DE4437443C2 - Verfahren zum Betrieb eines Kernspintomographiegerätes mit dynamisch lokalisierter Shimmung des Grundmagnetfeldes - Google Patents
Verfahren zum Betrieb eines Kernspintomographiegerätes mit dynamisch lokalisierter Shimmung des GrundmagnetfeldesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kern
spintomographiegeräts mit einem Grundfeldmagneten und darin
eingebauten Shim-Spulen, bei dem die Shim-Spulen so mit Shim-
Strömen angesteuert werden, daß in einer Schicht eines Unter
suchungsvolumens, die kleiner als dieses Untersuchungsvolumen
ist, ein homogenes Magnetfeld eingestellt wird. Für die Qua
lität der Bildgebung bei Kernspintomographiegeräten ist die
Magnetfeldhomogenität ein entscheidender Faktor. Abweichungen
von der Homogenität führen beispielsweise zu räumlichen Ver
zerrungen.
Pulssequenzen zum Anregen und Auslesen von Kernspins sind in
unterschiedlichem Grad gegen Magnetfeld-Inhomogenitäten emp
findlich. Beispielsweise können mit reinen Spinecho-Verfahren
relativ große Magnetfeld-Inhomogenitäten toleriert werden.
Bei Verfahren, die auf Gradientenechos beruhen, werden dage
gen an die Homogenität höhere Anforderungen gestellt. Beson
ders hohe Anforderungen gelten zum Beispiel für Echo Planar
Imaging (EPI) bei dem durch mehrfaches Umschalten eines Gra
dienten nach einer Anregung innerhalb kurzer Zeit eine Viel
zahl von Kernresonanzsignalen gewonnen wird oder bei Turbo
gradientenspinecho, wo auf eine Anregung mehrere 180°-Pulse
folgen, zwischen denen ein Anslesegradient mit alternierender
Polarität geschaltet wird. Extrem hohe Anforderungen an die
Grundfeldhomogenität im Untersuchungsbereich werden schließ
lich bei funktioneller Bildgebung und lokalisierter Spektro
skopie gestellt, um die spektrale Verschiebung hinreichend
auflösen zu können.
Während es bei geringeren Anforderungen an die Magnetfeld-
Homogenität ausreicht, den Grundfeldmagneten einmal zu shim
men, muß bei höheren Anforderungen eine Shimmung in Abhän
gigkeit vom jeweiligen Meßobjekt erfolgen.
Ein geeignetes
Verfahren ist beispielsweise in der US-PS 5,345,178 beschrie
ben. Dabei werden vor jeder Bilddatenmessung im Untersu
chungsbereich Kernresonanzsignale angeregt und ausgelesen.
Zur Shimmung sind spezielle Shim-Spulen vorgesehen, wobei der
Shim-Strom für diese Shim-Spulen durch Auswertung der genann
ten Kernresonanzsignale ermittelt wird.
Generell gilt, daß die Homogenität für eine bestimmte Region
umso besser eingestellt werden kann, je kleiner diese Region
ist. Als Maß für die Homogenität kann z. B. die Halbwertsbrei
te einer MR-Resonanzlinie dienen. Die MR-Resonanzlinie ist
umso schmäler, je homogener das Magnetfeld ist.
Üblicherweise wird zur Einstellung der Homogenität das gesam
te Kernresonanzsignal benutzt, das nach einer nicht lokali
sierten Anregung von der Antenne eines Kernresonanzgeräts
empfangen wird. Mit dieser "globalen" Shimmung erreicht man
bei Kopfanwendungen mit einer speziellen Kopfantenne Linien
breiten des MR-Signals von etwa 15 bis 25 Hz. Dabei kann
innerhalb des Kopfes die Homogenität noch stark variieren.
Aus der DE 35 40 086 A1 ist es jedoch
bekannt, daß die Homogenität lokal noch weiter verbessert
werden kann, wenn zur Einstellung der Homogenität nur das
Signal aus der Region (Schicht- oder Volumenteil) benutzt
wird, in der später auch die eigentliche Messung stattfindet.
Hier wird also das Magnetfeld nur lokal geshimmt. Wenn man
z. B. nur ein 10×10×1 cm großes Volumenelement im Kopf shimmt,
so erreicht man Linienbreiten von etwa 8 Hz. Dieses bekannte
Verfahren ist aber auf ein Volumenelement bzw. eine Schicht
beschränkt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines
Kernspintomographiegeräts so auszugestalten, daß auch bei
einer Messung in einem größeren Bereich eine verbesserte Ho
mogenität erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An
spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand
der Fig. 1 bis 7 näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für Shim-Spulen
zusammen mit x- bzw. y-Gradienten,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für weitere Shim-
Spulen zusammen mit einer z-Gradientenspule,
Fig. 3 bis 8 eine Pulssequenz, wie sie als Bildgebungs
sequenz für das erfindungsgemäße Verfahren
geeignet ist,
Fig. 9 ein Flußdiagramm für die Multischichttech
nik.
Bekanntlich erfolgt eine Ortsauflösung der Kernspinresonanz
signale in der Kernspintomographie dadurch, daß einem homo
genen statischen Magnetfeld lineare Magnetfeldgradienten
überlagert werden. Zur Ortsauflösung in drei Dimensionen
müssen Magnetfeldgradienten in drei, vorzugsweise senkrecht
aufeinander stehenden Richtungen erzeugt werden. In den
Fig. 1 und 2 ist jeweils ein Koordinatenkreuz x, y, z
eingezeichnet, das die Richtung der jeweiligen Gradienten
darstellen soll. Fig. 1 zeigt schematisch eine herkömmliche
Anordnung von Gradientenspulen für die Erzeugung eines Mag
netfeldgradienten Gy in y-Richtung. Die Gradientenspulen 2
sind als sattelspulen ausgeführt, die auf einem Tragrohr 1
befestigt sind. Durch die Leiterabschnitte 2a wird innerhalb
eines kugelförmigen Untersuchungsvolumens 11 ein weitgehend
konstanter Magnetfeldgradient Gy in y-Richtung erzeugt. Die
Gradientenspulen für den x-Magnetfeldgradienten sind iden
tisch zu den Gradientenspulen 2 für den y-Magnetfeldgradien
ten aufgebaut und lediglich auf dem Tragrohr 1 um 90° in
azimutaler Richtung verdreht. Der Übersichtlichkeit wegen
sind sie daher in Fig. 1 nicht dargestellt.
In Fig. 1 sind ferner Shim-Spulen 4 bis 6 dargestellt, die
ebenfalls als Sattelspulen ausgeführt sind. Die Shim-Spulen 4
bis 6 sind lediglich schematisch angedeutet, Ausführungen
über das Design von Shim-Spulen finden sich beispielsweise im
US-Patent 3,569,823. Jeder Shim-Spule 4 bis 6 ist jeweils
eine Stromversorgung SH1 bis SH3 zugeordnet, die die jewei
lige Shim-Spule 4 bis 6 mit Strömen I1 bis I3 versorgt. Die
Ströme I1 bis I3 sind über eine Recheneinheit C steuerbar.
Die Gradientenspulen 3 für den Magnetfeldgradienten in z-
Richtung sind in Fig. 2 schematisch dargestellt. Die Spulen
sind ringförmig ausgeführt und symmetrisch zum Mittelpunkt
des Untersuchungsvolumens 11 angeordnet. Da die beiden Ein
zelspulen 3a und 3b in der in Fig. 2 dargestellten Weise in
entgegengesetzter Richtung stromdurchflossen sind, verursa
chen sie einen Magnetfeldgradienten in z-Richtung. Ferner
sind in Fig. 2 - wiederum schematisch - weitere, in diesem
Fall ringförmige, Shim-Spulen 7 bis 9 dargestellt, die eben
falls über Stromversorgungen SH4 bis SH6 mit Strömen I4 bis
I6 beaufschlagt werden. Die Ströme I4 bis I6 sind wieder
durch die Recheneinheit c steuerbar.
In den Fig. 1 und 2 ist ferner die Stromversorgung V für
die Gradientenspulen 2 bzw. 3 dargestellt. Der Strom I durch
die jeweilige Gradientenspule 2 bzw. 3 wird durch einen eine
Meßsequenz vorgebenden Pulsgenerator P bestimmt. Durch einen
Geber O, dessen Ausgangssignal zum Ausgangssignal des Pulsge
nerators addiert wird, kann ferner ein Gradienten-Offsetstrom
zusätzlich zu dem von der Pulssteuerschaltung P vorgegebenen
Strom bestimmt werden.
Durch Aufschaltung von Gradienten-Offsetströmen können linea
re Terme der Nichtlinearität des Grundmagnetfeldes eliminiert
werden. Durch die zusätzlichen Shim-Spulen 4 bis 9 können
auch Störterme höherer Ordnung beseitigt werden, so daß die
Homogenität weiter verbessert werden kann. Ein Verfahren zur
Bestimmung von Inhomogenitäten und zur Berechnung der notwen
digen Gradienten-Offsetströme bzw. Shim-Ströme ist in der be
reits eingangs genannten US-Patentschrift 5,345,178 näher er
läutert. Dort wird allerdings ein globales Shim-Verfahren be
schrieben, bei dem die Homogenität im gesamten kugelförmigen
Untersuchungsvolumen 11 optimiert werden soll. Für die Opti
mierung wird zunächst das Untersuchungsobjekt in den Untersu
chungsraum eingebracht, dann durch verschiedene Pulssequenzen
die vorhandene Inhomogenität gemessen und daraus die notwen
digen Shim-Ströme einschließlich der Offset-Ströme für Gra
dienten bestimmt. Die so bestimmten Ströme werden dann wäh
rend der gesamten Messung des Untersuchungsobjekts einge
schaltet.
Bei Untersuchungen werden meist mehrere aneinander anschlie
ßende Schichten des Untersuchungsobjekts zeitlich getrennt
angeregt. Dabei bleiben bei der "globalen" Shimmung die Shim-
Ströme auf einen konstanten Wert eingestellt.
Bei Messung mehrerer Schichten kann die gesamte Meßzeit da
durch erheblich verkürzt werden, daß man während der Repeti
tionszeit der Messung in einer Schicht mindestens eine wei
tere Schicht anregt und mißt. Dabei wird folgende Tatsache
ausgenutzt: Nach Anregung der Kernspins in einer Schicht und
Auslesen der Kernresonanzsignale muß abgewartet werden, bis
die Kernspins sich wieder in ihrer durch das Grundmagnetfeld
vorgegebenen Ruhelage befinden, bevor die nächste Messung mit
denselben Kernspins erfolgen kann. Die Zeit zwischen zwei
Meßvorgängen wird dabei als Repetitionszeit bezeichnet. Nun
kann man allerdings die Kernspins in einer weiteren Schicht
anregen, während man die Relaxation der Kernspins in der
ersten Schicht abwartet d. h. mit der Messung einer zweiten
und eventuell weiteren Schichten kann während der Repeti
tionszeit der Messung in der ersten Schicht begonnen werden.
Dies wird als Mehrschichtverfahren bezeichnet. In Fig. 3 ist
ein solches Mehrschichtverfahren für vier Schichten schema
tisch dargestellt. Dabei werden in jeder Schicht S1 bis S4
Messungen M1 bis Mx mit einer Repetitionszeit TR durchge
führt, wobei sich die Messungen für vier Schichten innerhalb
der Repetitionszeit überlappen. Mit einem derartigen Multi
schichtverfahren kann man also beispielsweise vier Schichten
in etwa der Zeit messen, die sonst für die Messung einer
Schicht erforderlich wäre.
Für die Messungen selbst sind eine Reihe von Pulssequenzen
bekannt. Lediglich beispielhaft sei hier das Echo Planar
(EPI)-Verfahren genannt, das auf Magnetfeld-Inhomogenitäten
besonders empfindlich ist und für das somit das hier be
schriebene Verfahren zur Verbesserung der Homogenitätsbedin
gungen des Grundmagnetfelds besondere Vorteile bringt. Ein
derartiges Meßverfahren ist in den Fig. 4 bis 8 schema
tisch dargestellt, eine detaillierte Erläuterung findet sich
beispielsweise in der EP 0 076 054 B1.
Beim EPI-Verfahren wird zunächst unter einem Schichtselek
tionsgradienten SS nach Fig. 5 ein Hochfrequenzpuls RF nach
Fig. 4 eingestrahlt. Die durch den Schichtselektionsgra
dienten SS verursachte Dephasierung wird anschließend durch
einen negativen Pulsteil rephasiert. Durch mehrfache Inver
sion eines Auslesegradienten RO gemäß Fig. 6 werden die
Kernspins jedes Mal rephasiert, so daß Kernresonanzsignale SI
entsprechend Fig. 8 entstehen. Während der Auslesephase ist
gleichzeitig ein Phasencodiergradient PC gemäß Fig. 7 einge
schaltet, durch den die ausgelesenen Kernresonanzsignale un
terschiedlich phasencodiert werden.
Bevor eine neue Anregung erfolgt, muß bei diesem Verfahren,
wie oben erwähnt, eine Zeitspanne abgewartet werden, in der
Kernspins relaxieren können. Der Abstand zwischen zwei Anre
gungen wird als Repetitionszeit TR bezeichnet. Die Messungen
für mehrere Schichten können entsprechend Fig. 3 ineinander
verschachtelt werden.
Die erfinderische Idee besteht nun darin, daß beim Wechsel
von Schicht zu Schicht die Shimmung nicht konstant bleibt,
sondern dynamisch für jede Schicht eingestellt wird. Dies ist
schematisch in einem Flußdiagramm nach Fig. 9 dargestellt.
Zunächst werden für jede Schicht einzeln die optimalen Shim-
bzw. Offsetströme für die Gradientenströme ermittelt. Dies
kann z. B. nach dem in der US-PS 5,345,178 beschriebenen Ver
fahren erfolgen. Die für die einzelnen Schichten optimalen
Shim-Ströme/Offsetströme werden gespeichert. Bevor nun die
Messungen in den einzelnen Schichten S1 bis S4 ablaufen, wer
den jeweils die optimalen Shim-Ströme/Offsetströme dynamisch
eingestellt. Bei einfacheren Anforderungen müssen nur die
linearen Inhomogenitätsterme korrigiert werden. Dann reicht
es, wenn man die jeweils zur Schicht S1 bis S4 passenden Gra
dienten-Offsetströme den sowieso dynamisch geschalteten Gra
dienten überlagert. Bei höheren Anforderungen werden zusätz
lich dynamisch von Schicht zu Schicht die optimalen Shim-
Ströme für die Shim-Spulen eingestellt.
Mit dem beschriebenen Verfahren können innerhalb der jeweils
gemessenen Schicht bei vorhandener Grundfeld-Inhomogenität
wesentlich bessere Homogenitätswerte erreicht werden. Dies
ist insbesondere deshalb interessant, weil einerseits neue
Techniken, wie z. B. Echo Planar Imaging, Turbo-Gradienten
spinecho und Chemical Shift Imaging eine besonders hohe Homo
genität erfordern, aber andererseits hohe Anforderungen an
globale Homogenitätswerte nachteilig sind. Diese hohen Anfor
derungen lassen sich nämlich nur mit relativ langen Magneten
verwirklichen, die aber teuer und wegen Klaustrophobie-Er
scheinungen für Patienten unangenehm sind.
Claims (4)
1. Verfahren zum Betrieb eines Kernspintomographiegeräts
mit einem Grundfeldmagneten und darin eingebauten Shim-Spulen
(4 bis 9), wobei
- a) die Shim-Spulen (4 bis 9) so mit Shim-Strömen (I1 bis I6) angesteuert werden, daß in einer Schicht (S1 bis S4) eines Untersuchungsvolumens (11), die kleiner als dieses Untersuchungsvolumen (11) ist, ein homogenes Magnetfeld eingestellt wird,
- b) innerhalb der Repetitionszeit (TR) für eine Pulssequenz zur Anregung und zum Auslesen einer Schicht (S1 bis S4) mindestens eine weitere Schicht angeregt wird und
- c) für die jeweils angeregte Schicht (S1 bis S4) eine opti male Einstellung der Ströme durch die Shim-Spulen (4-9) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei für Gruppen benachbar
ter Schichten (S1 bis S4) die Shim-Ströme (I1 bis I6) gemein
sam bestimmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die einzustel
lenden Shim-Ströme (I1 bis I6) für jede Schicht (S1 bis S4)
bzw. Schichtgruppe vor der Gewinnung von Bilddaten gemessen
und abgespeichert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Gra
dientenspulen (2, 3) durch Aufschaltung von Offsetströmen als
Shim-Spulen verwendet werden und daß die Offsetströme ent
sprechend der angeregten Schicht bzw. der angeregten Schicht
gruppe geschaltet wird.
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