DE4104246C2 - Verfahren und Vorrichtung zur NMR-Bilderzeugung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur NMR-Bilderzeugung

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Description

Die Erfindung betrifft die bildgebende Kernspin-Tomographie, insbesondere die Kernspin-Tomographie zur Erzeugung von sogenannten SAS- (Surface Anatomy Scan) und angiographischen Bildern.
Genauer betrifft die Erfindung ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Grundsätzlich erhält man ein Kernspin-Tomographiebild durch das Erfassen von Kernspin-Resonanz-Signalen in Form komplexer Signale, wobei auf die erfaßten komplexen Signale eine Fourier-Transformation angewendet wird, um komplexe Bilddaten in der Form I=Ir+jIi zu erhalten.
Dann wird üblicherweise das anzuzeigende Kernspin-Tomographiebild aus den komplexen Bilddaten I abgeleitet in Form einer Absolutwertanzeige
einer phasenkorrigierten Realbildanzeige Ir, einer phasenkorrigierten Imaginärbildanzeige Ii oder eines Argumentbildes I=Tan-1(Ii/Ir).
Von diesen Anzeigearten hat die Absolutwertanzeige den Nachteil, daß zusätzliche Verarbeitungszeit zur Durchführung einer Quadratwurzelberechnung erforderlich ist. Überflüssig kann dies dann sein, wenn die auf der Anzeige beruhende Diagnose die Absolutwertanzeige nicht benötigt.
Aus der US-PS 4,713,614 ist bekannt, die Real- und Imaginärteile der Signal- bzw. Bilddaten zu quadrieren, die Quadrate zu addieren und die Quadratwurzel der Summenwerte zu berechnen und zur Anzeige zu bringen.
Aus der DE 38 25 698 A1 ist es bekannt, zur Korrektur von Phasenfehlern bei NMR-Abbildungssystemen den jeweiligen komplexen Datenwert zu quadrieren, dann einen einfachen Mittelwert aus mehreren Bildpunkten zu ermitteln und einen Phasenwinkel zu berechnen. Nach der Ermittlung des Phasenwinkels erfolgt eine Korrektur der Phasenverzerrung. Zur Anzeige kommen Daten, die aus korrigierten komplexen Daten zusammengesetzt sind.
Aus der EP 2 21 530 A2 ist ähnlich wie aus der erstgenannten Druckschrift bekannt, komplexe Bilddaten einer Quadratwurzeloperation zu unterziehen, d. h. ihre Real- und Imaginärteile nach dem Quadrieren zu addieren und aus der Summe die Wurzel zu ziehen und diese einer Anzeige zuzuführen.
Schließlich sei noch auf das Buch P. Bösinger: "Kernspin-Tomographie für die medizinische Diagnostik", Teubner Verlag, Stuttgart 1985, insbesondere Kapitel 3.3.2 hingewiesen, aus dem es bekannt ist, bei der NMR-Bilderzeugung schichtweise vorzugehen, d. h., die geringe Sensitivität des Abtastens einzelner Zeilen durch multiple Zeilenabbildung zu umgehen, indem mehrere Zeilen einer Ebene gleichzeitig beobachtet werden. Diese sogenannte multiplanare Spin-Echo-Abbildung wird insbesondere dann benutzt, wenn beispielsweise Oberflächenstrukturen erfaßt werden sollen.
Beim Erzeugen eines sogenannten SAS-Bildes zur Darstellung der Oberflächenstruktur des Gehirns wird auf die durch Spinecho-Mehrschichtabbildung gewonnenen Bilddaten eine gewichtete Summenberechnung angewandt.
Dies führt dazu, daß die in einer gegebenen Echoimpuls-Wiederholungszeit TR aufgenommene Anzahl von Schichtbildern bei einem SAS-Bild kleiner ist als sonst bei üblichen Bildern, so daß, um dieselbe Anzahl von Schichtbildern bei einem SAS-Bild zu erhalten, eine viele längere Zeitspanne erforderliche ist als bei gewöhnlichen Bildern. Dies ist aus dem Gesichtspunkt der Patientensicherheit nicht wünschenswert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur NMR-Bilderzeugung sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung zu schaffen, mit dem bzw. mit der die erforderliche Verarbeitungszeit reduziert werden kann.
Der das Verfahren betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Der die Vorrichtung betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Gemäß der Erfindung können NMR-Bilder mit verbessertem Kontrast zwischen den abzubildenden Elementen bei reduziertem Hintergrundrauschen erzeugt werden. Des weiteren können NMR-Bilder erzeugt werden, bei denen die Vorverarbeitung unter Verwendung von Schwellenwerten in verschiedenen Bildverarbeitungsstufen vereinfacht ist. Die Bilderzeugungszeit für das SAS-Bild mit hoher Kontrastauflösung und zufriedenstellender dreidimensionaler Qualität ist vermindert.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen NMR-Bilderzeugungsvorrichtung,
Fig. 2 ein detailliertes Blockdiagramm eines Signalempfän­ gers und einer Systemsteuerung für die Vorrichtung nach Fig. 1,
Fig. 3 ein detailliertes Blockdiagramm einer Verarbei­ tungseinheit in der Systemsteuerung nach Fig. 1,
Fig. 4 ein Diagramm, welches die durch die Vorrichtung nach Fig. 1 durchgeführte Kernspinecho-Mehrschicht­ bilderzeugung veranschaulicht,
Fig. 5(A) und 5(B) graphische Darstellungen der Signalstär­ ken für einen "unverarbeiteten" Fall und einen "qua­ drierten" Fall,
Fig. 6 eine graphische Darstellung, die den Effekt der Kon­ trastverbesserung bei der quadrierten Anzeige ver­ anschaulicht,
Fig. 7 ein Konzeptdiagramm zur Veranschaulichung des Pro­ zesses der Erzeugung des SAS-Bildes aus den Spinecho-Mehrschichtbildern.
Eine in Fig. 1 dargestellte NMR-Bilderzeugungsvorrichtung enthält eine Magnetanordnung 4 mit folgenden Bestandteilen:
Magnetfeldspulen 1 zum Erzeugen eines statischen Magnet­ feldes innerhalb der Öffnungsbereiche der Spulen, in denen sich ein Patient P befindet; Gradientenfeldspulen 2 zum Er­ zeugen von Schicht-, Kodier- und Lese-Gradientenfeldern in dem Öffnungsbereich der Spulen 1; und eine HF-Sonde 3 zum Erzeugen von HF-Impulsen, die an den Patienten P angelegt werden, und zum Empfangen von NMR-Signalen seitens des Pa­ tienten P, um beispielsweise, wie in Fig. 1 angedeutet, einen Kopfabschnitt PH des Patien­ ten P abzubilden.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung enthält außerdem:
eine Steuerung für das statische Magnetfeld 5, welche den Betrieb der Spulen 1 für das statische Magnetfeld steuert; Energiequellen 6, 7, 8 für das X-, das Y-, beziehungsweise Z-Gradientenmagnetfeld, um den einzelnen Teilen der Gradi­ entenfeldspulen 2 Energie zuzuführen; einen HF-Impuls-Sen­ der 9, der der HF-Sonde 3 HF-Impulse zuführt, und einen Si­ gnalempfänger 10, der die von der HF-Sonde 3 empfangenen NMR-Signale sammelt. Eine Systemsteuerung 11 dient zum Steuern des Betriebs der Komponenten der Vorrichtung sowie zum Verarbeiten der NMR-Signale, die von dem Signalempfän­ ger 10 aufgenommen werden. Eine Ablaufsteuerung 12 steuert die Ablaufsequenz der Energiequellen für das X-, Y- und Z- Gradientenfeld, außerdem den HF-Impulssender 9 und den Si­ gnalempfänger 10 entsprechend der Steuerung seitens der Sy­ stemsteuerung 11. Eine Anzeigeeinheit 13 dient zum Anzeigen von NMR-Bildern, die von der Vorrichtung erzeugt werden.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, enthält der Signalempfänger 10 außerdem: Einen Vorverstärker 10a; einen Realteil-Phasende­ tektor 10b; einen Imaginärteil-Phasendetektor 10c; NF-Ver­ stärker 10d und 10e; einen Phasenschieber 10f; und einen Referenzwellengenerator 10g.
Die Systemsteuerung 11 enthält: A/D-Wandler 11a und 11b; einen Realteilspeicher 11c, einen Imaginärteilspeicher 11d; eine 2DFFT-Einheit 11e, das ist eine eine zweidimensionale schnelle Fourier-Transformation ausführende Einheit; einen Realteilbildspeicher 11f, einen Imaginärteil-Bildspeicher 11g, eine Prozessoreinheit 11h; einen Anzeigebild-Daten­ speicher 11i und eine Anzeigebild-Aufbaueinheit 11j. Wie in Fig. 3 zu sehen ist, enthält die Verarbeitungseinheit 11h der Systemsteuerung 11 weiterhin Quadratberechnungseinhei­ ten 11h-1 und 11h-2; einen Addierer 11h-3; einen Selektor 11h-4; und eine Quadratwurzel-Berechnungseinheit 11h-5.
Mit diesem Aufbau arbeiten der Signalempfänger 10 und die Systemsteuerung 11 folgendermaßen:
Die von der HF-Sonde 3 empfangenen und zu dem Signalempfän­ ger 10 übertragenen NMR-Signale werden zunächst vom Vorver­ stärker 10a verstärkt und dann zu dem Realteil-Phasendetek­ tor 10b und dem Imaginärteil-Phasendetektor 10c übertragen. Hochfrequenzkomponenten vom Referenzwellengenerator 10g werden direkt dem Realteil-Phasendetektor 10b ohne Phasen­ verschiebung einerseits und dem Imaginärteil-Phasendetektor 10c über den Phasenschieber 10f mit einer Phasenverschie­ bung von 90° zugeführt, so daß die Realteil-NF-Signale S(R) und die Imaginärteil-NF-Signale S(I) von dem Realteil-Pha­ sendetektor 10b und dem Imaginärteil-Phasendetektor 10c er­ halten werden, um anschließend über die NF-Verstärker 10d und 10e an die Systemsteuerung 11 ausgegeben zu werden.
In der Systemsteuerung 11 werden die Realteil-NF-Signale S(R) und die Imaginärteil-NF-Signale S(I) von A/D-Wandlern 11a und 11b umgesetzt in digitale Realteilsignale DS(R) und digitale Imaginärteilsignale DS(I) und sie werden im Re­ alteilspeicher 11c beziehungsweise im Imaginärteilspeicher 11d gespeichert. Wenn sämtliche NMR-Signale gesammelt sind, wird auf die digitalen Realteilsignale DS(R) und die digi­ talen Imaginärteilsignale DS(I), die im Realteilspeicher 11c beziehungsweise im Imaginärteilspeicher 11d gespeichert sind, von der 2DFFT-Einheit 11e die zweidimensionale schnelle Fourier-Transformation angewendet, um Realteil- Bilddaten und Imaginärteil-Bilddaten zu erhalten, welche anschließend in dem Realteil-Bildspeicher 11f und dem Ima­ ginärteil-Bildspeicher 11g gespeichert werden. Dann wird von der Quadratberechnungseinheit 11h-1 und 11h-2 der Ver­ arbeitungseinheit 11h das Quadrat jedes Bildelementes der Realteil-Bilddaten und der Imaginärteil-Bilddaten be­ rechnet, die im Realteil-Bildspeicher 11f bzw. im Imaginär­ teil-Bildspeicher 11g gespeichert sind, und die entspre­ chenden quadrierten Realteil- und Imaginärteil-Daten werden von dem Addierer 11h-3 addiert, um die Anzeigebilddaten zu erhalten. Dann, wenn ein Bedienungsbefehl zum Auswählen der quadrierten Anzeige gegeben wird, sendet der Selektor 11h-4 die Ausgangssignale des Addierers 11h-3 direkt an den An­ zeigebilddatenspeicher 11i, während dann, wenn ein Bedie­ nungsbefehl zum Auswählen der Absolutwertanzeige gegeben wird, der Selektor 11h-3 die Ausgangssignale des Addierers 11h-3 an die Quadratwurzel-Berechnungseinheit 11h-5 gibt, welche die Absolutwertanzeige-Bilddaten dadurch berechnet, daß sie die Quadratwurzel des Ausgangssignals des Addierers 11h-3 berechnet, die anschließend in dem Anzeige-Bilddaten­ speicher 11i gespeichert werden. Dann wird aus den im Da­ tenspeicher 11i befindlichen Anzeigebilddaten das Anzeige­ bild in der Anzeigebild-Aufbaueinheit 11j zusammengesetzt und anschließend mittels der Anzeigeeinheit 12 dargestellt.
Im folgenden wird die Arbeitsweise der oben beschriebenen Vorrichtung nach Fig. 1 im einzelnen erläutert.
Zunächst werden die HF-Impulse über die HF-Sonde 3 an den Patienten P gelegt, der sich in dem von den Magnetfeldspu­ len 1 erzeugten statischen Magnetfeld und in dem Schicht- Gradientenmagnetfeld in Z-Richtung befindet, welches von den Gradientenfeldspulen 2 erzeugt wird, damit die Kern­ spins in dem Patienten P innerhalb einer Schichtzone selek­ tiv erregt werden, welche von dem Schicht-Gradientenmagnet­ feld festgelegt wird. Dann wird von den Gradientenfeldspu­ len 2 das Kodier-Gradientenfeld in Y-Richtung angelegt, um Kernspins zur Ausführung einer Phasenkodierung anzuregen, und anschließend wird von den Gradientenfeldspulen 2 das Lese-Gradientenmagnetfeld in X-Richtung angelegt, um die NMR-Signale aufzunehmen. Diese Sequenz wird mit einer vor­ bestimmten Häufigkeit in der Wiederholungszeit TR entspre­ chend der von der Ablaufsteuerung 12 vorgegebenen Impulsse­ quenz wiederholt, um die gewünschte Spinecho-Mehrschicht­ bilderzeugung zu erhalten.
Die von der HF-Sonde 3 aufgenommenen NMR-Signale werden von dem Signalempfänger 10 durch Anwendung der Quadraturerfas­ sung gesammelt und in Form von komplexen Signalen der Sy­ stemsteuerung 11 zugeführt. Die Systemsteuerung 11 wendet dann die komplexe Fourier-Transformation auf die komplexen Signale an, um die komplexen Bilddaten I=Ir+jIi zu er­ halten. Aus den komplexen Bilddaten I ermittelt dann die Verarbeitungseinheit 11h der Systemsteuerung 11 die gewöhn­ liche Absolutwertanzeige
sowie die qua­ drierte Anzeige I²=Ir²+Ii², die selbstverständlich zum Ermitteln der Absolutwertanzeige |I| in der obenbeschrie­ benen Weise ermittelt werden kann.
Es gibt eine Reihe von vorteilhaften Anwendungen der qua­ drierten Anzeige I²:
Eine erste vorteilhafte Anwendung besteht darin, daß die quadrierte Anzeige für das T2-betonte Bild häufig bei der allgemeinen klinischen Diagnose unter Verwendung der NMR- Bilderzeugung verwendet wird. Das T2-betonte Bild wird für gewöhnlich durch die Spinecho-Mehrschichtbilderzeugung un­ ter der Bedingung einer Wiederholungszeit TR = 3000 ms er­ halten, wobei die Echozeit TE = 30 ms und 120 ms beträgt. Wie in Fig. 4 zu sehen ist, wird das erste Echo mit TE = 30 ms dazu verwendet, die dichtebetonten Schichtbilder zu er­ halten, während das zweite Echo mit TE = 120 ms dazu ver­ wendet wird, die T2-betonten Bildschichten zu erhalten. Das so erhaltene T2-betonte Schichtbild besitzt einen Kontrast zwischen dem Gehirnkörper und der zerebrospinalen Flüssig­ keit. Unter Verwendung der quadrierten Anzeige für das T2- betonte Bild lassen sich dieser Kontrast sowie die Kon­ trastauflösung verbessern. Durch die Verarbeitungseinheit 11h wird nämlich in diesem Fall ein quadriertes Signal S2 eines Signals S für jedes Bildelement des T2-betonten Bil­ des erhalten, so daß gemäß Fig. 5(A) und 5(B) die Signale S(A) und S(B) an Stellen A und B mit einem ursprünglichen relativen Verhältnis von 1 : 5 umgesetzt werden in die Si­ gnale S2(A) und S2(B) mit einem verbesserten relativen Ver­ hältnis von 1 : 25. In anderen Worten: relativ starke Signale werden stärker verstärkt als relativ schwache Signale, so daß die relativ starken Signale relativ betont werden, wäh­ rend die relativ schwachen Signale relativ unterdrückt wer­ den. Folglich wird das Hintergrundrauschen wirksam unter­ drückt, und die Kontrastauflösung läßt sich verbessern, wie in Fig. 6 dargestellt ist.
Damit wird unter Verwendung der quadrierten Anzeige für das T2-betonte Bild ein hoher Kontrast durch die spezielle Bilderzeugung des T2-betonten Bildes mit TE = 250 ms unter Verwendung des üblichen Spinecho-Mehrschichtbilderzeugungs­ verfahrens mit TE = 120 ms erhalten, ohne daß eine zusätz­ liche besondere Bilderzeugungsaktivität notwendig ist.
Die zweite vorteilhafte Anwendung der quadrierten Anzeige besteht darin, daß das SAS-Bild als gewichtete Summe der üblichen spinecho-mehrschicht-T2-betonten Bilder gemäß Fig. 7 erhalten werden kann. Wie bereits erwähnt, wird das T2- betonte Bild normalerweise erzeugt durch die Spinecho-Mehr­ schichtbilderzeugung unter der Bedingung der Wiederholungs­ zeit TR = 3000 ms und der Echozeit TE = 30 ms und 120 ms. Nun werden die T2-betonten Bildschichten aufgrund des zwei­ ten Echos von TE = 120 ms zum Ermitteln des SAS-Bildes ver­ wendet. Wenn die unverarbeiteten T2-betonten Bilder ver­ wendet werden, läßt sich die zufriedenstellende Kon­ trastauflösung in dem sich ergebenden SAS-Bild nicht errei­ chen. Allerdings läßt sich unter Verwendung der kontrast­ verbesserten quadrierten Anzeige der T2-betonten Bilder als Quelle für das SAS-Bild ein so hoher Kontrast erreichen, wie er durch die spezialisierte Bilderzeugung des T2-beton­ ten Bildes mit TE = 250 ms unter Verwendung der üblichen Spinecho-Mehrschichtbilderzeugung mit TE = 120 ms erreich­ bar ist, ohne daß irgendwelche zusätzliche Bilderzeugungs­ aktivitäten erforderlich sind. Dies reduziert effizient die sehr lange Bilderzeugungszeit, die früher bei der SAS- Bilderzeugung üblich war.
Die dritte vorteilhafte Anwendung der quadrierten Anzeige besteht darin, daß man aus mehreren die Blutgefäße betonen­ den Bildern ein Angiographiebild erhält. Wie im vorherge­ henden Fall läßt sich durch Verwendung der quadrierten An­ zeige für die Blutgefäße betonenden Bilder der Kontrast in den die Blutgefäße hervorhebenden Bildern verbessern, und demzufolge erhält man eine verbesserte Kontrastauflösung in den Angiographiebildern.
In jedem der oben erläuterten Fälle läßt sich die qua­ drierte Anzeige I2 dadurch erhalten, daß man ein Zwischen­ ergebnis im Verlauf der Ermittlung der Absolutwertanzeige |I| anwendet.
Es sei weiterhin angemerkt, daß eine andere nicht lineare Operation anstelle der Quadrierung in jedem der oben be­ schriebenen Fälle angewendet werden kann, um den gleichen Effekt zu erzielen, so zum Beispiel Operationen wie SL (L < 1), exp(S) und KS (K < 1).
Weiterhin sei angemerkt, daß die Spinecho-Mehrschichtbild­ erzeugung, die bei dem obenerläuterten Ausführungsbeispiel angewendet wird, ersetzt werden kann durch andere Bilder­ zeugungs-Impulssequenzen, zum Beispiel eine Gradienten­ feld-Echo-Mehrschichtbilderzeugung oder eine Spinecho-Ein­ zelschichtbilderzeugung, ohne daß dadurch die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung beeinträchtigt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur NMR-Bilderzeugung mit folgenden Schritten:
Ausführen einer vorbestimmten Bilderzeugungs-Impulssequenz, um NMR-Bilddaten zu erhalten, welche in Form komplexer Zahlen vorliegen,
Quadrieren von Real- und Imaginärteil der jeweiligen Bilddaten, Addieren der Quadrate und Berechnen der Quadratwurzel der Summen, und
Anzeigen eines Bildes mit den so bearbeiteten Bilddaten,
dadurch gekennzeichnet, daß wahlweise die Bilddaten nach oder vor der Berechnung der Quadratwurzel zur Anzeige gebracht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es auf jede Schicht des Untersuchungsobjektes angewendet wird und die NMR-Bilddaten durch Spinecho-Mehrschichtbilderzeugung gewonnen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bilderzeugende Impulssequenz so gewählt wird, daß jede Schicht ein T₂-betontes Bild liefert.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeigebild ein Oberflächenstruktur-Abtastbild ist.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spinecho-Mehrschichtbilderzeugung mit einer Echozeit von 120 ms ausgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bilderzeugende Impulssequenz so gewählt wird, daß jede Schicht ein die Blutgefäße betonendes Bild liefert.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeigebild ein Angiographiebild ist.
8. Vorrichtung zur NMR-Bilderzeugung mit einer Bilderzeugungseinrichtung (1-10) zum Ausführen einer vorbestimmten Bilderzeugungs-Impulssequenz, um NMR-Bilddaten zu erhalten; wobei vorgesehen sind
eine Verarbeitungseinrichtung (10, 11) mit einer Einrichtung (11h-1; 11h-2) zum Quadrieren von Real- und Imaginärteil der jeweiligen Bilddaten, eine Einrichtung (11h-3) zum Addieren der Quadrate und eine Einrichtung (11h-5) zum Bilden der Quadratwurzel aus den Summen;
und eine Anzeigeeinrichtung (12) zum Anzeigen eines Bildes anhand der so bearbeiteten Bilddaten,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Addiereinrichtung (11h-3) und die Wurzelbildungseinrichtung (11h-5) ein Selektor (11h-4) geschaltet ist, um die Anzeigeeinrichtung (12) wahlweise die Ausgangsdaten der Addiereinrichtung (11h-3) oder der Wurzelbildungseinrichtung (11h-5) zuzuführen.
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