DE69029827T2

DE69029827T2 - Schnelles Multimode-Magnetresonanz-Abbildungsverfahren

Info

Publication number: DE69029827T2
Application number: DE69029827T
Authority: DE
Inventors: Donald Baker Twieg
Original assignee: Philips Electronics North America Corp
Current assignee: Philips North America LLC
Priority date: 1989-08-24
Filing date: 1990-08-20
Publication date: 1997-07-24
Anticipated expiration: 2010-08-21
Also published as: EP0414318B1; JPH0392136A; DE69029827D1; US4982161A; EP0414318A3; EP0414318A2; JP3025289B2

Description

BEREICH DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft allgemein Verfahren zur Ermöglichung verhältnismäßig schneller Bilderfassung durch das Sammeln von Kernspinresonanzsignalen unter Verwendung einer Abtastsequenz mit Zyklen oder Teilzyklen mit einer typischen Dauer in der selben Größenordnung wie die Längs- und/oder Transversalrelaxations-Zeitkonstanten eines vorteilhaften Werkstoffs. Diese Erfindung bezieht sich ebenfalls auf Abtastsequenzen, die aus zwei oder mehreren Teilzyklen oder Betriebsarten zusammengesetzt sind.

STAND DER TECHNIK

Der Wunsch zum Vergrößern der Produktivität medizinischer diagnostischer Kernspinresonanzabbildungsgeräte (MRI) hat zur Entwicklung mehrerer schneller Abtasttechniken zum Reduzieren der Dauer von MRI-Untersuchungen geführt. Typisch hat jeder Zyklus einer Abtastsequenz eine Dauer TR in der Größenordnung der Längs-Relaxationszeitkonstant T&sub1; des vorteilhaften Werkstoffs, wobei jeder Zyklus einen Hf-Erregerimpuls enthält, der von einem Winkel α gekennzeichnet wird (der vom Impuls hervorgerufene Magnetkippwinkel), der im wesentlichen für das Signallrauschverhältnis als bekannte Funktion von TR und T&sub1; optimiert wird. Da die Präzessierungkernresonanzspins, die jeder Hf-Erregerimpuls erregt, nicht zu Unbedeutsamkeit vor dem Ankommen des folgenden Hf-Erregerimpulses abklingen, entsteht hierdurch eine Wechselwirkung zwischen aufeinanderfolgenden Zyklen derart, daß eine freie Präzessionsspinkombination in eingeschwungenem Zustand sich bildet, deren Gradientenechos in den Sequenzen erregt werden. Beschreibungen typischer Schnellabbildungsverfahren sind in P. van der Meulen et al "FAST FIELD ECHO IMAGING: An Overview and Contrast Calculations", Magnetic Resonance Imaging, Vol 6, S.335.. .368, 1988 gegeben. Da zwischen Erregerimpulsen eine konstante Periode TR für typische Schnellabbildungstechniken benutzt wurde eine andere Sequenzklasse ohne einfache Zwischenimpulsperiode mit der Bezeichnung der synkopierten periodischen Erregung (SPEX) zur Bildung einer Spinkombination im eingeschwungenen Zustand erwogen. W. Sattin "SYNCOPATED PERIODIC EXCITATION (spex): Fast Imaging With Reduced Susceptibility Artifacts" SMRI 1988: SIXTH ANNUAL MEETING PROGRAM AND ABSTRACTS NO. 203 und 5. Patz et al "MISSING PULSE STEADY STATE FREE PRECESSION", Magnetic Resonance in Medicine 10, S.194.. .209 (1989) beschreiben Seqeunzen mit zwei verschiedenen Zwischenpulsperioden mit einer jeweiligen Dauer T und 2T.
Beim herkömmlichen Kernspinresonanzabbilden ist es bekannt, daß das erzeugte Bild aus gesammelten Kernspinresonanzsignalen eine Raumverteilung der Kernmagnetisierungsspindichten darstellt. Die Spindichte an jeder Stelle in einem Raum kann eine Kombination von Zuteilungen aus physikalisch verschiedenen Spinsammlungen mit verschiedenen Kennlinien sein, die z.B. Quer- und/oder Längsrelaxafion. Die Kontrastgebiete in einem Bild können daher durch Förderung oder Reduzierung der Zuteilungen aus den physikalisch verschiedenen Sammlungen geändert werden. Diese Förderung oder Reduzierung ist eine Gewichtung durch die verschiedenen Parameter einer Sequenz, die z.B. die Zeit TE nach einem Erregerimpuls, wenn ein Echo erregt wird. Andere Gewichtungen sind möglich, um den Versuch anzustellen, derartige physikalische Kennlinien wie die relative Larmor- Frequenz der Sammlung, den Fluß oder Diffusion der Sammlung oder den Grad der Kopplung der Sammlung mit anderen erregten Spinsystemen zu fördern. Außerdem bieten Vergleiche zwischen verschieden gewogenen Abbildungen das Potential für weitere Arten von Kontrastförderung oder Kontrastreduzierung.
Die von Lee und Cho in Magnetic Resonance in Medicine 8, 142... 150 25 (1988) und von Redpath und Jones in Magnetic Resonance in Medicine 6, 224 (1988) beschriebenen im wesentlichen gleichen Techniken erzeugen gleichzeitig zwei getrennte Abbildungen aus dem freien Induktionsabklingsignal (FID) und ein "kontrastverstärktes" Echosignal in einer herkömmlichen freien Präzessionssequenz mit Einfachbetrieb im eingeschwungenen Zustand. Jedoch ist der Bereich von Gewichtungen für dieses Abbildungspaar verhältnismäßig beschränkt, und ermöglicht im allgemeinen keine ausreichende Flexibilität zum wesentlichen Isolieren von Abhängigkeit von einem besonderen und verschiedenen Parameter.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren schneller gleichzeitiger Abbildungserfassung mit im weiten Bereich einstellbaren Gewichtungen anzugeben und Mittel zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
Zur Lösung dieser und weiterer Aufgaben ist ein Kernspinresonanzabbildungsverfahren, mit dem die Sequenzen zum Erzeugen von Kernspinresonanzechosignalen gewählt werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine freie Präzessionsfunktion im k-Raum (im Raumfrequenzraum) im eingeschwungenen Zustand mit voneinander getrennten Abbildungstransformationskeulen geschaffen wird, aus denen die Echos selektiv erregt werden.
Die Keulen stellen verschobene räumliche Fourier-Transformierten oder räumliche Frequenzverteilungen von Abbildungen verschiedener Gewichtungen dar. Jede Sequenz kann zum Erregen von Mehrfachechos strukturiert werden, die zeitlich aus verschiedentlich gewählten Transformationskeulen durch geeignete Abtastungen im k-Raum voneinander getrennt werden. Faktisch werden vier getrennte Keulen im gleichen Zyklus auf geeignete Weise abgetastet.
Die freie Präzessionsspinkombination im eingeschwungenen Zustand ist das Ergebnis einer Multimode-Sequenz, wobei jede Sequenz wenigstens zwei Teilzyklen einer jeweiligen Dauer TA und TB hat, und in bezug auf die betreffenden Hf- Erregerimpulswinkel αA und αB. Die zwei Teilzyklen haben je konstante Vektorgradientenintegrale KA und KB auf die Teilzyklen, und diese Integrale entsprechend Auswanderungen im k-Raum während der zwei Teilzyklen von k=0 bis k=KA bzw. k=0 bis k=KB. Unter Multimode sei verstanden, daß die zwei Teilzyklen sich in wenigstens einem ihrer Eigenschaften von Impulswinkel, Dauer und Gradientenintegral unterscheiden. Die Wege dieser Auswanderungen sind strukturiert, um voneinander zeitlich getrennte und durch die vorteilhaften Transformationskeulen gerichtete Abtastungen zu umfassen, wobei jede Abtastung der Erregung eines Gradientenechos durch Induzierung einer Kohärenz in der abgetasteten Transformationskeule entspricht.
Da die Gradientenechos aus mehreren verschiedenen Keulen mit zeitlicher Trennung voneinander bei jedem Zyklus erregt werden, können die Echos aus jeder Keule getrennt gesammelt werden, wodurch eine gleichzeitige Erfassung mehrerer Abbildungen verschiedener Gewichtungen erfolgt. Der Multimode-Merkmal der Sequenz ermöglicht die Flexibilität zum Wählen des Gewichtungstyps in einem weiten Bereich und faktisch zum Isolieren von Abhängigkeit von vorteilhaften besonderen Parametern.
Im erwähnten Artikel "Missing Pulse Steady State Free Precession", von S. Patz et al, Magnetic Resonance in Medicine 10, S. 194... .209, wird ein Fehlimpuls-SSFP-Zyklus beschrieben, der zwei Teilzyklen enthält, von denen ein erster Teilzyklus eine Intervallzeit τ und ein zweiter Teilzyklus eine Dauer der doppelten Intervallzeit τ haben. Weiter enthält der Zyklus zwei Hf-Impulse. Ein erster Impuls mit dem Impulswinkel θ&sub1; und ein zweiter Impuls mit dem Impulswinkel θ&sub2;. Weiter wird nur ein einfaches Echo nach dem zweiten Hf-Impuls θ&sub2; dargestellt. Außerdem wird in diesem Artikel beschrieben, daß in einer Fehlimpuls-SSFP-Sequenz ein einfaches Spinecho weniger empfindlich für Magnetfeldinhomogenitäten ist. Ebenso wird im bekannten Dokument bemerkt, daß das Spinecho in einer Fehlimpuls-SSFP-Sequenz in zwei verschiedene Echos durch Unwuchtung !! der Gradienten aufteilbar ist, und dabei werden zwei Abbildungen mit verschiedenem T&sub2;-Kontrast erhalten, vorausgesetzt die Inhomogenitäten sind nur klein. Ein Unterschied zwischen diesem Artikel und der Erfindung besteht darin, daß die Erfindung sich auf Multimode-SSFP bezieht. Die Multimode-SSFP enthält zwei Teilzyklen. Die zwei Teilzyklen unterscheiden sich in wenigstens einer der Eigenschaften Impulswinkel, Dauer und Gradientenintervall. Auch die Dauer des zweiten Teilzyklus ist ungleich der doppelten Dauer τ des ersten Teilzyklus. Außerdem lehrt uns dieser Artikel, daß die Stellen der gespalteten Echosignale beschränkt sind. Das erste Echosignal und das zweite Echosignal befinden sich an einer Stelle zwischen und 2τ in Abhängigkeit vom zugeführten Lesegradienten, so daß der Bereich von Gewichtungen für zwei gleichzeitig erhaltene Abbildungen beschränkt ist. Die Erfindung bietet die Flexibilität zum Wählen des Gewichtungstyps in einem weiten Bereich.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen Kernspinresonanztomographieapparat zur Anwendung mit der Erfindung,
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild eines derartigen Geräts,
Fig. 3 ein Diagramm von k-Raum-Auswanderungen durch eine erste veranschaulichte Sequenz nach der Erfindung,
Fig. 4 ein Zeitablaufdiagramm von Hf- und Gradientensignalen für die erfindungsgemäße erste veranschaulichte Sequenz zum Erzeugen der k-Raum- Auswanderungen in Fig. 3,
Fig. 5 ein Diagramm von k-Raum-Auswanderung durch eine erfindungsgemäße zweite veranschaulichte Sequenz, und
Fig. 6 ein Zeitablaufdiagramm von Hf- und Gradientensignalen für die erfindungsgemäße zweite veranschaulichte Sequenz zum Erzeugen der k-Raum- Auswanderungen nach Fig. 5.
Der allgemeine Hintergrund dieses Themas kann im Buch "PRACTICAL NMR IMAGING", von M.A. Foster und J.M.S. Hutchinson Editors, IRL Press Limited, 1987 gefunden werden. Zum besseren Verständnis dieser Erfindung wird mit einer Diskussion über das Kernspinresonanztomographiegerät angefangen.
Das Magnetresonanztomographiegerät, das schematisch in Fig. 1 dargestellt ist, enthält ein System zum Erzeugen eines statischen homogenen Magnetfelds, das aus vier Spulen 1 besteht. Dieses Feld erstreckt sich in der z-Richtung eines kartesianischen xyz-Koordinatensystems. Die Spulen 1 sind konzentrisch in bezug auf die z-Achse angeordnet und können auf einer sphärischen Oberfläche 2 angebracht werden. Der zu untersuchende Patient 20 befindet sich in diesen Spulen.
Zum Erzeugen eines magnetischen Gradientenfelds Gz, das sich in der z- Richtung erstreckt und linear in dieser Richtung sich ändert, sind vier Spulen 3 vorgesehen, die vorzugsweise auf derselben sphärischen Oberfläche angeordnet sind. Es sind weiter vier Spulen 7 vorgesehen, die ein magnetisches Gradientenfeld Gx erzeugen, das sich ebenfalls in der z-Richtung erstreckt, aber dessen Intensität sich linear in der x- Richtung ändert, und diese Änderung wird als sich in der x-Richtung erstreckender Gradient beschrieben. Ein magnetisches Gradientenfeld Gy, das sich in der z-Richtung erstreckt und einen Gradienten in der y-Richtung enthält, wird von vier Spulen 5 erzeugt, die denselben Aufbau wie die Spulen 7 haben können, aber mit einer Drehung über 90º in bezug damit angebracht sind. Nur zwei dieser vier Spulen sind in Fig. 1 dargestellt. Da jedes der drei Spulensysteme 3, 5 und 7 zum Erzeugen der magnetischen Gradientenfelder Gz, Gy bzw. Gx in bezug auf die sphärische Oberfläche 2 symmetrisch angeordnet ist, ist die Feldintensität in der Mitte der Sphäre, wie gleichzeitig der Ursprung des kartesischen Koordinatensystems ist, nur vom statischen homogenen Magnetfeld des Spulensystems 1 bestimmt.
Weiter gibt es eine Hf-Spule 11, die symmetrisch in bezug auf die Ebene z=0 des Koordinatensystems angeordnet und derart aufgebaut ist, daß sie ein Hf- Magnetfeld erzeugt, das im wesentlichen homogen ist und sich in der x-Richtung erstreckt, d.h. senkrecht auf die Richtung des statischen homogenen Magnetfelds. Die Hf-Spule empfängt einen Hf-modulierten Strom aus einem Hf-Generator bei jedem Hf- Impuls. Neben jedem Hf-Impuls dient die Hf-Spule 11 ebenfalls zum Empfangen von in der Untersuchungszone erzeugter Spinresonanzsignale. Jedoch läßt sich auch an ihrer Stelle eine getrennte Hf-Empfangsspule verwenden.
In Fig. 2 ist ein vereinfachtes Schaltbild des obigen Magnetresonanz-Tomographiegeräts dargestellt. Über eine Schaltungsanordnung 12 ist die Hf-Spule 11 einerseits mit einem Hf-Generator 4 und an der anderen Seite mit einem Hf-Empfänger 6 verbunden.
Der Hf-Generator 4 enthält einen Hf-Oszillator 4, dessen Frequenz digital steuerbar ist und Schwingungen mit einer Frequenz gleich der Larmor-Frequenz der zu erregenden Kerne bei der von den Spulen 1 erzeugten Feldintensität ist. Bekanntlich kann die Larmor-Frequenz f entsprechend dem Verhältnis f=cB berechnet werden, worin B die Magnetflußdichte im statischen homogenen Magnetfeld und c das gyromagnetische Verhältnis sind. Beispielsweise beträgt für Protonen dieses Verhältnis 42,56 MHz/T. Der Ausgang des Oszillators 4 ist mit einem Eingang einer Mischstufe 43 verbunden. Die Mischstufe 43 empfängt ein zweites Eingangssignal aus einem Digital/Analog-Wandler 44, dessen Ausgang mit einem Digitalspeicher 45 verbunden ist. Eine Reihe digitaler Datenwörter, die ein Impulsumhüllungssignal darstellen, wird aus dem Speicher unter der Steuerung einer Steuerschaltung 15 gelesen.
Die Mischstufe 43 bearbeitet die zugeführten Eingangssignale derart, daß die mit dem Umhüllungssignal modulierte Trägerschwingung an ihrem Ausgang erscheint. Das Hf-Impuls-Ausgangssignal der Mischstufe 43 gelangt über einen Schalter 46, der mit der Steuerschaltung 15 gesteuert wird, an einen Hf-Leistungsverstärker 47, dessen Ausgang mit der Schaltungsanordnung 12 verbunden ist. Diese Anordnung wird ebenfalls von der Steuerschaltung 15 gesteuert.
Der Empfänger 6 enthält einen Hf-Verstärker 60, der mit der Schaltungsanordnung verbunden ist und das in der Hf-Spule 11 induzierte Echosignal empfängt. Die Schaltungsanordnung muß dabei in der geeigneten Schaltstellung stehen. Der Verstärker 60 enthält einen Stummeingang, der von der Steuerschaltung 15 gesteuert wird und über die er derart gesperrt werden kann, daß sein Verstärkungsgrad im wesentlichen gleich Null ist. Der Ausgang des Verstärkers ist mit den ersten Eingängen von zwei Multiplizier-Mischstufen 61 und 62 verbunden, die je ein Ausgangssignal ausgeben, das dem Produkt ihrer Eingangssignale entspricht. Die zweiten Eingänge der Mischstufen 61 und 62 empfangen ein Signal mit der Frequenz des Oszillators 40, wobei zwischen den beiden Eingängen ein Phasenunterschied von 90º besteht. Dieser Phasenunterschied wird mit Hilfe einer 90º-Phasenverschiebestufe 48 geschaffen, deren Ausgang mit dem Eingang der Mischstufe 62 und deren Eingang mit dem Eingang der Mischstufe 61 und mit dem Ausgang des Oszillatörs 40 verbunden ist.
Die Ausgangssignale der Mischstufen 61 und 62 gelangen über Tiefpaßfilter 63 und 64, die sowohl die vom Oszillator 40 gelieferte Frequenz als auch alle höheren Frequenzen unterdrücken und niedrigere Frequenzkomponenten leiten, an jeweilige Analog/digital-Wandler 65, 66. Diese Wandler setzen die Analogsignale der einen Quadraturdemodulator bildenden Schaltung 61.. .64 in Digitaldatenwörter um, die an einen Speicher 14 gelegt werden. Die Analog/Digital-Wandler 65 und 66 sowie der Speicher empfangen ihre Taktimpulse aus einen Taktimpulsgenerator 16, der von der Steuerschaltung 15 über eine Steuerleitung gesperrt und freigegeben werden kann, so daß das aus der Hf-Spule 11 gelieferte und in den Niederfrequenzbereich umgesetzte Signal in eine Reihe von Digitaldatenwörtern zur Speicherung im Speicher 14 nur in einem Meßintervall umgesetzt werden kann, das die Steuerschaltung 15 definiert.
Die im Speicher 14 gespeicherten Datenwörter oder Abtastwerte gelangen an eine Rechenanordnung, die daraus die räumliche Verteilung der Kernmagnetisierung in einer Scheibe der Untersuchungszone bestimmt, in der die auf diese Weise bestimmte Verteilung an ein geeignetes Anzeigegerät, beispielsweise an einen Monitor 18, gelegt wird. Stromgeneratoren 23, 25 und 27 speisen die drei Spulensysteme 3, 5 und 7 mit Strömen mit zeitlich von der Steuereinheit 15 gesteuerten Änderungen.
In dieser Erfindung werden die Hf-Erregerimpulse und Gradientenwellenformänderungen in einer Folge von Zyklen zugeführt, in der für Schnellabbildungszwecke die Zeit zwischen Erregerimpulsen in derselben Größenordnung wie die Längs- und/oder Querrelaxationszeitkonstanten T&sub1; und T&sub2; des betreffenden Materials hat. Außerdem ist jeder Zyklus durch eine Anzahl von Teilzyklen gekennzeichnet, die je einen Hf-Erregerimpuls und ein daraus entstehendes Intervall haben, in dem die erregten Kernmagnetisierungsspins an jedem Punkt etwas nachlassen, während sie bei einer momentanen Larmor-Frequenz proportional dem momentanen Längsmagnetfeld an dem Punkt unter Beeinflussung durch die momentanen Magnetgradientenfelder präzessieren, wobei die verschiedenen Gradienten Gx, Gy und Gz als die orthogonalen Komponenten eines Vektorgradienten beschreibbar sind. Das momentane Zeitintervall über den Vektorgradienten in jedem Teilzyklus stellt eine Auswanderung in den Raumfrequenzraum oder in den Fourier-transformierten Raum dar, der unter k-Raum bekannt ist. Die Erfindung ist durch eine Folge gekennzeichnet, die aus wenigstens zwei verschiedenen Teilzyklen in jedem Zyklus besteht, wobei das Integral des Vektorgradienten über jeden Teilzyklus gleich ist in jedem folgenden Zyklus. Also kann die Auswanderung in den k-Raum für denselben Teilzyklus in jedem folgenden Zyklus in der Folge denselben Endpunkt haben.
In einer Doppelmodusfolge mit einem Paar von Teilzyklen mit den betreffenden verschiedenen Vektorgradientenintegralen KA und KB hat das momentane Magnetresonanzsignal SB(t) im Teilzyklus "B" durch den kombinierten Effekt der Kernmagnetisierungsspins, die in diesem Teilzyklus erregt wurden, und im vorangehenden Teilzyklus "A" folgende Form:
SB(t) = WFB0(k(t) + WB1F(k(t)-KA) + WB2F(k(t)+KA) + WB3F(k(t)-KB) + WB4F(k(t)-(KB-KA)) + WB5F(k(t)-(KA+KB))
worin k(t) das momentane Quervektorgradientenintegral und F(k) die zweidimensionale Fourier-Transformierte des Bildes in Abhängigkeit davon ist. WB1 bis WB5 sind Skalenfunktionen von αA, αB, TA, TB, T&sub1; und T&sub2;, wobei die letzten zwei !! die Längs- bzw. die Querrelaxationszeitkonstanten des Werkstoffs in der Spingesamtheit sind.
Es wird also klar sein, daß der vorgenannte Ausdruck den verschieden gewogenen Bildtransformationskeulen entsprechen, die bei k=0, KA, -KA, KB, KB-KA und KB+KA zentriert sind. Da erwartet wird, daß der Ausdruck für SA(t) unter Berücksichtigung der Symmetrie Transformationskeulen hat, die zusätzlich um -KB und KA-KB zentriert sind, soll klar sein, daß die frei Präzessionsspinkombination im eingeschwungenen Zustand durch die übliche Haupttransformationskeule gekennzeichnet ist, die bei k=0 zentriert ist, und eine Anzahl anderer im Abstand voneinander liegender Bildtransformationskeulen um mehreren anderen Punkten im k-Raum einschließlich nachstehender Punkte zentriert ist : ± KA, ± KB, KA±KB und KA+KB. Wenn die Größen der Vektoren von k=0 nach diesen anderen Punkten viel größer gewählt werden als die in der bildtransformierten vorhandenen größten Raumfrequenz, werden die Transformationskeulen ausreichend voneinander getrennt, so daß sie im k- Raum getrennt abgetasten werden können.
In Fig. 3 sind in einem Anteil des k-Raums die verschiedenen Keulen "F" in der freien Präzessionsspinkombination im eingeschwungenen Zustand aus KA und KB veranschaulicht, die in angrenzenden Quadranten gewählt sind und gleiche Größen haben. In Fig. 3 sind zwei Auswanderungsgruppen im k-Raum dargestellt, die jeweils von zwei Teilzyklen der Änderung von Magnetgradienten- und Hf-Feldern erzeugt werden. Der Grundzyklus der Folge ist in Fig. 4 mit den zwei Teilzyklen dargestellt. Im ersten Teilzyklus der Länge TA gibt es einen Hf-Erregerimpuls mit einem Kippwinkel αA im allgemeinen kleiner als 90º und beispielsweise mit einer Kegelstumpf-SINC-Form, und dieser Hf-Erregerimpuls wird von einem Scheibenwählgradienten Gz in der Zeit tAe. Dem Erregerimpuls folgt die erste Auswanderung in den k-Raum von k=0 bis k=KA im Zeitintervall tA1 bis tA5. Im zweiten Teilzyklus der Länge TB größer als TA nach einem zweiten Hf-Erregerimpuls mit dem Kippwinkel αB (ebenfalls im allgemeinen kleiner als 90º), der dem ersten Hf- Impuls kohärent ist, in Begleitung des Scheibenwähigradienten Gz gibt es die zweite Auswanderung in den k-Raum von k=0 bis k=KB in den Zeitintervallen tb1 bis tB7. Im ersten Teilzyklus durchquert die Auswanderung in den k-Raum sequentiell die Transformationskeulen F, die bei k=0 und bei k=KA zentriert sind, während im zweiten Teilzyklus die Auswanderung in den k-Raum sequentiell die Transformationskeulen F durchquert, die bei k=0, k=KA+KB und k=KB zentriert sind.
Im ersten Teilzyklus im Zeitintervall tA1 hat der Scheibenwählgradient Gz einen negativen Neuphasierungsimpuls, hat der Lesegradient Gx einen negativen Vorbereitungsimpuls und hat der Phasencodierungsgradient Gy einen positiven oder negativen Impuls mit einer anderen Amplitude in jeder Folge. Die Impulse in Gx und Gy während tA1 bewirken die Auswanderung in den k-Raum von k=0 bis zum Punkt 70, der der Startpunkt für eine Abtastung durch die Haupttransformationskeule F mit einer Zentrierung bei k=0 ist. In tA2 gelangt ein positiver Impuls an den Lesegradienten Gx zum Durchführen dieser Abtastung bei einer Auswanderung in den k-Raum zum Punkt 72, wobei in dieser Zeit das Hf-Feldecho SA(0) im Empfänger 6 detektiert und Abtastungen davon im Speicher 14 gesammelt werden, genauso wie in einer herkömmlichen Spin-Verzugs-Folge. Jedoch wird im Gegensatz zu einer derartigen herkömmlichen Folge während tA3 ein negativer Impuls an Gx und ein positiver Impuls an Gy gelegt, so daß die Integrale dieser Impulse die Auswanderung in den k-Raum vom Punkt 72 bis zum Punkt 74 bewirken. Der Punkt 74 befindet sich an derselben Stelle in bezug auf k=KA wie der Punkt 70 in bezug auf k=0. Dabei wird während tA3 zum Erhalten der Abtastungsauswanderung zum Punkt 76 der Lesegradient Gx wiederum zugeführt und das Feldecho SA(KA) detektiert, und Abtastungen davon in dem Speicher 14 gesammelt. Danach enthält während tA5 Gz einen negativen Entphasierungsimpuls, während ein negativer Impuls in Gx (derselbe wie bei tA1) und der Phasendecodierungsimpuls in Gy (entgegengesetzt zu dem während tA1) erzeugen die Auswanderung vom Punkt 76 nach k=KA in Vorbereitung des folgenden Teilzyklus.
Im zweiten Teilzyklus sind die verschiedenen Gradientensignale während tB1 bzw. tB2 gleich denen während tA1 und tA2 und erzeugen dieselbe Abtastung durch die Haupttransformationskeule bei der Zentrierung bei k=0 und der Erfassung des Feldechosignals SB(0). Jedoch werden während tB3 Impuls an Gx und Gy gelegt, um die Auswanderung in den k-Raum vom Punkt 72 zum Punkt 78 auszuführen, wobei der Punkt 78 sich an derselben Position in bezug auf k=KA+KB wie der Punkt 70 bezüglich k=0 befindet. Darauf wird während tB4 der Lesegradient Gx nachmals zugeführt und die Abtastauswanderung zum Punkt 80 wird ausgeführt, und in dieser Zeit werden Zeitabtastungen des Echosignais SB(KA+KB) erfaßt. Danach werden während tB5 Impulse an Gx und Gy gelegt, um die Auswanderung in den k-Raum vom Punkt 80 zum Punkt 82 auszulösen. Der letztgenannte Punkt befindet sich ebenfalls an derselben Stelle in bezug auf k=KB wie der Punkt 70 bezüglich k=0. Im Zeitintervall tB6 wiederum durch die Zufuhr des Lesegradienten Gx erfolgt die Auswanderung in den k-Raum bis zum Punkt 84, un in dieser Zeit werden Zeitabtastungen des Echosignals SB(KB) erfaßt. Zuletzt werden während tB7 Gradientenimpulse gleich denen während tA5 zugeführt, um die Auswanderung in den k-Raum zum KB in Vorbereitung des folgenden Zyklus ausgeführt.
Es soll klar sein, daß die Phasencodierungsgradientenimpulse während tA1 und tB1 und die entgegengesetzten Phasendecodierungsgradientenimpulse während tA5 und tB7 von Zyklus zu Zyklus geändert werden, um eine Sammlung paralleler Abtastungen durch die Transformationskeulen F mit einer Zentrierung bei k=0, KA, KA+KB, und KB zu erhalten. Im Scheibenwählgradienten Gz werden die verschiedenen negativen Impulse zum Auswuchten der verschiedenen positiven Impulse gewählt, so daß Gz nach Null über jeden Teilzyklus integriert. Für jeden Zyklus integrieren Gx bzw. Gy nach den kx- und den ky-Komponenten des Vektors KA im ersten Teilzyklus und nach den kx- und ky-Komponenten des Vektors KB im zweiten Teilzyklus.
Freie Multimode-Präzession im eingeschwungenen Zustand kann nach einem Grundzyklus mit N verschiedenen Teilzyklen verallgemeinert werden, wobei jeder Teilzyklus ein konstantes Gradientenintegral über den Teilzyklus in jedem folgenden Zyklus der Folge hat. Es sind viele Abwandlungen in den Einzelheiten der Folge möglich. Beispielsweise können Sequenzen zur Verwendung in spektroskopischen Abbildungsanwendungen zum Beispiel aufgebaut werden, wobei die Hf-Erregerimpulse für wasserunterdrücktes Protonlaktat-Abbilden konfiguriert sind. Die Sequenzen können sich für zweidimensionale Scheibenwahl nach der Veranschaulichung eignen, oder auf andere Weise kann Volumenerfassung mit zwei Phasencodierungsgradienten und einem Lesegradienten benutzt werden.
Die Erfindung ist verwendbar beim Mehrscheibenabbilden und mit verschiedenen Verfahren der Bildrekonstruktion, wie z.B. mit diskreter Fourier- Transformation oder Projektionsrekonstruktion. Eine andere mögliche Abwandlung ist die Benutzung der sich schnell ändernden Gradienten der Echoplanar-Abbildungstechnik in jedem Teilzyklus, wobei in jedem Teilzyklus die Sammlung einer Gruppe paralleler Abtastungen einer oder mehrerer der Bildtransformationskeulen ermöglicht wird.
Die Hf-Impulswinkel, die Teilzyklusdauer und die Gradientenintegrale können entweder theoretisch oder empirisch gewählt werden, um eine Gruppe von Bildern mit einem Bereich von T&sub2;- oder T&sub1;-Empfindlichkeiten zu erzeugen. Außerdem können unter Verwendung einer für Fluß oder Diffusion empfindlichen Gradientenwelle Mehrfachfluß- oder diffusionsempfindliche Abbildungen erhalten werden, möglicherweise mit Empfmdlichkeiten in verschiedenen Richtungen.
In Fig. 5 und 6 sind entsprechende k-Raum-Auswanderungen und Zeitablaufdiagramme von Hf- und Gradientensignale dargestellt, wobei Hf-Signale, SA (KA) und SB (KB), aus einem Paar von Bildtransformationskeulen zum Erzeugen von Diffusionsempfindlichkeit gesammelt werden. Dabei liegen KB und KA beider auf der kx-Achse, wobei KA> KB ist; αA, TA und αB, TB sind jeweils gleich. Außerdem besteht TA aus Intervallen tAe und tA1 bis tA5, und diese Intervalle sind hinsichtlich der Zeitdauer gleich den Intervallen tAe bzw. TB1 bis TB5. Eine freie Präzessionsspinkombination im eingeschwungenen Zustand wird dabei durch einschlägige Transformationskeulen F gekennzeichnet, die bei k = 0, KB, KA-KB und KA zentriert sind. Die Teilzyklen unterscheiden sich nur im Gx-Signal während der betreffenden Intervalle TA3 und TB3, wobei Gx über TA1 - tA4 im Teilzyklus "A" konstant gehalten wird (und löst damit eine Abtastung durch die Keulen F aus, die bei KB und KA-KB zentriert sind) und sind gleich Null in tB3 im Teilzyklus "B". Hierdurch wird in tA4 die Transformationskeule F mit Zentrierung um KA abgetastet und erzeugt das Echosignal SA(KA), während in tA5 die Transformationskeule F mit Zentrierung um KB abgetastet wird und das Echosignal SB(KB) erzeugt. Da SA(KA) und SB(KB) die gleiche Echozeit TE haben und nur in der Gradientengeschichte sich unterscheiden, unterscheiden erzeugte Bilder sich davon nur in den betreffenden Schwächungsfaktoren der Form exp(-bAD) und exp(-bBD), worin D die Diffusionskonstante ist, und bA und bB teilzyklusabhängige Diffusionsempfindlichkeiten sind, die theoretisch oder empirisch bestimmbar sind. Der Unterschied zwischen den natürlichen Logarithmen auf einer Bildelement-zu-Bildelement-Basis der aus den getrennten Sammlungen von SA(KA) und SB(KB) erzeugten Bildern sind dabei proportional der Diffusionskonstante bei jedem Bildelement.
Es wird daher klar sein, daß die Aufgabe der Erfindung erfüllt ist, und außerdem daß mehrere Abwandlungen, Erweiterungen und Auslassungen in den Einzelheiten der bevorzugten insbesondere hier beschriebenen Ausführungsbeispiele im Rahmen der Erfindung möglich sind.

Claims

1. Freies Präzessionsmagnetresonanzabbildungsverfahren im eingeschwungenen Zustand, mit dem eine Untersuchungszone in einem im wesentlichen homogenen statischen Magnetfeld einer Sequenz einer Anzahl von Zyklen von Hf- Magnetfelderregerimpulsen (αA, αB) und Änderungen in Gradientenmagnetfeldern (Gx, Gy, Gz) in gegenseitig orthogonalen Richtungen unterworfen wird, von den erwähnten Zyklen erregte Kernspinresonanzechosignale detektiert werden, und die detektierten Signale zu Bildanzeigen verarbeitet werden, wobei die Zyklen zum Erzeugen von Kernspinresonanzsignalen (SA, (K), SB (K) gewählt und mit einer freien Präzessionsfunktion im eingeschwungenen Zustand im k-Raum verknupft werden, mit der Echosignale von den Sequenzen erregt werden, und die Funktion eine Anzahl von Bildtransformationskeulen (F) im Abstand voneinander im k-Raum enthalten, und wobei die Zyklen außerdem zum Erregen getrennter Echosignale (SA(0),SA(KA)) unter dem Einfluß verschiedener einzelner Keulen der Bildtransformationskeulen (F) gewählt werden, um Bilder mit weitgehend einstellbaren Gewichtungen zu erhalten, und jeder Zyklus erste (A) und zweite (B) Teilzyklen mit jeweiligen Hf-Erregerimpulswinkeln (αA, βB), einer jeweiligen Zeitdauer (TA, TB) und Gradientenintegralen in jedem Zyklus enthält, wobei die ersten und zweiten Teilzyklen sich in wenigstens einem der Gradientenintegrale, der Hf-Erregerimpulswinkel und der Dauer unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des zweiten Teilzyklus (TB) ungleich dem Zweifachen der Dauer des ersten Teilzyklus (TA) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem jeder Zyklus wenigstens drei verschiedene Echosignale jeweils aus verschiedenen einzelnen Keulen der Bildtransformationskeulen erregt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem jeder Zyklus wenigstens vier getrennte Echosignale jeweils aus verschiedenen einzelnen Keulen der Bildtransformationskeulen erregt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem die zwei getrennten Echosignale im gleichen Teilzyklus erregt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem die zwei getrennten Echosignale in verschiedenen Teilzyklen erregt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 2, mit dem die drei getrennten Echosignale im gleichen Teilzyklus erregt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 außerdem mit dem Schritt zum Erfassen der detektierten Kernspinresonanzechosignale in wenigstens zwei unterschiedlichen Sammlungen jeweils entsprechend der wenigstens zwei verschiedenen einzelnen Keulen der Bildtransformationskeulen.

8. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem die verschiedenen einzelnen Keulen der Bildtransformationskeulen den verschieden gewogenen Abbildungen entsprechen.

9. Verfahren nach Anspruch 2, mit dem wenigstens drei verschiedene einezelne Keulen der Bildtransformationskeulen den verschieden gewogenen Abbildungen entsprechen.

10. Verfahren nach Anspruch 8, mit dem die verschieden gewogenen Abbildungen nur hinsichtlich eines physikalischen Parameters verschieden sind, der aus Fluß, Diffusion und Relaxation gewählt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren im ersten Teilzyklus erste erregende relaxierende Kernresonanzspins in einem Anteil einer Untersuchungszone mit einem ersten Hf-Impuls enthält, wobei zunächst sich ändernde Gradientenmagnetfelder den erregten Kernresonanzspins auf eine Weise angelegt werden, daß das Zeitintegral der Gradientenmagnetfelder einen ersten Weg im k-Raum von k=0 bis k=KA verfolgt, und der erste Weg eine erste Abtastung in der Nähe von k=0 und eine zweite Abtastung in der Nähe von k=KA umfaßt, wobei KA sich von KB unterscheidet, und das Verfahren außerdem in einem zweiten Teilzyklus zweite erregende relaxierende Kernresonanzspins in dem Anteil der Untersuchungszone enthält, bevor die ersten erregten Kernresonanzspins bis zu Unbedeutsamkeit abgeklungen sind, zweitens sich ändernde Gradientenmagnetfelder den erregten Kernresonanzspins auf eine Weise angelegt werden, daß das Zeitintegral der Gradientenmagnetfelder einen zweiten Weg im k-Raum von k=0 bis k=KB verfolgt, und der zweite Weg eine dritte Abtastung in der Nähe von k=0 und eine vierte Abtastung in der Nähe von k=KB umfaßt, und das Verfahren alle Schritte im ersten und im zweiten Teilzyklus in der angegebenen Reihenfolge mehrmals wiederholt, wobei das wiederholte erste Spin erregt wird, bevor die letzten präzedierenden zweiten erregten Kernresonanzspins bis zur Unbedeutsamkeit relaxiert sind.

12. Verfahren nach Anspruch 11, mit dem wenigstens einer der ersten und zweiten Wege eine Abtastung umfaßt, bei der k eine Größe etwa in der Größenordnung von KA ± KB beträgt.

13. Verfahren nach Anspruch 11, mit dem KA und KB derart gewählt werden, daß die Größe eines jeden Wertes von KA, KB und KA ± KB größer ist als der größte Raumfrequenz, die im Anteil der erstmals und zweitens erregten Untersuchungszone vorhanden erwartet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, mit dem wenigstens einer der ersten und zweiten Wege eine Abtastung umfaßt, bei der k eine Größe etwa in der Größenordnung von KA ± KB beträgt.

15. Verfahren nach Anspruch 11, mit dem KA und KB in bezug auf eine Achse im k-Raum symmetrisch angeordnet sind.

16. Verfahren nach Anspruch 11, mit dem KA und KB auf einer Achse im k- Raum angeordnet sind.

17. Kernspinresonanzabbildungsgerät mit Hauptmagnetmitteln zum Erzeugen eines im wesentlichen homogenen statischen Magnetfelds in einer Untersuchungszone, mit Hf-Transmissionsspulenmitteln zum Erzeugen von Hf-Magnetimpulsen in der Untersuchungszone, mit Gradientenspulenmitteln zum Erzeugen von Gradientenmagnetfeldern in der Untersuchungszone, die parallel zum homogenen statischen Magnetfeld mit Gradienten in gegenseitig orthogonalen Richtungen gerichtet sind, mit Steuermitteln zum Steuern der Hf-Spulenmittel und der Gradientenspulenmittel in Sequenzen einer Anzahl von Zyklen, mit Hf-Detektorspulenmitteln zum Detektieren der von den Zyklen erregten Kernresonanzechosignale, und mit Bearbeitungsmitteln zum Bearbeiten der detektierten Signale zu Bildanzeigen, wobei die Zyklen zum Erzeugen von Kernresonanzsignalen gewählt werden, die mit einer freien Präzessionsfunktion im eingeschwungenen Zustand im k-Raum verknüpft sind, aus der Echosignale durch die Sequenzen erregt werden, und die Funktion eine Anzahl von Bildtransformationskeulen im Abstand voneinander im k-Raum umfaßt, und worin die Zyklen außerdem zum Erregen getrennter Echosignale (SA(0), SA(KA)) infolge verschiedener einzelner Keulen der Bildtransformationskeulen (F) gewählt werden, um Abbildungen mit weitgehend einstellbaren Gewichtungen zu erhalten, und jeder Zyklus erste und zweite Teilzyklen mit jeweiligen Hf-Erregerimpulswinkeln, mit der jeweiligen Zeitdauer (TA, TB) und den Gradientenintegralen in jedem Zyklus umfaßt, wobei die ersten und zweiten Teilzyklen sich in wenigstens einem der folgenden Eigenschaften unterscheiden: dem Gradientenintegral, dem Hf-Erregerimpulswinkel und der Dauer, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des zweiten Teilzyklus (TB) ungleich dem Zweifachen der Dauer des ersten Teilzyklus (TA) ist.