DE4018683A1 - Schichtprofiloptimierung fuer ein mit einer gradientenechosequenz betriebenes kernspin-tomographiegeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Pulssequenz für ein Kernspin- Tomographiegerät mit einer Gradientenechosequenz, wobei die Kernspins in einer Schicht eines Untersuchungsobjektes durch Bestrahlung mit einem Anrege-HF-Puls unter Einwirkung eines Schichtselektionsgradienten in einer ersten Richtung angeregt werden, wobei die angeregten Spins durch einen Phasencodier­ gradienten in einer zweiten, zur ersten senkrechten Richtung phasencodiert werden und wobei das entstehende Signal unter der Wirkung eines Auslesegradienten in einer dritten, zur ersten und zweiten senkrechten Richtung ausgelesen wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Problemstellung wird nach­ folgend anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Bei der Kernspin-Tomographie wird im allgemeinen eine Schicht eines Untersuchungsobjektes angeregt, indem man das Untersuchungs­ objekt mit einem frequenzselektiven Hochfrequenz-Puls in Ver­ bindung mit einem Magnetfeld-Gradienten bestrahlt. Der Hoch­ frequenz-Puls entspricht dabei im allgemeinem einem soge­ nannten "Sinc-Puls", der die Kernspins um einen Flip-Winkel auslenkt, der von der Lage der Kernspins in Schichtselektions­ richtung z abhängig ist. Ein beispielhafter Verlauf des Flip- Winkels α in Abhängigkeit von der z-Koordinate in Schicht­ selektionsrichtung ist in Fig. 1 dargestellt.

Bei schnellen Pulssequenzen, bei denen die Repetitionszeit TR der Anrege-Hochfrequenz-Pulse kürzer als die Längsrelaxations­ zeit T₁ ist, ist die sich im eingeschwungenen Zustand ergebende Quermagnetisierung, die ausschließlich zum Kernresonanzsignal beiträgt, unter anderem vom Flip-Winkel α abhängig. Dabei gibt es einen vom Verhältnis TR/T1 abhängigen Flip-Winkel α_E, bei dem die Signalintensität maximal wird. Dieser Flip-Winkel wird als "Ernst"-Winkel bezeichnet und hängt nach folgender Bezie­ hung von TR/T1 ab:

α_E = arc cos (exp TR/T1) (1)

Die erreichbare Signalintensität S bei einem Flip-Winkel, bei einer Repetitionszeit TR und bei einer Längsrelaxationszeit T1 ergibt sich nach folgender Gleichung:

S∼sin α×(1-exp (-TR/T1)×(1-exp (-TR/T1)×cos α)^-1 (2)

Da der Flip-Winkel α, wie in Fig. 1 dargestellt, innerhalb der gewählten Schicht von der Z-Koordinate abhängig ist, wird nach Gleichung (2) auch bei homogener Kernspindichteverteilung über die gewählte Schicht kein konstantes Signal erzielt. Viel­ mehr wird nach Gleichung (2) die Form des Schichtprofils vom gewählten maximalen Flip-Winkel α und vom Verhältnis TR/T1 abhängig. So werden für kleine Flip-Winkel α oder ein großes TR/T1-Verhältnis Schichtprofile angeregt, die - wie gewünscht - der Fourier-Transformation der Anrege-Hochfrequenz-Pulse ent­ sprechen. Für große Flip-Winkel α wird der Signalbeitrag der Schichtränder größer als der des Schichtzentrums. Dieser Fall ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Hierbei liegt der maximale Flip-Winkel α in der Schichtmitte über einem hier mit 20° angenommenen Flip-Winkel α_E (Ernst-Winkel), bei dem die Quermagnetisierung und damit auch die Signalintensität maximal wird.

In Fig. 2 ist dazu der Signalverlauf S über die Koordinate Z in Schichtselektionsrichtung für eine homogene Kernspindichte dargestellt. Dabei wird der genannte Effekt der Signalüber­ höhung an den Schichträndern deutlich sichtbar. Die Maxima des Signals werden bei denjenigen Z-Koordinaten erreicht, bei denen der Flip-Winkel α gleich dem Ernst-Winkel α_E ist, im darge­ stellten Fall also 20°.

In der Schichtmitte ist der Flip-Winkel α größer als der Ernst-Winkel, so daß hier ein geringeres Signal auftritt.

Wie bereits ausgeführt, ist das Signal nicht nur vom Flip- Winkel α, sondern auch vom Verhältnis TR/T1 abhängig. Wenn innerhalb des untersuchten Gewebes deutliche Unterschiede in der Längsrelaxationszeit T1 auftreten, so schwanken die Form und die Halbwertsbreite des Schichtprofils innerhalb dieses Gewebes mit der Längsrelaxationszeit T1. In Materialien mit langem T1 werden deutlich dickere Schichten mit verzerrten Schichtprofilen angeregt als in Materialien mit kurzem T1. Dies erweist sich z.B. bei Kopfuntersuchungen, wo große Unterschiede in der Längsrelaxationszeit T1 auftreten, als gravierendes Problem.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Abhängigkeit der Form und der Halbwertsbreite des durch den Anrege-HF-Puls erzeugten Schicht­ profils vom Flip-Winkel A und von TR/T1 zu verringern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vor dem Anrege-HF-Puls in dieselbe Schichtposition ein Vorsättigungs- HF-Puls unter der Einwirkung des Schichtselektionsgradienten eingestrahlt wird, dessen Frequenzspektrum so bestimmt ist, daß er Bereiche der Schicht anregt, die den Flanken des Anrege-HF- Pulses entsprechen und daß zwischen dem Vorsättigungs-HF-Puls und dem Anrege-HF-Puls ein Spoilergradient eingefügt wird. Damit wird die Abhängigkeit der Form und der Halbwertsbreite des Schichtprofils vom Flip-Winkel α und vom Verhältnis TR/T1 deutlich reduziert.

Der Schichtselektionsgradient bleibt vorteilhafterweise zwi­ schen Vorsättigungs-HF-Puls und Anrege-HF-Puls eingeschal­ tet und wirkt damit als Spoiler-Gradient. Damit ist keine zu­ sätzliche Aufschaltung eines Gradienten notwendig.

Alternativ kann zwischen Vorsättigungs-HF-Puls und Anrege­ HF-Puls ein gesonderter Spoilergradient in z-Richtung einge­ schaltet werden. Dies hat den Vorteil, daß dieser in seiner Amplitude beliebig gewählt werden und damit die notwendige Zeitdauer verkürzt werden kann.

Der Vorsättigungs-HF-Puls kann in jedem Scan angewandt werden. Alternativ kann für mehrere Scans auch nur ein Vorsättigungs- HF-Puls angewandt werden, wenn die Meßdauer dieser Scans unter der Längsrelaxationszeit T1 bleibt, d.h. bei extrem schnellen Gradientenechosequenzen. Unter Scan wird dabei die zur Erzeu­ gung einer Zeile der Meßmatrix notwendige Pulssequenz ver­ standen.

Zur Erläuterung der Erfindung werden zunächst anhand von Fig. 3 die Grundkomponenten eines Kernspin-Tomographen dargestellt. Die Spulen 1-4 erzeugen ein magnetisches Grundfeld B₀, in welchem sich bei Anwendung zur medizinischen Diagnostik der zu untersuchende Körper 5 eines Patienten befindet. Diesem sind außerdem Gradientenspulen zugeordnet, die zur Erzeugung unab­ hängiger, zueinander senkrechter Magnetfeldkomponenten der Richtungen x, y, und z gemäß dem Koordinatenkreuz 6 vorgesehen sind. In der Figur sind der Übersichtlichkeit halber nur die Gradientenspulen 7 und 8 gezeichnet, die zusammen mit einem Paar gegenüberliegender, gleichartiger Gradientenspulen zur Erzeugung eines X-Gradienten dienen. Die gleichartigen, nicht eingezeichneten Y-Gradientenspulen liegen parallel zum Kör­ per 5 und oberhalb sowie unterhalb von ihm, die für das Z- Gradientenfeld quer zu seiner Längsachse am Kopf- und am Fuß­ ende.

Die Anordnung enthält außerdem noch eine zur Erzeugung und Aufnahme der Kernresonanzsignale dienende Hochfrequenzspule 9. Die von einer strichpunktierten Linie 10 umgrenzten Spulen 1, 2, 3, 4, 7, 8 und 9 stellen das eigentliche Untersuchungs­ instrument dar.

Es wird von einer elektrischen Anordnung aus betrieben, die ein Netzgerät 11 zum Betrieb der Spulen 1-4 sowie eine Gradienten­ stromversorgung 12, an welcher die Gradientenspulen 7 und 8 sowie die weiteren Gradientenspulen liegen, umfaßt. Die Hoch­ frequenzspule 9 ist über einen Signalverstärker 14 bzw. einen Hochfrequenzsender 15 an einen Prozeßrechner 17 gekoppelt, an dem zur Ausgabe der Abbildung ein Bildschirmgerät 18 ange­ schlossen ist. Die Komponenten 14 und 15 bilden eine Hochfre­ quenzeinrichtung 16 zur Signalerzeugung und -aufnahme. Ein Um­ schalter 19 ermöglicht das Umschalten von Sende- auf Empfangs­ betrieb.

Für die Ansteuerung der Hochfrequenzeinrichtung 16 und der Gradientenspulen sind eine Reihe von Pulssequenzen bekannt. Dabei haben sich Verfahren durchgesetzt, bei denen die Bild­ erzeugung auf einer zwei- bzw. dreidimensionalen Fourier- Transformation der gewonnenen Meßwerte beruht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Fig. 4 bis 13 näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 4 einen Anrege-HF-Puls mit einem Vorsättigungs-HF-Puls,

Fig. 5 das damit erzeugte Schichtprofil,

Fig. 6 bis 9 die Anwendung der Erfindung bei einer zwei­ dimensionalen Gradientenechosequenz und

Fig. 10 bis 13 die Anwendung der Erfindung bei einer drei­ dimensionalen Gradientenechosequenz.

Die Grundidee der vorliegenden Erfindung wird anhand von Fig. 4 erläutert, die die Amplituden des HF-Anregepulses RF2 und des Vorsättigungspulses RF1 als Funktion der Frequenz zeigt.

Um die Abhängigkeit der Form des Schichtprofils vom Flip-Winkel α des Anrege-HF-Pulses RF2 und vom Verhältnis TR/T1 zu redu­ zieren, wird dem selektiven Anrege-HF-Puls RF2 ein speziell geformter selektiver Vorsättigungs-HF-Puls RF1 vorgelagert. Dieser Vorsättigungs-HF-Puls RF1 soll nur in Bereichen anregen, die den Flanken des Anrege-HF-Pulses RF2 entsprechen. Der Vorsättigungs-HF-Puls RF1 wird derart ausgestaltet, daß die sich im Gleichgewicht ergebende Längsmagnetisierung über den Anregungsbereich des Anrege-HF-Pulses konstant ist. In Fig. 4 sind der Anrege-HF-Puls RF2 und der erfindungsgemäß voraus­ geschaltete Vorsättigungs-HF-Puls RF1 in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt. Dabei entspricht der Anrege-HF-Puls RF2 - wie üblich - einem Hamming-gefilterten Sinc-Puls. Der Vorsätti­ gungs-HF-Puls RF1 kann z.B. experimentell angepaßt werden, wo­ bei sein maximaler Flip-Winkel dem Flip-Winkel des Anrege-HF- Pulses RF2 in der Schichtmitte entspricht.

Der Vorsättigungs-HF-Puls RF1 soll nicht zu einem Signalbeitrag führen. Um unerwünschte Signalbeiträge des Vorsättigungs-HF-Pul­ ses zu eliminieren, ist ein Gradienten-Spoiler-Puls erforder­ lich, der die T2-Phasenkohärenz eliminiert.

Die Fig. 6 bis 9 zeigen die Anwendung der Erfindung auf eine zweidimensionale Gradientenechosequenz. Eine derartige Sequenz ist im Detail in der US-PS 45 06 222 beschrieben, so daß auf die Theorie der Bilderzeugung mit dieser Sequenz hier nicht näher eingegangen wird.

Jeder Scan beginnt mit einem Vorsättigungs-HF-Puls RF1, der zusammen mit einem Schichtselektionsgradienten SS1 eingestrahlt wird und damit nur auf eine Schicht des Untersuchungsobjektes wirkt. Die Ausgestaltung dieses Vorsättigungs-HF-Pulses RF1 in Verbindung mit dem nachfolgenden Anrege-HF-Puls wurde oben bereits näher erörtert. Nach dem Vorsättigungs-HF-Puls RF1 folgt der Anrege-HF-Puls RF2, bei dem ebenfalls der Schicht­ selektionsgradient SS1 eingeschaltet ist, so daß auch der Anrege-HF-Puls schichtselektiv ist. Zwischen Vorsättigungs- HF-Puls RF1 und Anrege-HF-Puls RF2 bleibt der Schichtselek­ tionsgradient SS1 eingeschaltet. Er wirkt damit ab dem Ende des Anrege-HF-Pulses RF1 als Spoiler-Gradient, der die Phasenkohärenz der durch den Vorsättigungs-HF-Puls RF1 erzeug­ ten Quermagnetisierung zerstört und damit einen unerwünschten Signalbeitrag durch diesen verhindert. Insgesamt wird damit ein Schichtprofil angeregt, wie es in Fig. 5 dargestellt ist.

Wie bei jeder Gradientenechosequenz folgt nunmehr ein Dephasier­ gradient RO1 in x-Richtung und ein von Scan zu Scan sich ändernder Phasencodiergradient PC in y-Richtung. Durch einen Rephasiergradienten SS2 in z-Richtung wird die durch den Schichtselektionsgradienten SS1 bezüglich des Signalanteils des Anrege-HF-Pulses RF2 bewirkte Dephasierung wieder aufgehoben. Schließlich wird unter einem Read out-Gradienten RO2 das ent­ stehende Kernresonanzsignal S ausgelesen und mit einem Analog- Digital-Wandler ADC abgetastet. Die Abtastwerte werden für jeden Scan in eine Zeile einer Meßmatrix geschrieben.

Die beschriebene Pulssequenz wird entsprechend einer Zeilenzahl n der Meßmatrix n-mal mit verschiedenen Werten des Phasencodier­ gradienten PC wiederholt. Durch zweidimensionale Fourier-Trans­ formation der so erhaltenen Matrix erhält man dann ein Bild der angeregten Schicht. Zwischen zwei Scans wird in z-Richtung je­ weils ein Spoilergradient SS3 eingefügt, der die nach jedem Scan verbliebene Quermagnetisierung zerstört.

Ein weiteres Beispiel für eine Pulssequenz mit Anwendung der erfindungsgemäßen Schichtprofiloptimierung ist in den Fig. 10 bis 13 dargestellt. Auch hierbei wird zunächst ein Vor­ sättigungs-HF-Puls RF1 unter Einwirkung eines Schichtselektions­ gradienten SS1 eingestrahlt. Anschließend folgt ein separater Spoilergradient SS2 in z-Richtung. Der separate Spoilergradient hat dabei den Vorteil, daß seine Amplitude unabhängig von der durch die auszuwählende Schicht vorgegebenen Amplitude des Schichtselektionsgradienten SS1 bestimmt werden kann. Auf den Spoilergradienten SS2 folgt ein schichtselektiver Anrege-HF- Puls RF2, der unter der Wirkung eines Schichtselektionsgra­ dienten SS3 eingestrahlt wird. Nach der Anregung wird ein Pha­ sencodiergradient SS4 in z-Richtung, ein Phasencodiergradient PC in y-Richtung und ein Dephasiergradient RO1 in x-Richtung eingeschaltet. Unter der Wirkung eines Read out-Gradienten RO2 wird dann das entstehende Kernresonanzsignal S ausgelesen. Das Signal S wird wieder abgetastet, digitalisiert und in eine Zeile einer Matrix eingeschrieben.

Bei dieser Sequenz handelt es sich um eine dreidimensionale Flash-Sequenz, d.h. es wird bei m-Abtastpunkten je Signal S eine m×n×o Meßmatrix erstellt. Dies erzielt man, indem man für eine Dimension der Matrix den Phasencodiergradienten SS4 in z-Richtung und für eine zweite Dimension der Matrix den Phasen­ codiergradienten PC in y-Richtung von Scan zu Scan weiterschal­ tet. Bei diesem Verfahren wird bei der Anregung eine breitere Schicht selektiert, die lediglich den interessierenden Bereich eingrenzen soll und dann innerhalb dieses interessierenden Be­ reiches eine dreidimensionale Auflösung erzielt.

Wie bei der Pulssequenz nach den Fig. 6 bis 9, wird auch bei der Pulssequenz nach den Fig. 10 bis 13 nach jedem Scan ein Spoilerpuls SS5 in Schichtselektionsrichtung (z) eingestrahlt, dessen Amplitude jedoch von Scan zu Scan geändert wird.

Das hier beschriebene Verfahren der Schichtprofiloptimierung ist nicht auf Flash-Sequenzen beschränkt, sondern läßt sich für jede Gradientenechosequenz anwenden.

Durch dieses Verfahren wird die Abhängigkeit von Form und Breite des angeregten Schichtprofils vom Flip-Winkel α und vom Verhältnis TR/T1 deutlich reduziert. Damit werden Überfaltungen auch bei ungünstiger Parameterwahl reduziert. Auch bei Unter­ suchungsobjekten mit größerer Schwankung der Längsrelaxations­ zeit T1 bleibt die Breite und Form des Schichtprofils konstant. Die Abhängigkeit des T1-Kontrastes von der Position in Schicht­ selektionsrichtung ist deutlich verringert. Durch den Vorsätti­ gungspuls erfolgt eine Verminderung der von fließendem Blut herrührenden Signalanteile.

Wenn man die Flash-Pulssequenz mit der erfindungsgemäßen Er­ gänzung verwendet, kann man nach Aufnahme einer Serie von Bil­ dern mit unterschiedlichem Flip-Winkel auch einfach ein T1-Bild, d.h. ein Bild der T1-Verteilung über das Untersuchungsobjekt berechnen. Es gilt nämlich folgender, durch Umformung von Gleichung 1 abzuleitender Zusammenhang:

S/sin α = exp (-TR/T1)×S/tan α + Const.

Damit ergibt sich ein linearer Zusammenhang, wenn man S/sin gegen S/tan α aufträgt. Dieser Zusammenhang kann zur Berech­ nung des T1-Bildes verwendet werden.

Claims (5)

1. Pulssequenz für ein Kernspin-Tomographiegerät mit einer Gradientenechosequenz, wobei die Kernspins in einer Schicht eines Untersuchungsobjektes durch Bestrahlung mit einem An­ rege-HF-Puls (RF2) unter Einwirkung eines Schichtselektions­ gradienten (SS1) in einer ersten Richtung (z) angeregt werden, wobei die angeregten Spins durch einen Phasencodier-Gradienten (PC) in einer zweiten, zur ersten senkrechten Richtung (y) phasencodiert werden und wobei das entstehende Signal unter der Wirkung eines Auslese-Gradienten (RO2) in einer dritten, zur ersten und zweiten senkrechten Richtung (x) ausgelesen wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Anrege-HF-Puls (RF2) in dieselbe Schichtposition ein Vorsätti­ gungs-HF-Puls (RF1) unter der Einwirkung des Schichtselektions­ gradienten (SS1) eingestrahlt wird, dessen Frequenzspektrum so bestimmt ist, daß er Bereiche der Schicht anregt, die den Flanken des Anrege-HF-Pulses (RF2) entsprechen, und daß zwischen dem Vorsättigungs-HF-Puls und dem Anrege-HF-Puls ein Spoilergradient (SS1, SS2) eingefügt wird.

2. Pulssequenz nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schichtselektionsgradient (SS1) zwischen dem Vorsättigungs-HF-Puls (RF1) und dem An­ rege-HF-Puls (RF2) eingeschaltet bleibt und damit als Spoilergradient wirkt.

3. Pulssequenz nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen Vorsättigungs-HF-Puls (RF1) und Anrege-HF-Puls (RF2) ein gesonderter Spoilergradient (SS2) in z-Richtung eingeschaltet wird.

4. Pulssequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Vorsätti­ gungs-HF-Puls (SS1) in jedem Scan angewandt wird.

5. Pulssequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß für mehrere Scans nur ein Vorsättigungs-HF-Puls (RF1) angewandt wird.