DE4216969C2 - Verfahren zur simultanen Akquisition von Spinresonanzdaten für eine ortsaufgelöste Mehrschicht-Untersuchung eines Objektes - Google Patents

Verfahren zur simultanen Akquisition von Spinresonanzdaten für eine ortsaufgelöste Mehrschicht-Untersuchung eines Objektes

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur simultanen ortsaufgelösten Mehrschichtuntersuchung einer Probe mittels magnetischer Resonanz von Spinmomenten, zum Beispiel als Mehrschichttechnik für die Kernspintomographie. Die Erfindung läßt sich auch auf Elektronenspinresonanzverfahren anwenden. Besonders betrifft die Erfindung ein Verfahren zur schnellen Kernspintomographie mit Bildmeßzeiten (Bildmeßzeit = Experimentzeit/Anzahl der simultan akquirierten Schichten), die kürzer als die Bildmeßzeiten für ein Einzelschichtexperiment sind. Gemäß der Erfindung wird das Mehrschichtexperiment mit mindestens einem zusätzlichen Magnetfeld realisiert, das die gemäß Anspruch 1 geforderten Eigenschaften hat.
Die Grundlagen der räumlich aufgelösten magnetischen Kernresonanz sind beispielsweise in einer Monographie von P. Mansfield und P. G. Morris mit dem Titel "NMR Imaging in Biomedicine" (Academic Press, 1982)" beschrieben.
Mathematische und methodische Grundlage der Bildgebung mittels magnetischer Kernresonanz ist in der vorliegenden Erfindung die Methode der zwei- oder drei- oder vier­ dimensionalen Fouriertransformation (siehe die Monographie von P. Mansfield und P. G. Morris Seite 117-127), sie kann jedoch auch mit Methoden der Rekonstruktion von Projektionen (siehe P. Mansfield und P. G. Morris, Seite 133-142) verknüpft werden.
Alternative Verfahren zur simultanen Anregung und zur simultanen Akquisition einer Multischicht (Simultaneous Excitation and Simultaneous Akquisition of Multislices = SESAM) sind in der Form bislang nicht bekannt. Verfahren, die die Totzeit eines Einzelexperiments ausnutzen (Multi-slice Spin-echo-Experimente) zählen nicht zu dieser Kategorie. Auch Verfahren zur simultanen Messung von Kernspinresonanzsignalen aus mehreren Schichten mit Multi- Frequenz-Hochfrequenzimpulsen, siehe z. B. Patentdokument DE 39 26 889 A1, können in diese Kategorie nicht eingeordnet werden, da diese die Gesamtmesszeit = Messzeit/Schicht nicht verkürzen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der ortsaufgelösten NMR, insbesondere der schnellen NMR-Tomographie, dahingehend weiterzubilden, die Bildmeßzeiten pro Objektschicht weiter zu verkürzen. Weiterhin sind die Möglichkeiten der Simultanakquisition für neue Anwendungen in der medizinischen Diagnostik und der Biologie in der NMR noch nicht abzusehen.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen und Applikationen des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere und vor allem die Verbindung mit den Methoden der schnellen NMR-Tomographie sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Bei dem vorliegenden Verfahren liefert eine Hochfrequenz- oder NMR-Anregung ein Mehrschicht-Spinresonanz-(SR-)Signal, insbesondere ein Mehrschicht-NMR-Signal, das zum Beispiel mit einem Gradientenecho mit dem Anschalten eines konstanten Magnetfeldgradienten detektiert werden kann. Während der Aufnahme des NMR-Signals in einem NMR-Spektrometer bzw. während der Probenabtastung wird eine zweite Magnetfeldspule dazugeschaltet. Hierzu ist es nötig, daß das Feld dieser zusätzlichen Spule folgende Eigenschaften besitzt:
Die Magnetfeldkomponente der von der Spule abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung muß mehrere räumlich getrennte, über einen gewissen Bereich homogene Sektionen unterschiedlicher Feldstärke besitzen. Dabei bestimmt die Anzahl dieser homogenen Sektionen die Anzahl der gleichzeitig detektierbaren Schichten der Mehrschichtaufnahme und der Feldstärkeunterschied zwischen den Einzelsektionen bewirkt die Frequenztrennung der Einzelschichten im Frequenzraum und damit auch im Ortsraum. Eine genaue Beschreibung der Art dieser Kodierung findet sich in Fig. 1.
Eine zweidimensionale Fouriertransformation zur Frequenz- und Phasenanalyse des Gesamtsignals ergibt dann das zweidimensionale Mehrschichtbild (s. a. Fig. 2). Dieses Verfahren läßt sich gemäß der Unteransprüche der vorliegenden Erfindung auch auf mehr als zwei Dimensionen ausbauen. Durch die Kombination mehrerer geeigneter Zusatzmagnetfelder (Interleave-Technik) lassen sich neue schnelle dreidimensionale Bildgebungsmethoden realisieren.
Besondere Vorteile des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens sind:
  • a) Die Anzahl der gemessenen Bildschichten oder Bildvolumen ist variabel und hängt nur von den zur Verfügung stehenden Zusatzfeldern und der Bandbreite des NMR-Empfängers ab.
  • b) Die Mehrschichtbilder können beliebig addiert werden, um das Signal/Rausch- Verhältnis zu verbessern, oder Bewegungen zeitlich zu mitteln.
  • c) Das bildgebende Verfahren kann mit jedem bekannten NMR-Bildgebungsverfahren verknüpft werden. Damit können alle, mit den NMR-Bildgebungsverfahren meßbaren Parameter mit dem erfindungsgemäßen Verfahren abgebildet werden.
Das vorliegende schnelle NMR-Abbildungsverfahren kann mit bekannten Geräten zur magnetischen Spinresonanz, insbesondere NMR-Geräten, durchgeführt werden. Lediglich Spulen zur Erzeugung der erfindungsgemäß geforderten Magnetfelder und Hochfrequenzpulse- oder sequenzen mit mehreren Anregungsfrequenzen müssen zusätzlich an die entsprechende Anlage implementiert werden.
Fig. 3 zeigt das prinzipielle Zeitdiagramm für eine NMR-Mehrschichtabbildung nach dem beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren. Nach einer beliebigen, nicht genauer spezifizierten Mehrschicht-"NMR-Anregung" entsteht ein zeitlich abfallendes "NMR-Signal". Dies wird während seiner Anwesenheit so räumlich kodiert, daß eine NMR-Mehrschichtabbildung entsteht. Die Kodierung erfolgt über einen Magnetfeldgradienten und mindestens einem zusätzlichen Magnetfeld. Ein zweiter Gradient ergibt entweder die frequenzkodierte Rauminformation oder eine zusätzliche Phasenkodierung. Ein dritter Gradient kann eine weitere Phasenkodierung in der dritten Raumrichtung (Mehrvolumen-Aufnahme) oder die ebenenspezifische NMR-Anregung (Mehrschichtaufnahme) erbringen.
Bei dem vorliegenden Verfahren zur Mehrschicht NMR-Tomographie wird also während der zeitlichen Dauer eines NMR-Bildgebungsexperimentes ein NMR-Bild mit der Bildinformation mehrerer Einzelschichten in beliebiger räumlicher Auflösung gemessen. Die Grundlage des Verfahrens ist die Verwendung mindestens eines zusätzlichen Magnetfeldes und einer geeigneten Mehrschichtanregung des Objektes.
Das Verfahren ist prinzipiell mit jedem NMR-Experiment und jedem NMR-Signal möglich, wodurch eine beliebige Anzahl von Bildschichten simultan gemessen werden kann.
Ein beispielhaftes SESAM-Zweischicht-Tomogramm ist in Fig. 4 abgebildet.
Fig. 1 Detailbeschreibung eines SESAM-Experimentes im einfachsten Fall einer Zweischichtanregung.
Ein Hochfrequenzpuls geeigneter Form regt bei gleichzeitig eingeschaltetem, schichtselektivem Gradienten GS in z-Richtung zwei Bildschichten simultan an, Fig. 1a. Danach wird das abklingende Signal z. B. in Form eines Gradientenechos unter einem geeigneten Gradientenfeld ausgelesen. Dieses Feld setzt sich aus einem linearen Readgradienten GR und einem Magnetfeld, das z. B. stufenförmig aufgebaut sein kann, zusammen, Fig. 1b. Das zusätzliche Magnetfeld bewirkt, daß die beiden angeregten Schichten unterschiedliche konstante Feldstärken B0' und B0" sehen. Dieser Feldstärkeunterschied bewirkt eine Trennung der beiden Schichten im Frequenzraum.
Um dabei eine vollständige Trennung der Frequenzanteile beider Schichten während des Readvorgangs zu realisieren, muß folgende Bedingung erfüllt sein:
FOVR.GR < B0' - B0" (1)
mit FOVR = FIELD-OF-VIEW in Readrichtung
GR = Stärke des Readgradienten.
Unter dieser Voraussetzung (1) sind die Frequenzinformationen der beiden angeregten Schichten im Frequenzraum und somit nach Fouriertransformation auch im Ortsraum getrennt. Ein Schemadiagramm des SESAM-Konzeptes findet sich in Fig. 2.
Alle Überlegungen lassen sich prinzipiell auch auf den 2D- und 3D-Phasenraum übertragen, d. h. eine Trennung der Mehrschichtinformation in Phasenrichtung ist prinzipiell auch möglich.
Das SESAM-Konzept läßt sich mit verschiedenen aus dem Stand der Technik bekannten Sequenzen kombinieren, die sich der Monographie von P. Mansfield und P. G. Morris entnehmen lassen. Dazu gehören die Saturation-Recovery-Technik (Seiten 270-278), die Progressive- Saturation-Technik (Seiten 43-44), die Inversion Recovery-Technik (Seiten 270-278), die Steady- State-Free-Precession-Technik (Seite 271), die Carr-Purcell-Meiboom-Gill-Technik (Seite 50 und 114), und die Chemical-shift-selective-Technik (Seite 32).
Figurenbeschreibung
Fig. 1a: Simultan-Zweischichtanregung im SESAM-Experiment
Fig. 1b: Eine mögliche, vorteilhafte Feldkonfiguration zur Realisierung des SESAM- Auslesegradienten
Fig. 2: Konzept eines SESAM-Experimentes
Fig. 3: Ein mögliches Zeitdiagramm für eine zweidimensionale SESAM-Mehrschichtabbildung
Fig. 4: Erstes an einem Phantom realisiertes SESAM-Zweischichttomogramm.
Oben ist die Zweischichtanregung ohne spezielles SESAM-Ausleseverfahren zu sehen. Unten wurde das von SESAM zusätzlich geforderte Auslesemagnetfeld mit unterschiedlicher Polung verwendet.

Claims (23)

1. Verfahren zur simultanen Akquisition von Spinresonanzdaten, insbesondere Magnetresonanzdaten, für eine ortsaufgelöste Mehrschichtuntersuchung eines Objektes, bei welchem das Objekt einem konstanten Magnetfeld und einer variablen Kombination von drei Magnetfeldgradienten sowie mindestens einem zusätzlichen Magnetfeld ausgesetzt wird, wobei mindestens ein Hochfrequenzpuls zur Erzeugung einer Mehrschichtanregung verwendet wird und das Mehrschicht-Spinresonanz (SR-) Signal des Objekts, während der Anwesenheit eines Magnetfeldgradienten aufgenommen wird, wobei gleichzeitig mindestens ein zusätzliches Magnetfeld verwendet wird, das durch mehrere, räumlich voneinander getrennte Magnetfeldabschnitte unterschiedlicher Feldstärke gekennzeichnet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Hochfrequenzpulse oder Hochfrequenzpulssequenzen, die gleichzeitig mehrere Resonanzfrequenzen anregen, verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Änderung der Amplitude der zusätzlichen Magnetfelder der Abstand der Frequenzinformationen der Einzelschichten des Mehrschichtexperiments im Frequenzraum sich verändert.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit mindestens einem zusätzlichen Magnetfeld, dessen Amplitude nach geeigneter Weise eingestellt wird, die Daten für ein zweidimensionales Mehrschicht-Tomogramm mit Signalen der magnetischen Kernresonanz (NMR) während der Dauer eines SR-Bildexperiments gleichzeitig gewonnen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten für eine L × N × M- zweidimensionale Mehrschicht-NMR-Abbildung, wobei L die Anzahl der gleichzeitig detektierten Schichten mit einer N × M räumlichen Auflösung darstellt, durch die M-fache Messung eines frequenzkodierten SR-Signals gewonnen werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten für eine L × N × M × P-dreidimensionale Mehrvolumen-NMR-Abbildung, wobei L die Anzahl der gleichzeitig detektierbaren Volumen mit einer M × N × P räumlichen Auflösung darstellt, durch die M × P- fache Messung eines frequenzkodierten SR-Signals gewonnen werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten für eine NMR- spektroskopische L × N × M-zweidimensionale Mehrschichtabbildung durch die M-fache Messung eines frequenzkodierten NMR-Signals gewonnen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten für eine NMR- spektroskopische L × N × M × P-dreidimensionale Mehrvolumenabbildung durch die M × P-fache Messung eines frequenzkodierten NMR-Signals gewonnen werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal ein aus dem freien Induktionsabfall resultierendes Signal ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal ein Spin-Echo-Signal ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das NMR-Signal ein stimuliertes Echo ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal durch ein "Inversion-Recovery"-Experiment erzeugt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal durch ein "Saturation-Recovery"-Experiment erzeugt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal durch ein "Progressive-Saturation"-Experiment erzeugt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal durch ein "Steady-State-Free-Precession"-Experiment erzeugt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal durch eine Mehrpulssequenz zur Erzeugung eines Festkörper-NMR-Spin-Echos erzeugt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal durch eine Carr-Purcell-Meiboom-Gill-Sequenz erzeugt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das NMR-Signal durch eine "Chemical-shift-selective"-NMR-Anregung erzeugt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das SR-Signal durch ein Magnetfeldgradientenecho erzeugt wird.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Akquisition der Daten für eine Mehrschichtabbildung mit einer ganzzahligen Anzahl wiederholt und addiert wird, um das Signal/Rausch-Verhältnis zu verbessern und/oder eine zeitliche Mittelung von Bewegungen des Objekts zu erzielen.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederholung mit einer Wiederholzeit von mindestens gleich der Dauer der Akquisition von Daten für eine Mehrschicht- NMR-Abbildung erfolgt.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrschichtdatenakquisition mit unterschiedlichen SR-Signalen wiederholt wird, um verschiedene Parameter zu messen.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinnung von Mehrschichtdaten mit jeweils dem gleichen Typ von SR-Signal, jedoch mit unterschiedlichen zeitlichen Abständen zwischen der Hochfrequenzpuls-Anregung und der Mehrschichtdaten- Akquisition wiederholt wird.
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