtmöglichen Sinus des
Flipwinkels, doch würde es relativ lange dauern, bis die
Längskomponente der Kernmagnetisierung einen definierten
Wert - z. B. einen stationären Wert - erreicht hat, weil
diese Komponente unmittelbar nach einem 90°-Hochfrequenz
imuls vollständig verschwunden ist. Bei einer vorgegebe
nen Repetitionszeit bedeutet das, daß die Längskomponente
der Kernmagnetisierung im stationären Zustand - wenn also
so viele Sequenzen erzeugt worden sind, daß die Längs
komponente zu Beginn einer Sequenz nicht weiter abnimmt -
relativ klein ist. Infolgedessen erreicht das Produkt aus
der Längskomponente der Kernmagnetisierung (unmittelbar
vor dem ersten Hochfrequenzimpuls einer Sequenz) und dem
Sinus des Flipwinkels dieses Hochfrequenzimpulses nicht
sein Maximum. Dieses ergibt sich vielmehr erst bei kleine
ren Flipwinkeln, weil dabei der stationäre Wert der Längs
komponente der Kernmagnetisierung mit abnehmendem Flip
winkel zunächst stärker zunimmt als der Sinus des Flip
winkels abnimmt. Aus diesem Grund ist der Flipwinkel des
ersten Hochfrequenzimpulses kleiner als 90°.
Ein 180°-Impuls bewirkt bekanntlich, daß die Längskompo
nente der Quermagnetisierung ihre Richtung umkehrt (d. h.
diese Komponente weist dann nicht mehr in die Richtung des
homogenen stationären Magnetfeldes, sondern in die Gegen
richtung). Wenn daher bei der Erfindung nach dem ersten
Hochfrequenzimpuls (oder eine ungerade Anzahl solcher
Impulse) erzeugt würde, dann würde die unmittelbar vor dem
180°-Hochfrequenzimpuls vorhandene Kernmagnetisierung
invertiert werden, so daß es relativ lange dauern würde,
bis ein stationärer Wert erreicht wäre. Dies hätte wiede
run bei vorgegebener Repetitionszeit zur Folge, daß der
stationäre Wert relativ niedrig und somit die erzeugten
Kernspin-Resonanzsignale relativ klein wären. Dadurch, daß
noch ein zweiter 180°-Hochfrequenzimpuls erzeugt wird,
wird die Längskomponente der Quermagnetisierung wieder in
die ursprüngliche Richtung zurückgedreht, so daß der
stationäre Wert wesentlich schneller erreicht wird.
Die beiden Spin-Echo-Signale, die während jeder Sequenz
entstehen, können addiert oder nach geeigneter T 2-Kali
brierung zur Mittelwertbildung herangezogen werden, so daß
das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert wird. Eine Weiter
bildung der Erfindung sieht demgegenüber vor, daß eines
dieser Gradientenfelder zwischen den beiden Spin-Echo-
Signalen, aber nicht gleichzeitig mit dem zweiten 180°-
Hochfrequenzimpuls, ein- und ausgeschaltet wird. Dadurch
ist es möglich, bei gleichbleibender Anzahl von Bild
punkten die Zahl der zur Bestimmung der spektralen Ver
teilung der Kernmagnetisierung in diesen Bildpunkten
erforderlichen Sequenzen auf die Hälfte zu senken.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß jeweils nach dem zweiten Spin-Echo-Signal ein magne
tisches Gradientenfeld eingeschaltet wird, so daß bei
Beginn der nachfolgenden Sequenz die Querkomponente der
Kernmagnetisierung im Untersuchungsbereich dephasiert
ist. Dadurch wird verhindert, daß die am Ende einer
Sequenz noch verbleibende Querkomponente der Kernmagneti
sierung sich auf die Spin-Echo-Signale der nachfolgenden
Sequenz störend auswirkt.
Die Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver
fahrens, die versehen ist mit einem Magneten zur Erzeugung
eines homogenen stationären Feldes, einer Hochfrequenz-
Spulenanordnung zur Erzeugung eines vom hochfrequenten zum
stationären Feld senkrechten Magnetfeldes, einem Hoch
frequenzgenerator zur Speisung der Hochfrequenz-Spulen
anordnung, Miteln zur Erzeugung von magnetischen Gradien
tenfeldern mit einer Steuereinheit zur Steuerung des Hoch
freqenzgenerators und der Mittel, und mit einer Rechen
einheit zur Verarbeitung der Kernspin-Resonanzsignale, ist
erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine solche Pro
grammierung der Steuereinheit, daß in jeder Sequenz ein
erster Hochfrequenzimpuls mit einem Flipwinkel von weniger
als 90° und zwei 180°-Hochfrequenzimpulse erzeugt werden,
daß die Sequenzen so dicht aufeinander folgen, daß bei
Beginn einer Sequenz der Ruhewert der Kernmagnetisierung
noch nicht erreicht ist, und daß vor der Erzeugung der
Sequenzen, aus denen die räumliche und spektrale Ver
teilung der Kernmagnetisierung abgeleitet wird, eine
Anzahl gleichartiger Sequenzen so oft eingeschaltet wird,
bis die Kernmagnetisierung bei Beginn einer Sequenz einen
stationären Wert erreicht hat.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Gerät für medizinische Kernspinuntersuchungen,
mit denen das erfindungsgemäße Verfahren durchführ
bar ist,
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines solchen Gerätes,
Fig. 3 den zeitlichen Verlauf verschiedener Signale bei
einer Sequenz, und
Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung einer Variante der
Erfindung.
Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Kernspin-Unter
suchungsgerät enthält eine aus vier Spulen 1 bestehende
Anordnung zur Erzeugung eines homogenen stationären
Magnetfeldes, das in der Größenordnung von einigen
Zehntel T bis einigen T liegen kann. Dieses Feld verläuft
in z-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems. Die
zur z-Achse konzentrisch angeordneten Spulen 1 können auf
einer Kugeloberfläche 2 angeordnet sein. Im Innern dieser
Spulen befindet sich der zu untersuchende Patient 20.
Zur Erzeugung eines in z-Richtung verlaufenden und sich in
dieser Richtung linear ändernden Magnetfeldes Gz sind vier
Spulen 3 vorzugsweise auf der gleichen Kugeloberfläche
angeordnet. Weiterhin sich vier Spulen 7 vorgesehen, die
ein ebenfalls in z-Richtung verlaufendes magnetisches
Gradientenfeld (d. h. ein Magnetfeld, dessen Stärke sich in
einer Richtung linear ändert) Gx erzeugen, dessen Gradient
jedoch in x-Richtung verläuft. Ein in z-Richtung ver
laufendes magnetisches Gradientenfeld Gy mit einem Gradien
ten in y-Richtung wird von vier Spulen 5 erzeugt, die die
gleiche Form haben können wie die Spulen 7, die jedoch
diesen gegenüber um 90° versetzt angeordnet sind. Von
diesen vier Spulen sind in Fig. 1 nur zwei dargestellt.
Da jede der drei Spulenanordnungen 3, 5 und 7 zur Erzeu
gung der magnetischen Gradientenfelder Gz, Gy und Gx
symmetrisch zur Kugeloberfläche 2 angeordnet ist, ist die
Feldstärke im Kugelzentrum, das gleichzeitig den Koordi
natenursprung des erwähnten kartesischen xyz-Koordinaten
systems bildet, nur durch das stationäre homogene Magnet
feld der Spulenanordnung 1 bestimmt. Weiterhin ist eine
Hochfrequenzspule 11 symmetrisch zur Ebene z = 0 des
Koordinatensystems angeordnet, die so ausgebildet ist, daß
damit ein im wesentlichen homogenes und in x-Richtung,
d. h. senkrecht zur Richtung des stationären homogenen
Magnetfeldes verlaufendes hochfrequentes Magnetfeld
erzeugt wird. Der Hochfrequenzspule wird während jedes
Hochfrequenzimpulses ein hochfrequenter modulierter Strom
von einem Hochfrequenzgenerator zugeführt. - Im Anschluß
an drei Hochfrequenzimpulse dient die Hochfrequenzspule 11
zum Empfangen des im Untersuchungsbereich erzeugten Echo
signals. Statt dessen kann aber auch eine gesonderte
Hochfrequenz-Empfangsspule verwendet werden.
Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild dieses
Kernspin-Untersuchungsgerätes. Die Hochfrequenzspule 11
ist über eine Umschalteinrichtung 12 einerseits an einen
Hochfrequenzgenerator 4 und andererseits an einen Hoch
frequenzempfänger 6 angeschlossen.
Der Hochfrequenzgenerator 4 enthält einen in seiner
Frequenz digital steuerbaren Hochfrequenzoszillator 40,
der Schwingungen mit einer Frequenz gleich der Larmor
frequenz der anzuregenden Atomkerne bei der von den
Spulen 1 erzeugten Feldstärke liefert. Die Larmor
frequenz f berechnet sich bekanntlich nach der
Beziehung f = cB, wobei B die magnetische Induktion in dem
stationären homogenen Magnetfeld darstellt und c das
gyromagnetische Verhältnis, das beispielsweise für Protonen
42,56 MHz/T beträgt. Der Ausgang des Oszillators 40 ist
mit einem Eingang einer Mischstufe 43 verbunden. Der
Mischstufe 43 wird ein zweites Eingangssignal von einem
Digital-Analog-Wandler 44 zugeführt, dessen Ausgang mit
einem digitalen Speicher 45 verbunden ist. Aus dem
Speicher wird - gesteuert durch eine Steuereinrichtung 15
- eine Folge von ein Hüllkurvensignal darstellenden
digitalen Datenworten ausgelesen.
Die Mischstufe 43 verarbeitet die ihr zugeführten
Eingangssignale so, daß an ihrem Ausgang die mit dem
Hüllkurvensignal modulierte Trägerschwingung erscheint.
Das Ausgangssignal der Mischstufe 43 wird über einen von
der Steuereinrichtung 15 gesteuerten Schalter 46 einem
Hochfrequenz-Leistungsverstärker 47 zugeführt, dessen
Ausgang mit der Umschalteinrichtung 12 verbunden ist.
Diese wird ebenfalls durch die Steuereinrichtung 15
gesteuert.
Der Empfänger 6 enthält einen Hochfrequenzverstärker 60,
der mit der Umschalteinrichtung verbunden ist und dem das
in der Hochfrequenzspule 11 induzierte Echosignal zuge
führt wird, wobei die Umschalteinrichtung den entsprechen
den Schaltzustand haben muß. Der Verstärker 60 besitzt
einen von der Steuereinrichtung 15 gesteuerten Stumm
schalteingang, über den er gesperrt werden kann, so daß
die Verstärkung praktisch Null ist. Der Ausgang des
Verstärkers ist mit den ersten Eingängen zweier multipli
kativer Mischstufen 61 und 62 verbunden, die jeweils ein
dem Produkt ihrer Eingangssignale entsprechendes Ausgangs
signal liefern. Den zweiten Eingängen der Mischstufen 61
und 62 wird ein Signal mit der Frequenz des Oszillators 40
zugeführt, wobei zwischen den Signalen an den beiden Ein
gängen eine Phasenverschiebung von 90° besteht. Diese
Phasenverschiebung wird mit Hilfe eines 90° Phasendreh
gliedes 48 erzeugt, dessen Ausgang mit dem Eingang der
Mischstufe 62 und dessen Eingang mit dem Eingang der
Mischstufe 61 und mit dem Ausgang des Oszillators 40
verbunden ist.
Die Ausgangssignale der Mischstufe 61 und 62 werden über
Tiefpässe 63 und 64, die die vom Oszillator 40 gelieferte
Frequenz sowie alle darüberliegenden Frequenzen unter
drücken und niederfrequente Anteile durchlassen, je einem
Analog-Digital-Wandler 65 bzw. 66 zugeführt. Dieser setzt
die analogen Signale der einen Quadratur-Demodulator
bildenden Schaltung 61 . . . 64 in digitale Datenworte um, die
einem Speicher 14 zugeführt werden. Die Analog-Digital-
Wandler 65 und 66 sowie der Speicher 14 erhalten ihre
Taktimpulse von einem Taktimpulsgenerator 16, der über
eine Steuerleitung von der Steuereinrichtung 15 blockiert
bzw. freigegeben werden kann, so daß nur in einem durch
die Steuereinrichtung 15 definierten Meßintervall die von
der Hochfrequenzspule 11 gelieferten, in den Nieder
frequenzbereich transponierten Signale in eine Folge
digitaler Datenworte umgesetzt und in dem Speicher 14
gespeichert werden können.
Die drei Spulenanordnungen 3, 5 und 7 werden von Strom
generatoren 23, 25 und 27 jeweils mit einem Strom ver
sorgt, dessen zeitlicher Verlauf durch die Steuerein
heit 15 steuerbar ist. Die im Speicher 14 gespeicherten
Datenworte bzw. Abtastwerte werden einem Rechner zuge
führt, der daraus durch eine diskrete Fourier-Transforma
tion die spektrale Verteilung der Kernmagnetisierung
ermittelt und an einer geeigneten Wiedergabeeinheit, z. B.
einem Monitor 18, ausgibt.
Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf verschiedener Signale
und physikalischer Parameter bei einer Sequenz nach der
Erfindung. Zur Zeit t = 0 wird der erste Hochfrequenz
impuls HF 1 (vgl. erste Zeile) einer Sequenz erzeugt.
Gleichzeitig mit dem Hochfrequenzimpuls wird der Strom
generator 23 eingeschaltet, so daß die Gradientenspulen 3
ein magnetisches Gradientenfeld Gz erzeugen (vgl. zweite
Zeile von Fig. 3). Das magnetische Gradientenfeld wechselt
unmittelbar nach dem Ende des Hochfrequenzimpulses HF 1
seine Polarität und wird danach zu einem Zeitpunkt abge
schaltet, der so gewählt ist, daß das zeitliche Integral
über Gz von der Mitte des Hochfrequenzimpulses bis zum
Abschaltzeitpunkt gerade Null ist. Dadurch wird erreicht,
daß die Kernmagnetisierung lediglich in einer Schicht
angeregt wird, deren Dicke von der Bandbreite des Hoch
frequenzimpulses und von der Größe des Gradienten des
magnetischen Gradientenfeldes abhängt. Der Hochfrequenz
impuls, dessen Flipwinkel vorzugsweise zwischen 20° und
50° liegt, bewirkt, daß die Längskomponente der Kernmagne
tisierung, deren zeitlicher Verlauf in der sechsten Zeile
von Fig. 3 dargestellt ist, entsprechend dem Kosinus des
Flipwinkels reduziert wird.
Unmittelbar nach dem Ende des Hochfrequenzimpulses HF 1
werden auch die Stromgeneratoren 25 und 27 von der Steuer
einheit 15 so gesteuert, daß sie für wenige Millisekunden
jeweils einen konstanten Strom liefern, der anschließend
abgeschaltet wird. Dadurch erzeugen die Spulenanord
nungen 5 und 7 magnetische Gradientenfelder Gy und Gx
(vgl. vierte und dritte Zeile), so daß die Phase der Kern
magnetisierung in der angeregten Schicht ortsabhängig
wird. - Nach dem Hochfrequenzimpuls HF 1 nimmt die Längs
komponente der Kernmagnetisierung mit einer durch die
sogenannte Längsrelaxationszeit T 1 bestimmten Geschwindig
keit zu.
Zur Zeit t = t 1, wobei t 1 z. b. 10 msec betragen kann, wird
ein 180°-Hochfrequenzimpuls erzeugt, der die Längs
komponente der Kernmagnetisierung invertiert (vgl. sechste
Zeile von Fig. 3). Dieser 180°-Impuls hat das Entstehen
eines ersten Spin-Echo-Signals SE 1 zur Zeit t = t 2 zur
Folge, wobei t 2 = 2 t 1 ist. Wie aus der fünften Zeile von
Fig. 3 ersichtlich, die den zeitlichen Verlauf des
Signals S 16 am Freigabeeingang des Taktgenerators 16
zeigt, wird der Taktgenerator 16 um den Zeitpunkt t = t 2
herum freigegeben, so daß das von der Hochfrequenzspule 11
gelieferte, in den Niederfrequenzbereich transponierte
Signal SE 1 in eine Folge digitaler Datenworte umgesetzt
und in dem Speicher 14 gespeichert wird.
Zur Zeit t = t 3, wobei t 3 gleich 3 t 1 ist, wird ein weiterer
180°-Hochfrequenzimpuls erzeugt, der bewirkt, daß die dann
noch verbliebene Längskomponente der Kernmagnetisierung
erneut invertiert wird und der zur Zeit t = t 4, d. h. um t 1
später, ein zweites Spin-Echo-Signal SE 2 erzeugt wird.
Wenn dieses zweite Spin-Echo-Signal auftritt, liegt
erneut S 16 an derart, daß auch das Signal SE 2 in eine
Folge digitaler Datenworte umgesetzt und in dem
Speicher 14 gespeichert wird.
Nachdem der Taktgenerator 16 wieder gesperrt ist, steuert
die Steuereinheit 15 einen der Stromgeneratoren 23 . . . 27,
z. B. den Stromgenerator 27, derart, daß die Gradienten
spule 7 während eines definierten Zeitraumes von einem
Strom durchflossen wird, wodurch erneut ein magnetisches
Gradientenfeld Gx ein- und ausgeschalter wird, das dazu
führt, daß die nach dem zweiten Spin-Echo-Signal in der
angeregten Schicht noch verbliebene Querkomponente der
Kernmagnetisierung dephasiert wird, so daß diese Kompo
nente die nachfolgende Sequenz nicht mehr beeinflussen
kann. Die nachfolgende Sequenz beginnt zur Zeit t = tr mit
ihrem ersten Hochfrequenzimpuls HF 2, wobei tr zwischen
sieben und zehnmal so groß ist wie t 1; in diesem Zeitpunkt
hat die Längskomponente gerade wieder ihren stationären
Wert erreicht, der deutlich kleiner ist als der Ruhewert
der Kernmagnetisierung, der sich ergibt, wenn über einen
längeren Zeitraum ausschließlich das von den Spulen 1
erzeugte homogene stationäre Magnetfeld auf den Unter
suchungsbereich eingewirkt hat.
Der zeitliche Verlauf der Hochfrequenzimpulse - und damit
auch die zeitliche Lage der Spin-Echo-Signale SE 1 und SE 2
- bleibt bei der folgenden und allen weiteren Sequenzen
unverändert. Das gleiche gilt im Hinblick auf das magne
tische Gradientenfeld Gz und das Signal S 16. Lediglich die
Amplitude (und/oder die Dauer) des magnetischen Gradien
tenfeldes Gx und/oder des magnetischen Gradientenfeldes Gy
werden von Sequenz zu Sequenz variiert, so daß am Ende der
Untersuchung für eine Vielzahl von Werten Gx und für eine
Vielzahl von Werten Gy die digitalisierten Spin-Echo-
Signale SE 1 und SE 2 vorliegen. Daraus kann durch mehrfache
Fourier-Transformation die räumliche und die spektrale
Verteilung der Kernmagnetisierung in der angeregten
Schicht rekonstruiert werden. Da die Repetitionszeit tr
verhältnismäßig kurz ist, ist die gesamte Meßzeit eben
falls relativ kurz; zur Darstellung der Spektralkompo
nenten in 32 × 32 Bildpunkten beispielsweise ist nur eine
Meßzeit von etwa 70 sec erforderlich. Es ist auch möglich,
die spektrale Verteilung in einem dreidimensionalen Unter
suchungsbereich zu rekonstruieren. In diesem Fall muß
zusätzlich auch noch das magnetische Gradientenfeld Gz
nach dem ersten Hochfrequenzimpuls HF 1 einer Sequenz
variiert werden, wie durch gestrichelte Linien ange
deutet. Die Meßzeiten werden dadurch allerdings ent
sprechend länger.
An sich ist zur Rekonstruktion der Spektralverteilung nur
eines der beiden Spin-Echo-Signale SE 1, SE 2 erforderlich,
wobei zweckmäßigerweise das Signal SE 1 verwendet wird,
weil es wegen des Zerfalls der Querkomponente der Kern
magnetisierung während einer Sequenz die größere Amplitude
hat. Jedoch ergibt sich eine Verbesserung des Signal-
Rausch-Verhältnis, wenn auch das zweite Signal (SE 2) zur
Rekonstruktion herangezogen wird, beispielsweise durch
Addition zum Signal SE 2. Es kann aber auch für jedes der
beiden Echosignale SE 1 und SE 2 gesondert die räumliche
spektrale Verteilung der Kernmagnetisierung bestimmt
werden und bildpunktweise der Mittelwert gebildet werden,
nachdem zuvor der Wert der aus dem Signal SE 2 abgeleiteten
Kernmagnetisierung mit einem Faktor multipliziert ist, der
den Zerfall der Quermagnetisierung berücksichtigt. Der
Zerfall der Quermagnetisierung bzw. die diesen Zerfall
beschreibende Querrelaxationszeit T 2 kann in an sich
bekannter Weise (vgl. das von Philips Medical Systems
herausgegebene Buch "Prinzipien der MR-Tomographie"
Seite 22 bzw. 29) aus der Abnahme der Kernmagnetisierung
zwischen den zwei Spin-Echo-Signalen durch exponentielle
Anpassung bestimmt werden.
Da an sich jedes der beiden Echosignale S 1 und S 2 die
Information zur Rekonstruktion der Verteilung der Kern
magnetisierung enthält, ist es auch möglich, die Meßzeit
zu halbieren. Zu diesem Zweck wird nach dem Ende des
ersten Spin-Echo-Signales SE 1 und vor dem Beginn des
zweiten Spin-Echo-Signals SE 2 - und außerhalb des zweiten
180°-Hochfrequenzimpulses - entweder - wie gestrichelt
angedeutet - das magnetische Gradientenfeld Gx oder das
magnetische Gradientenfeld Gy kurzzeitig eingeschaltet.
Die Wirkung dieser Maßnahme wird anhand von Fig. 4 er
läutert, die die Verhältnisse bei einer Sequenz im soge
nannten k-Raum zeigt.
Der k-Raum ist der Ortsfrequenzraum, und der in einer
Sequenz erreichte k-Wert entspricht einer bestimmten
Raumfrequenz. Zur vollständigen Erfassung der räumlichen
Verteilung der Kernmagnetisierung bis zu einer bestimmten
Ortsfrequenz müssen die Gradientenfelder Gx und Gy (und
bei der Bestimmung der räumlichen Verteilung in einem
Volumen auch Gz) so geändert werden, daß die Spin-Echo-
Signale für ein Raster von Punkten in zumindest einer
Schicht des k-Raums erfaßt werden.
In Fig. 4 ist eine Schicht des k-Raums dargestellt, die
die Ortsfrequenzachsen kx (das ist das zeitliche Integral
über das magnetische Gradientenfeld Gx) und ky (das ist
das zeitliche Integral über Gy) enthalten. Um eine Abbil
dung der dargestellten Schicht zu erreichen, müssen die
magnetischen Gradientenfelder Gx und Gy (und bei Unter
suchung eines dreidimensionalen Volumens gegebenenfalls
Gz) so variiert werden, daß der k-Raum in dem durch den
Rahmen K definierten Bereich abgetastet wird.
Nach dem Ein- und Ausschalten der magnetischen Gradienten
felder Gx und Gy im Zeitintervall t 0 und t 1 wird im k-Raum
der Punkt P 0 erreicht. Der erste 180°-Hochfrequenzimpuls
bewirkt, daß der Punkt P 0 in den spiegelbildlich dazu
liegenden Punkt P 1 übergeht. Das erste Spin-Echo-
Signal SE 1 ist diesem Punkt P 1 im k-Raum zugeordnet. Durch
das anschließende Ein- und Ausschalten des magnetischen
Gradientenfeldes Gx ergibt sich im k-Raum eine Ver
schiebung des Punktes in Richtung der kx-Achse, so daß der
Punkt P 2 erreicht wird. 180°-Impuls bewirkt eine Spiege
lung in bezug auf den Koordinatenursprung, so daß der
Punkt P 3 erreicht wird, dem das zweite Spin-Echo-
Signal SE 2 zugeordnet wird. Somit beinhalten die zwei
Spin-Echo-Signale SE 1 und SE 2 unterschiedliche Orts
frequenzinformation, so daß die Zahl der Sequenzen, die
zur vollständigen Abtastung des k-Raums erforderlich sind,
halbiert werden kann.
Die aus dem jeweils zweiten Echo gewonnene Information
weist wegen des Zerfalls der Quermagnetisierung je nach
dem Wert T 2 der betrachteten Gewebestruktur eine geringere
Amplitude auf als die aus dem ersten Echo gewonnene
Information. Die dadurch bedingte Verschlechterung der
Rekonstruktion läßt sich weitgehend vermeiden, wenn
benachbarte Rasterpunkte im k-Raum schachbrettartig aus
unterschiedlichen Echos gewonnen werden. Dies läßt sich
z. B. dadurch erreichen, daß bei der nächsten, zur Zeit
t = tr beginnenden Sequenz, bei der z. B. die Amplitude von
Gy um eine Stufe verändert wird, die Polarität der magne
tischen Gradientenfelder Gx und Gy invertiert wird. Das
erste Spin-Echo-Signal ist dann einem Punkt im rechten
unteren Quadranten des k-Raumes zugeordnet und das zweite
Spin-Echo-Signal einem Punkt in dem linken oberen Quadran
ten. Nach der nächsten Sequenz werden die Polaritäten
wieder invertiert usw. Dadurch werden die Störungen durch
die anschließende Fourier-Transformation an den Bildrand
gebracht.
Claims (5)
1. Verfahren zur Bestimmung der räumlichen und
spektralen Verteilung der Kernmagnetisierung in einem
Untersuchungsbereich, wobei in Anwesenheit eines homogenen
stationären Magnetfeldes auf den Untersuchungsbereich eine
Anzahl von Sequenzen einwirkt, die je einen ersten Hoch
frequenzimpuls und danach zwei 180°-Hochfrequenzimpulse
sowie von Sequenz zu Sequenz geänderte magnetische
Gradientenfelder umfassen, wobei wenigstens eines der
beiden in Abwesenheit von magnetischen Gradientenfeldern
auftretenden Spin-Echo-Signale einer Fourier-Transforma
tion unterzogen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Hochfrequenz
impuls (HF 1) einen Flipwinkel von weniger als 90° auf
weist, daß die Repetitionszeiten (tr) der Sequenzen so
kurz sind, daß bei Beginn einer Sequenz die Kernmagneti
sierung (Mz) ihren Ruhewert noch nicht erreicht hat, und
daß den Frequenzen, deren Spin-Echo-Signale einer
Fourier-Transformation unterzogen werden, eine Anzahl
weiterer Frequenzen vorausgeht, bis die Längskomponente
der Kernmagnetisierung (Mz) zu Beginn einer Sequenz
jeweils einen stationären Wert erreicht hat.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei von Sequenz zu
Sequenz das zeitliche Integral über wenigstens zwei
magnetische Gradientenfelder mit zueinander senkrecht
verlaufenden Gradienten variiert wird,
dadurch gekennzeichnet, daß eines dieser Gradientenfelder
zwischen den beiden Spin-Echo-Signalen, aber nicht gleich
zeitig mit dem zweiten 180°-Hochfrequenzimpuls, ein- und
ausgeschaltet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß jeweils nach dem zweiten
Spin-Echo-Signal ein magnetisches Gradientenfeld einge
schaltet wird, so daß bei Beginn der nachfolgenden Sequenz
die Querkomponente der Kernmagnetisierung im Unter
suchungsbereich dephasiert ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Gradienten
felder in den Sequenzen so geschaltet werden, daß die
Rasterpunkte im k-Raum schachbrettartig alternierend dem
ersten (SE 1) bzw. dem zweiten Spin-Echo-Signal (SE 2)
zugeordnet sind.
5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1 mit einem Magneten zur Erzeugung eines homo
genen stationären Feldes, einer Hochfrequenz-Spulenanord
nung zur Erzeugung eines vom hochfrequenten zum statio
nären Feld senkrechten Magnetfeldes, einem Hochfrequenz
generator zur Speisung der Hochfrequenz-Spulenanordnung,
Mitteln zur Erzeugung von magnetischen Gradientenfeldern
mit einr Steuereinheit zur Steuerung des Hochfrequenz
generators und der Mittel, und mit einer Recheneinheit zur
Verarbeitung der Kernspin-Resonanzsignale,
gekennzeichnet durch eine solche Programmierung der
Steuereinheit, daß in jeder Sequenz ein erster Hoch
frequenzimpuls mit einem Flipwinkel von weniger als 90°
und zwei 180°-Hochfrequenzimpulse erzeugt werden, daß die
Sequenzen so dicht aufeinander folgen, daß bei Beginn
einer Sequenz der Ruhewert der Kernmagnetisierung noch
nicht erreicht ist, und daß vor der Erzeugung der Sequen
zen, aus denen die räumliche und spektrale Verteilung der
Kernmagnetisierung abgeleitet wird, eine Anzahl gleich
artiger Sequenzen so oft eingeschaltet wird, bis die
Kernmagnetisierung bei Beginn einer Sequenz einen
stationären Wert erreicht hat.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873701850 DE3701850A1 (de) | 1987-01-23 | 1987-01-23 | Verfahren und anordnung zur bestimmung der raeumlichen und spektralen verteilung der kernmagnetisierung in einem untersuchungsbereich |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873701850 DE3701850A1 (de) | 1987-01-23 | 1987-01-23 | Verfahren und anordnung zur bestimmung der raeumlichen und spektralen verteilung der kernmagnetisierung in einem untersuchungsbereich |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3701850A1 true DE3701850A1 (de) | 1988-08-04 |
Family
ID=6319335
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19873701850 Withdrawn DE3701850A1 (de) | 1987-01-23 | 1987-01-23 | Verfahren und anordnung zur bestimmung der raeumlichen und spektralen verteilung der kernmagnetisierung in einem untersuchungsbereich |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3701850A1 (de) |
-
1987
- 1987-01-23 DE DE19873701850 patent/DE3701850A1/de not_active Withdrawn
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