DE69032371T2

DE69032371T2 - Bilderzeugung nach dem echoplanarverfahren mit 180 grad-pulsen

Info

Publication number: DE69032371T2
Application number: DE69032371T
Authority: DE
Inventors: David Nigel 112 Blake Road Nottingham Ng2 5Jz Guilfoyle; Peter Nottingham Ng9 3Dd Mansfield; Roger John Nmr Research Neurology Dept. Detroit Mi 48202 Ordidge
Original assignee: British Technology Group Ltd
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1989-08-08
Filing date: 1990-08-06
Publication date: 1998-10-01
Anticipated expiration: 2010-08-07
Also published as: GB8918105D0; CA2063715A1; GB2235779B; US5336999A; WO1991002263A1; CA2063715C; DE69032371D1; EP0485509A1; JPH05500316A; GB2235779A; JP2974255B2; EP0485509B1; GB9017193D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Bilderzeugungs- Systeme nach dem Echoplanarverfahren und besonders Verfahren zum Erhalten von Bildern von Proben, die infolge aus der Volumensuszeptibilität des Systems entstehender inhomogener Verbreiterung, Verbreiterung des statischen Magnetfelds oder anderer induzierter statischer Verbreiterung inhärent kurze Spin-Spin-Relaxationszeiten aufweisen.
Bilderzeugung nach dem Echoplanarverfahren (EPI) ist eine Höchstgeschwindigkeitsbilderzeugungstechnik, die in der Lage ist, innerhalb von "Belichtungszeiten" von typisch 10-100 ms Momentaufnahmen von Schnittbildern eines Objekts zu erzeugen. Die Technik wurde in einer Anzahl von klinischen Untersuchungen erfolgreich angewendet und ist besonders wertvoll in Teilen der Anatomie, wo beträchtliche un willkürliche Bewegung vorhanden ist. EPI ist auch in der Lage, eine Serie von Bildern in Form einer Filmsequenz aufzunehmen. Derartige Filme wurden mit bis zu 20 Bildern pro Sekunde gezeigt, was wahre Echtzeitbilderzeugung ergab. Eine der Schwierigkeiten mit EPI wie es gegenwärtig praktiziert wird, sind die strengen Anforderungen an das statische Hauptmagnetfeld hinsichtlich seiner Homogenität. Eine weitere Schwierigkeit sind die gewöhnlich verwendeten sehr großen geschalteten Gradienten und die kurzen Umschaltzeiten. Diese Probleme sind natürlich gelöst, was erlaubt, aktuelle EPI Ergebnisse zu erhalten. In nichtmedizinischen Situationen gibt es jedoch eine Anzahl potentiell nützlicher Anwendungen im Hinblick auf Proben, die infolge aus der Volumensuszeptibilität des Systems entstehender induzierter lokaler Feldinhomogenität inhärent kurze Spin-Spin-Relaxationszeiten aufweisen. Wir denken dabei zum Beispiel an Fels-, Erd- und Sandproben. Das Problem der lokalen induzierten Inhomogenität manifestiert sich aber auch in anderen verhältnismäßig homogen verteilten Proben bei sehrhohen magnetischen Feldstärken. Unter diesen Umständen treten die Schwierigkeiten an einer Grenzfläche innerhalb der Probe auf, an der sich die Dichte, und folglich die magnetische Suszeptibilität des Materials signifikant ändert.
Die Wirkung lokaler induzierter Inhomogenität besteht in der Verkürzung der effektiven transversalen Relaxationszeit T2*. Diese begrenzt ihrerseits die Gesamtzeit, in der das NMR-Signal effektiv abgetastet werden kann. Bei EPI bedeutet dies, daß schließlich die räumliche Auflösung des Bilds beeinträchtigt wird.
Es ist bekannt, daß durch Anlegen eines 180º-Hochfrequenzimpulses statt einer Gradientenumkehr erzeugte NMR- Spinechos lokale Inhomogenitätseffekte effektiv beseitigen können, indem sie das anscheinend verlorengegangene Signal in der Form eines Spinechos wiederherstellen. Tatsächlich wurden in den originalen Arbeiten über EPI (P. Mansfield, J. Phys. C. 10, L55 (1977), P. Mansfield and I. L. Pykett, J. Mag. Res. 29, 355 (1978), P. Mansfield and P. G. Morris, NMR Imaging in Biomedicine, Academic Press, New York, 1982, A. Howseman et al., Brit. J. Radiol. 61, 822 (1988)), 180º- Impulse als eine Alternative zur Gradientenumkehr erwähnt.
Eine derartige Anordnung wurde bei der medizinischen Bilderzeugung bis jetzt noch nicht eingesetzt, da die Verwendung vieler Hochfrequenzimpulse zu einer inakzeptabel hohen Deposition von HF-Leistung im Patienten während der Bilderzeugung führen könnte. Dies gilt insbesondere bei hohen Frequenzen.
Die Deposition von HF-Leistung stellt im allgemeinen kein Problem dar, wenn nichtbiologische Systeme wie geologische Proben abgebildet werden. Da diese Art von Material die stärksten induzierten Inhomogenitätseffekte erzeugt, schien es richtig, Variationen von EPI zu betrachten, die, wo geeignet, anstatt Gradientenumkehr Hochfrequenzimpulse verwenden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung von Verfahren zur Erzeugung eines Bilds einer geologischen oder ähnlichen Probe.
US-A-4,684,891 zeigt ein kombiniertes Spin-Warp- und EPI-Bilderzeugungssystem mit magnetischer Resonanz unter Verwenden von N phasencodierten Spinechos in jedem aus einer Vielzahl von Meßzyklen. Der gesamte Bilderzeugungsvorgang zum Herstellen eines Bilds wird auf 5 bis 40 Sekunden verkürzt, indem die Anzahl von Spin-Warp-Experimenten um einen Faktor N verringert wird.
EP-A-0175184 offenbart ein Bilderzeugungssystem mit magnetischer Resonanz, das zum Erzeugen eines Bilds bipolare Gx-Impulse von langer Dauer und Gy-Impulse von langer Dauer verwendet, die durch ständige Rückkehr zum Ursprung des k- Raums, um nur die +ve ky-Achse abzudecken, ein Bild des k- Raums erzeugen.
EP-A-240319 offenbart ein Bilderzeugungssystem mit magnetischer Resonanz, das mit einer EPI-Hybridtechnik zusammenhängt, mit alternierenden 180º-Impulsen und GRE- Folgen, zum Erhalten von teilweisen Daten für ein Objekt unter Verwenden von Gy-Blips sowohl positiver als auch negativer Polarität, wobei Daten für den verbleibenden Teil des Bilds durch Symmetrie erhalten werden.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Mittels zum Erzeugen eines medizinischen Bilds in Fällen, in denen wesentliche induzierte lokale Inhomogenität vorhanden ist, z.B. an Grenzflächen zwischen Knochen und Luft, und auch in Fällen, in denen magnetische Kontrastmittel wie eingekapselte Eisenmetalle usw. verwendet werden, die eine schwerwiegende Verschlechterung der Bildqualität verursachen können.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Erzeugen eines Bilds eines Objekts mit magnetischer Resonanz wie in Anspruch 1 und 2 beansprucht bereit.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun durch Beispiele mit Bezug auf die beigefügten zeichnungen beschrieben.
Figur 1(a) zeigt eine Trajektone in der k-Ebene für Blips enthaltende Standard-Bilderzeugung nach dem Echoplanarverfahren (BEPI oder BEST) (durchgezogene Linie) und Standard-EPI (gestrichelt);
Figur 1(b) zeigt ein Impulsdiagramm für die Figur 1a entsprechenden BEST- und (gestrichelt) EPI-Folgen;
Figur 2(a) zeigt ein k-Ebenen-Abtastdiagramm für TSI- EPI;
Figur 2(b) zeigt eine modifizierte EPI-Folge unter Verwenden von 180º-HF-Impulsen (TSI-EPI) (transversale Spininversions-EPI);
Figur 3 (a) zeigt eine verallgemeinerte hybride Abtastung der k-Ebene, welche die gesamte k-Ebene abdeckt (diese verwendet Blöcke von Gradientenumschaltungen (schraffiert) mit gelegentlichen 180º-HF-Impulsen);
Figur 3(b) zeigt ein verallgemeinertes Impulsdiagramm zum Erreichen der in Figur 3 (a) dargestellten Abdeckung des k-Raums;
Figur 4a und b zeigen ein Bild eines mit Wasser gefüllten, Glasperlen enthaltenden Phantoms, wobei Figur 4a mit Standard-EPI abgebildet ist, und Figur 4b durch Verwenden des modifizierten TSI-EPI-Verfahrens abgebildet ist (der innere Kern erscheint dunkler und besteht aus kleinen Perlen. Die Körnung im äußeren Ring dieses Bilds wird durch die größeren Perlen verursacht, die nahe an der Bildauflösung des Systems liegt). Die beiden weißen Zonen entsprechen Wasseransammlungen.
Eine Anzahl von Varianten von EPI wird betrachtet, die von dem für die Abbildung nichtbiologischer Systeme nützlichen Fall, in dem alle Gradientenumschaltungen durch 180º- Impulse ersetzt sind, bis zu dem Fall, in dem in Anwendungen, bei denen die Deposition von HF-Leistung in akzeptabler Höhe gehalten werden muß, gelegentliche eingestreute 180º- Impulse verwendet werden, reichen.
Beim Betrachten und Verstehen von EPI ist es nützlich, den Bilderzeugungsprozeß vom Standpunkt des reziproken Gitterraums oder k-Raums anstatt des Abbildungsraums oder realen Raums aus zu betrachten. Da wir ein zweidimensionales Bilderzeugungsverfahren diskutieren, betrachten wir die k- Ebene mit Achsen kx und ky wie in Figur 1a dargestellt. Bei herkömmlicher EPI mit Gradientenumkehr wird der k-Raum wie durch die durchgezogene Linie in der sogenannten Blips enthaltenden Echoplanar-Einzelimpulstechnik (BEST) durchlaufen.
Die Trajektorie im k-Raum ist effektiv ein Prozeß in einem Durchlauf, der am Ursprung 0 beginnt und dann bis zum Punkt A in der unteren Halbebene läuft, wo der gleichförmige Abtastprozeß des k-Raums fortgesetzt wird, um die gesamte Ebene abzudecken. Das Impulsdiagramm für diesen Abtastvorgang ist in Figur 1b dargestellt. Nach der anfänglichen Schnittselektion wie angegeben wird der Abtastprozeß des k- Raums durch Modulieren des x-Gradienten mit einer trapezförmigen (idealerweise rechteckigen) Wellenform erreicht. Dies bewegt den Abtastpunkt im k-Raum sukzessive entlang der x- Achse. Um eine Rasterabtastung des gesamten k-Raums zu erzeugen) werden kurze Gy-Blips von Gradienten konstanter Amplitude wie angegeben angelegt, was die Trajektone im k- Raum schrittweise nach oben drängt und eine gleichförmige Abdeckung der k-Ebene ergibt. Eine alternative Abtaststrategie bei herkömmlicher EPI ist in Fig. 1a (gestrichelte Linie) angegeben, und in diesem Fall wird, anstatt Blips von y-Gradienten zu verwenden, Gy) wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 1b angegeben, ständig eingeschaltet gehalten.
Bei der vorliegenden Erfindung wird der bipolare x- Gradient von Fig. 1b durch einen unipolaren Gx-Gradienten und 180º-HF-Spininversionsimpulse (SI) ersetzt. Die modifizierte k-Abtastung und Folge (TSI-EPI) sind in Fig. 2 skizziert. Es wird angemerkt, daß es zum Unterbringen der 180º- HF-Impulse nötig ist, den x-Gradienten kurzzeitig auszuschalten (Fig. 2b). Bei der hier beschriebenen Version werden y-Blips wie angegeben hinzugefügt. Das Durchlaufen des k-Raums in diesem Fall erfolgt mit einer gegenüber dem MBEST-Experiment etwas unterschiedlichen Abfolge. Figur 2a zeigt das k-Raum-Abtastdiagramm und ist durch die ersten wenigen Übergänge dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, daß der Effekt des während der Folge an einem Punkt P mit den Positionskoordinaten kx, ky angelegten 180º-Impulses in einer Bewegung zu einem konjugierten Punkt P' mit Koordinaten -kx und -ky besteht. Wie angegeben bedeutet dies, daß ein Abtasten der oberen und unteren Halbebenen des k-Raums auf regelmäßige Weise alle zwei HF-Impulse einen Gy-Blip erfordert.
Aus der vorangehenden Diskussion ist leicht ersichtlich, daß es eine Anzahl von Möglichkeiten zum Verwenden von 180º-Impulsen gibt, von keinem im Fall von Standard-BESToder MBEST-Bilderzeugung bis zu dem Fall wie in Fig. 2 beschrieben, wo die maximale Anzahl von 180º-Impulsen verwendet wird, entsprechend jedem x-Gradientenübergang im äquivalenten Experiment. Das Verwenden der maximalen Anzahl von HF-Impulsen kann unter gewissen Umständen, besonders bei der medizinischen Bilderzeugung, Probleme mit übermäßiger Leistungsdeposition im Patienten aufwerfen. Um Inhomogenitätseffekte von Probe und Magnet zu beseitigen, ist es im allgemeinen nur nötig, gelegentliche 180º-Impulse zu verwenden. Wir schlagen deshalb eine Variation der obigen Folge vor, bei der der k-Raum mit Kombinationen aus Gradientenumschaltung und gelegentlichen 180º-Impulsen geeignet abgedeckt wird.
Als Beispiel betrachten wir das k-Raum-Diagramm von Fig. 3a. Die k-Raum-Abdeckung wird in Blöcken (schraffiert) wie dargestellt betrachtet. Der erste Satz von M Gradientenumkehrungen bringt die Trajektone im k-Raum von 0 zum Punkt A. Dann bringt ein 180º-Impuls die Trajektone zum konjugierten Punkt A', wenn der nächste Satz von Gradientenumkehrungen die Trajektone zu B bringt. Der 180º-Impuls konjugiert dies wieder zu B' und dann sind M Blips von Gy-Gradienten erforderlich, bevor der nächste Satz von Gradientenumkehrungen die Trajektone im k-Raum zum Punkt C bringt, usw.
Figur 3b zeigt das verallgemeinerte Impulsdiagramm (eine Erweiterung des in Fig. 2b dargestellten), in dem Gradientenumkehrungen mit 180º-Impulsen kombiniert sind. Falls im endgültigen Bild N Echos erforderlich sind, dann besteht dies aus M Gradientenumkehrungen mit L 180º-Impulsen, wobei L = [(N/M) - 1] ist. Die Gesamtzahl von Echos ist durch N = ML gegeben. Nach jedem alternierenden 180º-Impuls sind M Blips von Gy-Gradienten erforderlich.
In einer Variation werden zwei Experimente mit einer 180º-Umkehr der Trägerphase entweder des anfänglichen 90º- Selektionsimpulses oder des Zugs von 180º-HF-Impulsen im zweiten Experiment durchgeführt. Die beiden Zeitsignale aus jedem Experiment werden ko-addiert, was den Vorteil hat, daß unmittelbar nach den 180º-Impulsen erzeugte unerwünschte Signale (infolge Unvollkommenheiten der Instrumente) ausgelöscht werden, während sich die erforderlichen Spinechosignale konstruktiv addieren.
Bei einer weiteren Alternative können die 180º-HF- Impulse schnittselektiv sein, oder können zusammengesetzte Impulse sein, die aus einer Folge kurzer rechteckiger Impulse gegebener Amplitude und Verzögerung zwischen Impulsen bestehen und so aufgebaut sind, daß die Inversion des Signals über eine große Frequenzbandbreite optimiert wird.
Als anfängliche Veranschaulichung von TSI-EPI haben wir die in Fig. 2b beschriebene Folge implementiert. Das Objekt umfaßte zwei koaxiale Glaszylinder, deren Außendurchmesser 50 mm betrug. Der ringförmige Raum war mit Glasperlen mit einem mittleren Durchmesser von 3 mm gefüllt. Der innere Zylinder war mit kleineren Glasperlen mit einem mittleren Durchmesser von 350 um gefüllt. Der Zwischenraum um die Perlen in beiden Behältern war mit Wasser gefüllt. Diese Anordnung bewirkte, daß die transversale Relaxationszeit T2 des Wassers von 500 ms auf 20 ms abnahm und gab somit eine wesentliche induzierte lokale Magnetfeldinhomogenität infolge des Unterschieds in der Volumensuszeptibilität zwischen Glas und Wasser an.
Vierundsechzig 180º-HF-Impulse, jeder mit einer Dauer von 248 us, wurden verwendet. Der Abstand zwischen Impulsen betrug 1,5 ms, was eine Gesamtzeit des Experiments (ausschließlich der anfänglichen Schnittselektion) von 176 ms ergab. Die Größe des x-Gradienten war 2,4 mT/m, während die y-Gradienten-Blips einen Spitzenwert von 0,15 mT/m hatten. Die 64 erzeugten Spinechos wurden wie in Fig. 2a angegeben effektiv in der oberen und unteren k-Halbebene geeignet aufgezeichnet. In der Praxis entspricht dies einer zeitlichen Neuanordnung aufeinanderfolgender Echos in der Reihenfolge von 1, 2, 3, ... zu 4, 2, 1, 3, ... Geschieht dies auf diese Weise, ergibt eine einzelne eindimensionale Fouriertransformation der Daten die Spindichteverteilung des gewählten Schnitts in Form eines breiten Profils, dessen Abschnitte zu dem gewünschten Bildquerschnitt geformt werden können. NB: der Abfall der anfänglichen freien Induktion wird in diesem Beispiel nicht verwendet.
Figur 4b zeigt das erhaltene TSI-EPI-Bild, das klar definiert ist. Seine räumliche Auflösung beträgt entlang beiden Achsen 1,5 mm. Die Schnittdicke war 10 mm. Der Unterschied zwischen dem zentralen Kern und dem umgebenden Ring kann in dieser Momentaufnahme ausgemacht werden. Variationen der Verteilung der Perlen bewirken eine gewisse Signalvariation im Bild. Mit der angegebenen Auflösung in der Ebene liegen die kleinen Perlen selbst außerhalb der Auflösung. In jedem Fall schließen teilweise Volumeneffekte infolge des verwendeten relativen dicken Schnitts jedoch eine klare Auflösung der größeren kugelförmigen Perlen aus. NB: die beiden hellen Punkte an der Oberseite des Bilds entsprechen Wasseransammlungen dort, wo die Perlen das äußere Gefäß nicht vollständig ausfüllen.
In starkem Gegensatz zu dem obigen Bild zeigt Fig. 4a ein MBEST-Bild desselben Objekts. Nur die Wasseransammlungen und ein schwacher Umriß des Objekts können unterschieden werden. Die viel geringere Klarheit des Bilds kann direkt dem Signalverlust infolge der verkürzten T2 zugeschrieben werden. Die kurze T2 verbreitert auch die Punktverbreiterungsfunktion der Bildpunkte und beeinträchtigt dadurch die räumliche Auflösung.
Die Erfindung zeigt, daß EPI eine brauchbare Bilderzeugungstechnik für die Untersuchung geologischer Proben ist, wenn es zusammen mit 180º-HF-Impulsen verwendet wird. Ohne die HF-Impulse macht Signalverlust infolge induzierter lokaler Inhomogenitäten einige Standardformen von EPI für diese Proben unbrauchbar. Die BEST-Technik (hierin nicht dargestellt) sollte ein helleres Signal ergeben, wird jedoch weiterhin unter Unschärfe der Punktverbreiterungsfunktion leiden.
Das Problem induzierter lokaler Inhomogenitäten ist bei der medizinischen Bilderzeugung in geringerem Ausmaß vorhanden. Dennoch wäre es von Vorteil, falls in eine EPI-Folge, die periodisch geschaltete Gradienten einsetzt, gelegentliche 180º-HF-Impulse eingefügt würden. Vom Standpunkt des Patienten aus müssen gelegentliche HF-Impulse hinsichtlich der mittleren Leistungsdeposition kein Risiko darstellen. Ein Beispiel für diesen Hybridansatz wurde beschrieben.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen eines magnetischen Resonanzbilds eines Objekts, bei dem das Objekt einer anfänglichen scheibenselektiven Anregung ausgesetzt wird, um eine aktive Region von Spinmagnetisierung zu definieren, wobei die Anregung von einer Datenerfassungsperiode gefolgt wird, in der die Spins einer Vielzahl von refokussierenden 180º-HF-Impulsen, einem amplitudenmodulierten Auslesegradienten (Gx) und einem phasencodierenden amplitudenmodulierten Gradienten (Gy) ausgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

die Daten mittels einer Einzelanregungs-Echoplanar- Bilderzeugungs-(EPI-)Folge erfaßt werden, die durch Verwenden der Vielzahl von refokussierenden 180º-HF-Impulsen als Ersatz für die Umkehrungen des EPI-Auslesegradientenmagnetfelds (Gx) modifiziert ist, und daß der phasencodierende Gradient (Gy) nur in der Form unipolarer Blips kurzer Dauer vorliegt, die mit der halben Rate wie die, mit der die 180º- HF-Impulse angelegt werden, auftreten und zeitlich so festgelegt sind, daß sie in Verbindung mit den 180º-HF-Impulsen ein Abtasten des k-Raums liefern, um so eine gleichförmige, volle Abdeckung des k-Raums in der Einzelanregungs-EPI-Folge sicherzustellen.

2. Verfahren zum Erzeugen eines magnetischen Resonanzbilds eines Objekts, bei dem das Objekt einer anfänglichen scheibenselektiven Anregung ausgesetzt wird, um eine aktive Region von Spinmagnetisierung zu definieren, wobei die Anregung von einer Datenerfassungsperiode gefolgt wird, in der die Spins einer Vielzahl von refokussierenden 180º-HF-Impulsen, einem amplitudenmodulierten Auslesegradienten (Gx) und einem phasencodierenden amplitudenmodulierten Gradienten (Gy) ausgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

die Daten mittels einer Blips enthaltenden Einzelanregungs-Echoplanar-Bilderzeugungs-(EPI-)Folge erfaßt werden, in welcher der phasencodierende Gradient (Gy) in Form unipolarer Blips einer gegebenen Größe kurzer Dauer vorliegt, und die durch Verwenden von einem aus der Vielzahl von refokussierenden 180º-HF-Impulsen nach jeder N-ten Umkehrung des Auslesegradienten (Gx), und durch Anlegen eines weiteren phasencodierenden Gradienten-Blips (Gy) der M-fachen Größe der unipolaren Blips und mit derselben Polarität wie die unipolaren Blips nach jedem zweiten der 180º-HF-Impulse modifiziert ist, wobei alle Blips zeitlich so festgelegt sind, daß sie in Verbindung mit den 180º-HF-Impulsen ein Abtasten des k-Raums liefern, um so eine gleichförmige, volle Abdeckung des k-Raums in der Einzelanregungs-EPI-Folge sicherzustellen.