DE4327321C1 - Pulssequenz für Kernspintomographiegeräte - Google Patents

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 G_S 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 G_P und ein negativer Puls eines Auslesgradienten G_R eingeschaltet. Durch einen an­ schließenden positiven Puls des Auslesegradienten G_R 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 T_R n­ mal mit jeweils unterschiedlichen Werten des Phasencodier­ gradienten G_P 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 T_R, 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 T_R ein Kern­ resonanzsignal gewinnt. Ein derartiges - in der Kern­ spintomographie geläufiges - Verfahren wird auch als "T_R- Interlaced" bezeichnet.

Wie bereits eingangs ausgeführt, sind für die funktionelle Bildgebung mit hohem T2*-Kontrast vielfach lange Echozeiten T_E erforderlich. Dies ist in den Fig. 6 bis 8 dargestellt. Die lange Echozeit erzielt man, indem man den positiven Teil des Auslesegradienten G_R 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 G_R gleich ist. Zu diesem Zeitpunkt entsteht das Gradientenechosignal S. Wenn man also die Amplitude des positiven Teils des Auslesegradienten G_R klein macht, wird die Echozeit T_E lang. Der Phasencodiergradient G_P und der Schichtselekti­ onsgradient G_S 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 T_E die Repetitionszeit T_R verlängern, um innerhalb einer Repetitionszeit T_R mehrere Schichten er­ fassen zu können. Somit ist hier mit dem oben beschriebenen Verfahren "T_R-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 G_S werden diese Hochfrequenzpulse schichtselektiv, und zwar für unterschiedliche, parallel zueinanderliegende Schichten I-IV. Nach jedem Hochfre­ quenzpuls RF wird zwar ein bipolarer Auslesegradient G_R geschaltet. Dessen Amplituden-Zeitflächen sind jedoch so gestaltet, daß während der ersten Anregephase A keine Re­ phasierung in Ausleserichtung stattfindet. Der Phasenver­ lauf Φ_R in Ausleserichtung ist in Fig. 14, der Phasen­ verlauf Φ_S 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 G_RG in positiver Richtung und gleichzeitig ein Phasencodiergradient G_P eingeschaltet. Anschließend folgen im Sequenzteil B wieder dieselben Auslese-Gradientenpulse G_R 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 Φ_R und Φ_S 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 G_R1 bis G_R3 und des gemeinsamen Auslesegra­ dienten G_RG wie 1 : 1 : 1 : 2,5 verhalten. Ferner weist der negative Teil des Schichtselektionsgradienten G_SIV nur die halbe Fläche der negativen Teile der Schichtselektions­ gradienten G_SI, G_SIII und G_SII 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 G_P 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 G_S 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 G_P 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 "T_R-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 G_R 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 T_R-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 T_R-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 G_P 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 G_P eingeschaltet und nach jedem Gradientenecho­ signal S1 bis S4 die Phase durch einen entgegengesetzten Phasencodiergradienten G_P 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 G_R 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 G_RG weist eine ent­ gegengesetzte Polarität zu den den einzelnen Gradienten­ echosignalen S1 bis S4 zugeordneten Auslesegradientenpulsen G_R 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 Φ_R 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 (G_S) ein­ gestrahlt werden und n unterschiedliche Schichten (I- IV) des Untersuchungsobjekts anregen,
• b) durch bipolare Auslesegradienten (G_R) 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 (G_R) zugeordnet ist, und daß zusätzlich vor jedem Sequenzteil (B) ein gemein­ samer Auslesegradientenpuls (G_RG) eingeschaltet wird.

3. Pulssequenz nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jedem Gradientenecho (S1-S4) in unipolarer Auslesegradientenpuls (G_R) zugeordnet ist und daß zusätzlich vor jedem Sequenzteil (B) ein gemeinsamer Auslesegradientenpuls (G_RG) 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.