DE4327321C1 - Pulssequenz für Kernspintomographiegeräte - Google Patents
Pulssequenz für KernspintomographiegeräteInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Pulssequenz für Kernspintomo
graphiegeräte.
Insbesondere für die funktionelle Bildgebung ist der T₂*-
Kontrast von herausragender Bedeutung. Mit T₂* wird die
effektive Querrelaxionszeit bezeichnet, bei der der Signal
zerfall aufgrund von Spin-Spin-Kopplungen und der Einfluß
von lokalen Feldinhomogenitäten eingeht. Für die funktio
nelle Bildgebung werden meist Suszeptibilitätseffekte aus
genutzt, die sich auf die T₂*-Relaxationszeit auswirken.
Dies können intrinsische Effekte sein, wie sie beispiels
weise bei der Oxygenierung/Deoxygenierung von Blut auftre
ten. Es können aber auch magnetische Kontrastmittel ver
wendet werden, die sich durch einen besonders starken T₂*-
Kontrast vom Gewebe abheben.
Der T₂*-Kontrast ist unmittelbar von der Echozeit, d. h. dem
Abstand zwischen Anregung eines Kernresonanzsignals und
Auslesen des Echosignals abhängig. Im Hinblick auf einen
hohen T₂*-Kontrast muß man daher lange Echozeiten wählen.
Dies führt zu langen Datenakquisitionszeiten. Andererseits
wären gerade in der funktionellen Bildgebung für schneller
ablaufende Vorgänge kurze Datenakquisitionszeiten erfor
derlich.
Um dieses Problem zu lösen, wurde von Lin G. et al., SMRM
Abstract 11, Seite 1817, (1992) ein Verfahren vorgeschla
gen, das dort mit "Echo-shifted FLASH" bezeichnet wird. Da
bei wird das einem Anregepuls zugeordnete Echosignal erst
in einer der nachfolgenden Repetitionsperioden, also zwi
schen zwei nachfolgenden Anregungen gewonnen. Damit kommt
man auch bei kurzen Repetitions- und damit Meßzeiten zu den
gewünschten langen Echozeiten.
Bei diesem Verfahren wird stets dieselbe Schicht angeregt.
Um unerwünschte Echos zu dephasieren, sind zusätzliche
Gradientenpulse vorgesehen. Die Dephasierung unerwünschter
Echos gelingt jedoch in der Praxis nicht vollständig, so
daß das Verfahren relativ artefaktanfällig ist.
Aus der Literaturstelle Bishop J. E., Plewes D. P., SMRM-
Abstracts 9, Seite 437, (1990) ist eine Mehrschichttechnik
bekannt, bei der innerhalb einer Echozeit mehrere Schichten
nacheinander angeregt werden. Durch Aufschalten von 180°-
Hochfrequenzpulsen auf dieselben Schichten werden Spinechos
erzeugt. Mit diesem Verfahren kann bei Messung mehrerer
Schichten ein erheblicher Zeitgewinn erzielt werden. Durch
die Verwendung von Spinechos werden aber lokale Magnetfeld
inhomogenitäten weitgehend kompensiert, so daß die resul
tierenden Bilder keinen T₂-*, sondern einen T₂-Kontrast zei
gen. Für die funktionelle Bildgebung, bei der Suszeptibili
tätseffekte eine maßgebliche Rolle spielen, ist daher die
ses Verfahren nicht geeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs
genannten Art anzugeben, bei dem bei Mehrschicht-Aufnahmen
ein hoher T₂*-Kontrast erzielbar ist und bei dem die Arte
faktanfälligkeit gering bleibt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin
dung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an
hand der Fig. 1 bis 27 näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 bis 5 eine Gradientenechosequenz nach dem Stand der
Technik zur Erläuterung der Problemstellung,
Fig. 6 bis 8 eine weitere Gradientenechosequenz nach dem
Stand der Technik, ebenfalls zur Erläuterung
der Problemstellung,
Fig. 9 bis 13 eine Pulssequenz als erstes Ausführungs
beispiel der Erfindung,
Fig. 14 und 15 die dazugehörigen Phasenverläufe,
Fig. 16 bis 20 eine weitere Pulssequenz als zweites Ausfüh
rungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 21 bis 25 eine weitere Pulssequenz als drittes Ausfüh
rungsbeispiel der Erfindung, und
Fig. 26 und 27 die dazugehörigen Phasenverläufe.
Die Fig. 1 bis 5 zeigen zur Erläuterung der Problemstellung
eine herkömmliche Gradientenechosequenz. Dabei wird unter
der Wirkung eines Schichtselektionsgradienten GS nach Fig. 5
ein Hochfrequenzpuls RF1 auf eine Probe eingestrahlt. Damit
werden Kernspins in einer Schicht des Untersuchungsobjekts
angeregt. Anschließend wird durch einen negativen Puls des
Schichtselektionsgradienten GS die durch die positiven Teil
des Schichtselektionsgradienten GS verursachte Dephasierung
wieder rückgängig gemacht. Gleichzeitig wird ein
Phasencodiergradient GP und ein negativer Puls eines
Auslesgradienten GR eingeschaltet. Durch einen an
schließenden positiven Puls des Auslesegradienten GR werden
die durch den negativen Puls dephasierten Spins wieder
rephasiert, so daß nach einer Echozeit TE ein Gradienten
echosignal S entsteht. Dieses Signal wird abgetastet, digi
talisiert und in eine Zeile einer Rohdatenmatrix einge
tragen.
Diese Sequenz wird jeweils nach einer Repetitionszeit TR n
mal mit jeweils unterschiedlichen Werten des Phasencodier
gradienten GP wiederholt, so daß man n Gradientenecho
signale für n Zeilen der Rohdatenmatrix erhält.
Aus dieser Rohdatenmatrix wird durch zweidimensionale
Fourier-Transformation ein Bild der angeregten Schicht ge
wonnen. In den meisten Fällen werden mehrere nebeneinander
liegende Schichten untersucht. Es ist bekannt, daß man bei
Untersuchung mehrerer Schichten dadurch Untersuchungszeit
sparen kann, daß man bereits während der Repetitionszeit
TR, beispielsweise zum Zeitpunkt t1 eine Anregung einer
weiteren Schicht durchführt und durch Wiederholung der be
schriebenen Pulssequenz auch aus dieser weiteren Schicht
während der anschließenden Repetitionsphase TR ein Kern
resonanzsignal gewinnt. Ein derartiges - in der Kern
spintomographie geläufiges - Verfahren wird auch als "TR-
Interlaced" bezeichnet.
Wie bereits eingangs ausgeführt, sind für die funktionelle
Bildgebung mit hohem T2*-Kontrast vielfach lange Echozeiten
TE erforderlich. Dies ist in den Fig. 6 bis 8 dargestellt.
Die lange Echozeit erzielt man, indem man den positiven
Teil des Auslesegradienten GR nach Fig. 8 klein macht. Die
Rephasierungsbedingung ist dann erfüllt, wenn das Ampli
tudenzeitintegral des positiven Gradiententeils dem Ampli
tudenzeitintegral des negativen Gradiententeils des Aus
lesegradienten GR gleich ist. Zu diesem Zeitpunkt entsteht
das Gradientenechosignal S. Wenn man also die Amplitude des positiven
Teils des Auslesegradienten GR klein macht, wird die Echozeit TE
lang. Der Phasencodiergradient GP und der Schichtselekti
onsgradient GS stimmen mit den in den Fig. 4 und 5 dar
gestellten überein.
Wie man aus den Fig. 6 und 8 erkennt, müßte man bei
langen Echozeiten TE die Repetitionszeit TR verlängern, um
innerhalb einer Repetitionszeit TR mehrere Schichten er
fassen zu können. Somit ist hier mit dem oben beschriebenen
Verfahren "TR-Interlaced" keine Meßzeit zu gewinnen.
Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ver
fahrens ist in den Fig. 9 bis 15 dargestellt. Hier wer
den Hochfrequenzpulse RF mit relativ kurzer Repetitionszeit
eingestrahlt. Durch gleichzeitiges Einschalten von Schicht
selektionsgradienten GS werden diese Hochfrequenzpulse
schichtselektiv, und zwar für unterschiedliche, parallel
zueinanderliegende Schichten I-IV. Nach jedem Hochfre
quenzpuls RF wird zwar ein bipolarer Auslesegradient GR
geschaltet. Dessen Amplituden-Zeitflächen sind jedoch so
gestaltet, daß während der ersten Anregephase A keine Re
phasierung in Ausleserichtung stattfindet. Der Phasenver
lauf ΦR in Ausleserichtung ist in Fig. 14, der Phasen
verlauf ΦS in Schichtselektionsrichtung in Fig. 15 dar
gestellt.
Nach Einstrahlung der vier Hochfrequenzpulse RF auf die
vier Schichten I-IV wird ein starker gemeinsamer Auslese
gradient GRG in positiver Richtung und gleichzeitig ein
Phasencodiergradient GP eingeschaltet. Anschließend folgen
im Sequenzteil B wieder dieselben Auslese-Gradientenpulse
GR wie im ersten Teil der Sequenz, wobei alle Auslesegra
dienten mit Ausnahme des ersten bipolar sind. Diese Aus
lesegradienten führen nun jedoch, wie aus dem Phasenplot
für ΦR und ΦS erkennbar ist, zur Rephasierung der in den
Schichten I-IV angeregten Kernspins und damit zu vier auf
einanderfolgenden Gradientenechosignalen S1 bis S4. Ein
Gradientenechosignal tritt immer dann auf, wenn die Repha
sierungsbedingung erfüllt ist, also die zugehörigen Phasen
kurven durch Null gehen. Die Gradienten-Zeitflächen sind so
gestaltet, daß sich die resultierenden Flächen der auf die
drei Hochfrequenzpulse RFI, RFIII und RFII folgenden Aus
lesegradienten GR1 bis GR3 und des gemeinsamen Auslesegra
dienten GRG wie 1 : 1 : 1 : 2,5 verhalten. Ferner weist der
negative Teil des Schichtselektionsgradienten GSIV nur die
halbe Fläche der negativen Teile der Schichtselektions
gradienten GSI, GSIII und GSII auf. Damit läuft die Repha
sierung der Kernspins wie in den Phasenplots nach Fig. 14
und 15 dargestellt ab. Das erste Gradientenechosignal S1
rührt von der ersten Anregung der ersten Schicht I her usw.
Alle Gradientenechosignale S1 bis S4 sind durch den gemein
samen Phasencodiergradienten GP in gleicher Weise phasen
codiert.
Die Schichten I bis IV werden nicht in ihrer räumlichen
Reihenfolge, sondern in der Reihenfolge I, III, II, IV
angeregt. Indem man nicht zwei räumlich benachbarte
Schichten unmittelbar nacheinander anregt, vermeidet man
Signalverkopplungen aus den Schichten.
Noch während des Sequenzteils B werden neue Hochfrequenz
anregepulse eingestrahlt, wobei diese durch gleichzeitiges
Aufschalten von Schichtselektionsgradienten GS wieder
selektiv auf die einzelnen Schichten I-IV einwirken. Der
Zeitablauf wird dabei so gesteuert, daß die Hochfrequenz-
Anregepulse RF zwischen den Gradientenechosignalen S1 bis
S4 liegen.
Der Sequenzteil B wird n mal mit unterschiedlichen Werten
des Phasencodiergradienten GP wiederholt, wobei man für
jede der vier Schichten I-IV jeweils ein Gradientenecho
signal gewinnt. Damit kann man n Zeilen von vier Rohdaten
matrizen für vier Schichten füllen.
Da hier neue Anregepulse bereits während der Echozeit TE
vorhergehender Anregungen eingestrahlt werden, spricht man
hier im Unterschied zum "TR-Interlaced" auch von "TE-In
terlaced".
Mit diesen Verfahren kann man also auch bei langen Echo
zeiten und Anwendung von Gradientenechosequenzen in kurzer
Zeit die Rohdaten mehrerer Schichten messen. Im gezeigten
Beispiel ergibt sich z. B. gegenüber einer herkömmlichen,
nicht "Interlaced" Sequenz ein Zeitgewinn um den Faktor 4.
Es ist noch zu betonen, daß im Sequenzteil A der Auslese
gradient GR an sich nicht geschaltet werden muß, für die
Sequenzsteuerung ist es jedoch einfacher, wenn die Gradien
ten im gesamten Sequenzablauf gleich geschaltet werden.
Im Gegensatz zur eingangs genannten "Echo-shifted Flash"-
Methode ist es nicht notwendig, Echos außerhalb eines
individuellen TR-Intervalls zu refokussieren. Da man die
Signale nach der Messung dephasiert läßt, erhält man
letztlich die Wirkung eines Gradienten-Spoiler-Pulses.
Primäre und sekundäre Echos können damit für zwei TR-Inter
valle vermieden werden. Dieser Effekt ist im Detail in der
Literaturstelle "Crawley A.P. et,al., Magnetic Resonance in
Medicine, Vol. 8, Seiten 248 bis 260, erläutert. Durch Unter
drückung von Phasenkoharenzen außerhalb der gewünschten
Datenakquisitionszeiten werden zusätzliche Echosignale, die
zu Artefakten führen würden, weitgehend unterdrückt.
Wenn die mit der beschriebenen Sequenz gegebene Dephasie
rung der Kernspins außerhalb der Datenakquisitionszeiten
nicht ausreicht, so kann man zusätzlich auch Hochfrequenz
phasenspoiling vorsehen. Eine derartige Pulssequenz ist in
den Fig. 16 bis 20 dargestellt. Von der in den Fig. 9
bis 15 dargestellten Sequenz unterscheidet sich diese da
durch, daß die Hochfrequenzpulse RF eine wechselnde Phasen
lage aufweisen. Ferner wird kein gemeinsamer Phasencodier
gradient GP für alle vier Gradientenechos S1 bis S4 wie in
Fig. 12 angewandt, vielmehr wird gemäß Fig. 19 vor jedem
Gradientenechosignal S1 bis S4 ein separater Phasencodier
gradient GP eingeschaltet und nach jedem Gradientenecho
signal S1 bis S4 die Phase durch einen entgegengesetzten
Phasencodiergradienten GP wieder zurückgesetzt. Damit kön
nen störende Phasenkohärenzen, die zu artefaktbildenden
zusätzlichen Echos führen, vollständig eliminiert werden.
Bei dem in den Fig. 21 bis 27 dargestellten Ausführungs
beispiel ist der Auslesegradient GR nach Fig. 23 gegenüber
dem Auslesegradienten nach Fig. 11 insofern vereinfacht, als
für die einzelnen Gradientenechosignale S1 bis S4 nur noch
unipolare Gradientenimpulse vorgesehen sind lediglich der vor
angestellte, gemeinsame Gradientenpuls GRG weist eine ent
gegengesetzte Polarität zu den den einzelnen Gradienten
echosignalen S1 bis S4 zugeordneten Auslesegradientenpulsen
GR auf. Letztlich sind hier die Gradientenzeitintegrale der
bipolaren Auslesegradientenpulse nach Fig. 11 zu einem uni
polaren Gradientenpuls zusammengefaßt, so daß die Repha
sierungsbedingungen zu den selben Zeitpunkten erfüllt sind.
Lediglich zwischen Anregung und Rephasierung ist der Pha
senverlauf ΦR in Ausleserichtung - wie in Fig. 26 darge
stellt - etwas anders. Durch den weitgehenden Verzicht auf
bipolare Gradientenpulse wird die Zahl der Schaltvorgänge
geringer, so daß auch weniger Wirbelströme entstehen und
der Gradientenverstärker für die Ausleserichtung entlastet
wird.
Claims (8)
1. Pulssequenz für Kernspintomographiegeräte mit folgenden
Schritten:
- a) Spins in einem Untersuchungsobjekt werden durch eine Folge von Hochfrequenzpulsen (RF) angeregt, die unter der Wirkung von Schichtselektionsgradienten (GS) ein gestrahlt werden und n unterschiedliche Schichten (I- IV) des Untersuchungsobjekts anregen,
- b) durch bipolare Auslesegradienten (GR) werden n jeweils einer Schicht (I-IV) zugeordnete Gradientenechos (S1-S4) der art erzeugt, daß jedes einem Hochfrequenzpuls (Rf) zuge ordnete Gradientenecho zwischen zwei nachfolgenden Hoch frequenzpulsen (RF) zu liegen kommt.
2. Pulssequenz nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß jedem Gradientenecho (S1-
S4) ein bipolarer Auslesegradientenpuls (GR) zugeordnet ist,
und daß zusätzlich vor jedem Sequenzteil (B) ein gemein
samer Auslesegradientenpuls (GRG) eingeschaltet wird.
3. Pulssequenz nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß jedem Gradientenecho (S1-S4) in
unipolarer Auslesegradientenpuls (GR) zugeordnet ist und
daß zusätzlich vor jedem Sequenzteil (B) ein gemeinsamer
Auslesegradientenpuls (GRG) eingeschaltet wird.
4. Pulssequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß die Kern
spins zwischen jeder Auslesephase (B) und dem nächstfolgen
den Hochfrequenzpuls dephasiert bleiben.
5. Pulssequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß alle einer
Gruppe von Schichten zugeordneten Gradientenechos (S1-S4)
vor dem ersten Gradientenecho (S1) gleichzeitig phasenco
diert werden.
6. Pulssequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß jedes einer
Schicht zugeordnete Gradientenecho (S1-S4) unmittelbar vor
der nächst folgenden Anregung derselben Schicht (S1-S4) aus
gelesen wird.
7. Pulssequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß nach der
Abtastung eines einer Schicht zugeordneten Gradientenechos
(S1-S4) weitere Phasenkohärenzen durch Phasen-Spoiling der
Hochfrequenzpulse (RF) zerstört werden.
8. Pulssequenz nach Anspruch 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß vor jedem einzelnen
Gradientenecho (S1-S4) eine Phasencodierung durchgeführt
wird, die nach dem jeweiligen Gradientenecho wieder zu
rückgesetzt wird.
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