WO2005073748A1 - Bildgebungsverfahren basierend auf selbstähnlichen flächen- oder raumfüllenden kurven - Google Patents

Bildgebungsverfahren basierend auf selbstähnlichen flächen- oder raumfüllenden kurven Download PDF

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WO2005073748A1
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magnetic resonance
nuclear magnetic
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PCT/EP2004/053572
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Richard Patzak
Daniel Gembris
Stephan Appelt
Friedrich Wolfgang HÄSING
Horst Halling
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Forschungszentrum Jülich GmbH
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Definitions

  • Imaging method based on self-similar area or space-filling curves
  • the present invention relates to an imaging method and an associated device for nuclear magnetic resonance, which are based on self-similar area-filling or space-filling curves.
  • Magnetic resonance or spin resonance is based on the fact that atomic nuclei (in particular atomic nuclei in molecules) are excited by radio waves and in turn emit radio waves.
  • the nuclear magnetic resonance effect can also be exploited and in particular in the imaging of the following nuclei:, 3 C, 15 N, 1 29 Xe, 3 He, 23 Na and , 7 0, the reason for this is the self-rotation - the spin - of the protons.
  • this spin As a moving electrical charge, this spin generates a small, atomic magnetic field that interacts with the magnetic moments of the neighboring protons. Depending on the environment, a characteristic magnetic moment of the entire molecule is created.
  • Hydrogen cores because they are by far the most common. If the person to be examined is exposed to a strong static magnetic field, the spins orient themselves of protons in the body after this external magnetic field. In general, a high-frequency electromagnetic field is applied perpendicular to the static magnetic field. At a certain frequency, the Larmor frequency, the spins are deflected, they resonate.
  • the spins of the protons are excited layer by layer by switching on an additional gradient magnetic field (layer selection gradient) in a precisely defined time.
  • the returned radio waves can be precisely localized when using the reading and phase gradient; pixels are created which can be combined to form a two-dimensional image.
  • Magnetic resonance thus represents a widely used, non-invasive method for examining the human body.
  • Functional magnetic resonance tomography is used, for example, to display local brain activity,
  • EPI ec / io planar imaging
  • EPI is by far the fastest method in MR imaging.
  • the classic EPI sequence uses a single excitation and then collects all data using gradient echo technology.
  • An MR image can be created in less than 1 00 ms.
  • the gradient echo variant (V-sensitive) is used for measuring brain activity.
  • the functional MR imaging is based on the BOLD effect: Blood Oxygen Level Dependent Effect.
  • the spin echo variant (T 2 sensitive) uses a 1 80 ° RF pulse after the excitation pulse in order to minimize the field inhomogeneities. Using an additional 1 80 ° pulse, T, weighted images can also be recorded with the EPI.
  • the pure gradient echo variant is particularly suitable for cardiac imaging. With EPI, the frequency encoding gradient oscillates (continuously or with plateau intervals), creating a series of gradient echoes.
  • phase encoding gradient is switched during reading. This means that all echoes are given a different phase encoding: the raw data matrix is filled line by line with an alternating direction.
  • the echo signal is generated by switching a pair of dephasing and rephasing gradients.
  • the frequency coding gradient is switched on directly after the excitation pulse with negative polarity. It first causes the spins to fan out. Then you switch it to positive polarity. Now the spins are brought back into phase (rephasing) and there is an echo.
  • a tilt angle less than 90 ° provides a better signal-to-noise ratio than a 90 ° Pulse.
  • the first excitation pulse is considered.
  • an excitation pulse with a tilt angle of 20 ° produces a sufficient transverse magnetization of 34% of the maximum value.
  • the longitudinal magnetization is 94% of the maximum value.
  • a high longitudinal magnetization is again available at the next excitation pulse.
  • T R small compared to T. a stronger MR signal is therefore generated with a smaller tilt angle than with a 90 ° pulse.
  • the longitudinal magnetization recovers faster the smaller it is. After each deflection by the tilt angle, the remaining longitudinal magnetization is initially smaller than before. It then recovers faster the smaller it is. After several excitation pulses, a balance is struck between these two opposing tendencies. The longitudinal magnetization and thus also the signal is then the same after each pulse. This state of equilibrium is also called steady state,
  • the variation of the tilt angle changes not only the signal-to-noise ratio, but also the contrast behavior of the MR image.
  • Ernst angle a maximum signal results for a certain repetition time T R and the T- time dependent on the tissue.
  • a tilt angle is chosen in which the contrast is not necessarily optimized, but rather the signal-to-noise ratio.
  • Hubert curves in the field of MR imaging is also known from the prior art and was described in: "Detecting Discriminative Functional MRI Activation Patterns Using Space Flowing Curves", D.Kontos, V.Megalooikonomou, N.Ghubade, C Faloutsos, EMBC2003, pp.963-966.
  • an evaluation of already (conventionally) recorded MR data is carried out with regard to patterns that are characteristic of a clinical picture.
  • the Hilbert curve maps 3D data sets to 1-D data structures, which are then compared with each other.
  • the imaging method for nuclear magnetic resonance provides that a constant magnetic magnetic field acts on a sample.
  • the s.ai iscne magnetic field has a strength between e x ao, 25 and 10 T in current MR tomographs.
  • the basic field is necessary in order to ensure a minimum size of the signal-to-smoke behavior.
  • the basic field can be comparatively very small. all, ciso have less than 0.25 T,
  • the magnetic field is superimposed by an additional field.
  • the additional field has the property of having a different, only e'nrna, field strength value for each point of at least one grid area within the sample volume in each point of the Gilter plane.This can be several Giiter areas and these do not have to be must be pianar it can be spherical or cylindrical surfaces uie sample is also excited by a high-frequency, alternating electromagnetic field.
  • the imaging method according to the invention further provides that the electromagnetic radiation emitted by the excited sample is recorded and evaluated for image generation by using the so given additional field, a time-varying gradient field can be omitted. It follows that a magnetic resonance (MR) image with a single one
  • the field can be kept constant in time over several measurements, which makes broadband high-frequency excitation necessary. Or it can be switched on for each measurement using a comparatively narrow band excitation. With narrow-band excitation, the resonance frequencies of the spins are close to one another, which is achieved, for example, by switching off the additional field. With a broadband excitation, the additional field can remain, which is technically easier to implement.
  • the electromagnetic radiation emitted by the excited sample is also read out and evaluated for image generation.
  • the additional field is described by area-filling or space-filling curves, these curves having a unambiguous assignment of the field strength value and point of the grid. Due to the unambiguous assignment between location and frequency, the image can be reconstructed using a 1-D Fourier transformation. For example, a raw data matrix is filled with data and converted into an MR image by means of a 1-D Fourier transformation done sequentially. For example, the examination object is transported past the measurement arrangement or through it, or individual segments of the measurement arrangement are activated in succession.
  • the additional field is described by area-filling or space-filling curves.
  • the magnetic field defined in this way is generated, for example, with a current-carrying coil arrangement, which is determined by numerical optimization. This is a magnetostatic calculation, whereby the differences between the specified magnetic field values and the numerically determined values are to be minimized.
  • a further embodiment of the method according to the invention provides that several areas of the sample are measured simultaneously, that is to say in parallel in time. For example, this is achieved by using a measuring arrangement that is designed in a correspondingly multiple manner. As a result, the method according to the invention can be carried out particularly quickly.
  • echoes are generated.
  • This is a fast measurement technique, which is, for example, spin echo and gradient echoes.
  • the additional field changes its sign via the tent.
  • gradient echoes can be generated analogously to the known MR imaging, but not for individual k-space lines, but for an entire image at a time. This allows fast spectroscopic MR imaging to be carried out: excitation and recording of several successive ones echo images.
  • the additional field is described by a Hilbert curve, a special space-filling and area-filling curve. If the Hilbert curve is used, a hierarchical artifact structure results, ie there is a negative correlation between the artifact size and frequency. This advantageously achieves a compromise, since weak artifacts can be tolerated more than strong ones.
  • the method according to the invention can be used to measure current distributions or magnetic fields. Because no gradients are switched, no (unwanted) currents can be induced in the sample.
  • Another alternative imaging method for nuclear magnetic resonance provides that spatially detectable transverse magnetization is generated in the sample by means of high-frequency excitation. By switching imaging gradients, for example, a spatially resolved measurement of the transverse magnetization takes place.
  • the signal is read along in a data acquisition phase self-similar, space-filling curves and a raw data matrix is formed from the data obtained. With the aid of a Fourier transformation, an image is obtained from the raw data matrix.
  • the raw data matrix (so-called k-space) is generated line by line or by scanning on circular paths.
  • the reading gradient (often operated with almost maximum amplitude) alternates between each k-space line, which creates the sequence-typical noises with frequencies in the order of 500 Hz.
  • “Sequence” denotes the sequence of high-frequency excitations, gradient pulses and data acquisitions.
  • the sign of the gradients changes significantly more often, with almost every k-space point; which practically corresponds to a sequence of EPI 'blips' Blip 'is a gradient pulse that is required to switch from one k-space line to the next, which means that the gradient noise is advantageously shifted to a higher frequency range (with a resolution of 64x64 from frequencies around 500Hz) Frequencies around 32000 Hz)
  • This effect can be used to advantage for the execution of auditory brain imaging studies, as these are partially impaired by gradient noises, partly because human hearing is particularly sensitive in the frequency range relevant for speech production.
  • Sound attenuation can advantageously be eliminated by the method according to the invention.
  • sequence-technical measures for sound reduction exist in the Extension of the k-space re-addition and the reduction of the k-space lines, which disadvantageously increases the measurement time or reduces the resolution of the measurement.
  • the method according to the invention also avoids longer-lasting gradient plateaus 1 , which relieves the load on the gradient amplifiers or less technical requirements on the gradient amplifiers.
  • Another advantage of the image coding according to the invention is a reduction in the periodicity of the gradient time profile, which in turn reduces mechanical resonances of the imaging device.
  • the space-filling trajectory is described by a Hilbert curve.
  • Hilbert curve trajectory
  • neighboring k-space points are scanned at similar points in time, as a result of which artifacts are distributed more evenly over the k-space.
  • a further embodiment provides that the data acquisition takes place in segments, i.e.
  • the k-space is divided into individual segments, which in turn are scanned along a space-filling curve (“hybrid method”), i.e. an excitation pulse is generated for each segment.
  • Hybrid method space-filling curve
  • a further embodiment of the method according to the invention provides that the image coding takes place in 3 dimensions. It is therefore suitable for so-called echo volum imaging. This is a three-dimensional EPI, with the layer selection advantageously being dispensed with.
  • Another embodiment provides that parts of the measuring arrangement are moved past the sample or through the sample or individual gradient coils are activated one after the other.
  • a constant, static magnetic field which acts on a sample.
  • the device comprises means for generating an additional field which is superimposed on the static magnetic field and which has different field strength values in at least one grid area within the sample volume at every point of the grid area.
  • means are provided for generating a high-frequency, alternating electromagnetic field, which excites the sample.
  • the means for generating a high-frequency alternating electromagnetic field comprise an RF transmission / reception coil that encloses the entire sample.
  • the means for reading out serve to register the electromagnetic radiation emitted by the excited sample.
  • means are provided for evaluation and image generation.
  • the devices are known MR imaging devices.
  • a time-varying gradient field can be omitted. It is consequently possible to record a magnetic resonance (MR) image with a single high-frequency excitation without time-varying gradients, which in turn advantageously prevents the associated sound development,
  • the means for generating an additional field comprise a micro-coil arrangement.
  • they are so-called micro-coil arrays, as are used in surface measurement or in biology or biochemistry for screening systems.
  • the field can be generated, for example, with micro-coils that are arranged in a matrix-like (nxn) manner on a rectangular surface.
  • the sample rests, for example, on these coils or adjoins them directly.
  • the additional field for example by means of a Hilbert curve, a special space and area-filling curve, the current strengths of the microcoils are defined by the values along this Hilbert curve with a linear increase in the field strength along the curve.
  • Another device provides that means are provided for generating a detectable transverse magnetization in a sample.
  • the device also provides means for data acquisition of a signal along a self-similar, space-filling trajectory.
  • means for data evaluation are provided which form a raw data matrix from the acquired data and which obtain an image from the raw data matrix using Fourier transformation.
  • the device according to the invention advantageously provides for a reduction or frequency shift of the “sequence” noise.
  • the effect can be advantageous for performing auditory Brain imaging studies can be used because they are sometimes severely affected by gradient noise. This is partly due to the fact that human hearing is particularly sensitive in the frequency range relevant to speech generation.
  • Elaborate and expensive measures for reducing sound developments through passive or even active sound attenuation can advantageously be omitted in the device according to the invention.
  • the device can be kept comparatively simple, since longer-lasting 'gradient plateaus' are avoided, which results in a relief of the gradient amplifiers or lower technical requirements for the gradient amplifiers.
  • a further advantage of the image coding according to the invention is a reduction in the periodicity of the gradient time curve, which in turn reduces mechanical resonances of the imaging device.
  • Figure 1 is a 3D representation of a two-dimensional Hilbert curve.
  • the z coordinate indicates the point in time at which the corresponding k-space point is reached or the strength of the additional field as a function of the location.
  • Figure 2a shows an example of the k ⁇ component of a Hilbert trajectory for a resolution of 64x64 voxels.
  • FIG. 2b shows an example of the k component of a Hilbert trajectory for a resolution of 64x64 voxels.
  • FIG. 3a shows the x component of the gradient field for the coding of the Hilbert trajectory, which results from the k (t) curve by time derivation.
  • FIG. 3b shows the y component of the gradient field for the coding of the Hilbert trajectory, which results from the k (t) curve by time derivation.
  • the present invention relates to an imaging method and apparatus for nuclear magnetic resonance.
  • the method provides for image coding by means of an additional field, which has a different field strength value that occurs only once for each point of a 2-dimensional grid area within the sample.
  • a reading of the resonance behavior of a sample can be provided along a space-filling or area-filling curve
  • a magnetic resonance (MR) image can be provided a single high-frequency excitation without time-varying gradients, which advantageously prevents the associated Schailenfwickiung
  • the noises generated during the reading are advantageously shifted to another frequency range in which the human ear has a lower sensitivity, moreover, so the device is relieved and the technical requirements placed on it are reduced. Furthermore, it can be carried out with known and existing devices.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bildgebungsverfahren für die Kernmagnetresonanz, wobei auf eine Probe ein konstantes, statisches Magnetfeld einwirkt, wobei dem statischen Magnetfeld ein Zusatzfeld überlagert wird, das in mindestens einer Gitterfläche innerhalb des Probenvolumens in jedem Punkt der Gitterfläche unterschiedliche Feldstärkewerte aufweist, wobei die Probe durch ein hochfrequentes, elektromagnetisches Wechselfeld angeregt wird, und wobei die von der angeregten Probe abgestrahlte elektromagnetische Strahlung ausgelesen und zur Bildgenerlerung ausgewertet wird. Die Erfindung betrifft auch ein NMR-Bildgebungsverfahren, bei dem das Signal entlang einer selbstähnlichen, raumfüllenden Trajektorie ausgelesen wird, die durch eine Hilbert-Kurve beschrieben wird.

Description

Bildgebungsverfahren basierend auf selbstähnlichen flächen- oder raumfüllenden Kurven
Beschreibung; Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bildgebungsverfahren und eine zugehörige Vorrichtung für die Kernmagnetresonanz, welche auf selbstähnlichen flächen- oder raumfüllenden Kurven basieren , Die Magnetresonanz- oder Spinresonanz beruht darauf, dass Atomkerne (insbesondere Atomkerne in Molekülen), durch Radiowellen angeregt werden und ihrerseits Radiowellen aussenden , Der Kernmagnetresonanzeffekt kann ferner und insbesondere in der Bildgebung bei den folgenden Kernen ausgenutzt werden : , 3C, 15N, 1 29Xe, 3He, 23Na und , 70, Ursache hierfür ist die Eigenrotation - der Spin - der Protonen. Dieser Spin erzeugt als bewegte elektrische Ladung ein kleines, atomares Magnetfeld, das mit den magnetischen Momenten der benachbarten Protonen wechselwirkt, Je nach Umgebung entsteht so ein charakteristisches magnetisches Moment des gesamten Moleküls.
Für MR-Messungen am menschlichen Körper bieten sich
Waserstoffkerne an, da diese bei weitem am häufigsten vorkommen . Wird die zu untersuchende Person einem starken statischem Magnetfeld ausgesetzt, dann orientieren sich die Spins der Protonen im Körper nach diesem äußeren Magnetfeld. Im Allgemeinen wird senkrecht zum statischen Magnetfeld ein hochfrequentes, elektromagnetisches Feld angelegt. Bei einer bestimmten Frequenz, der Larmor-Frequenz, werden die Spins ausgelenkt, sie geraten in Resonanz.
Wird dieser Anregungsimpuls nun abgeschaltet, „klappen" die Spins der Protonen in ihre Ursprungsrichtung zurück - und verlieren dabei Energie, die sie als Radiowellen abstrahlen. Der magnetische Anteil dieser Strahlung kann von einer Empfängerspule gemessen und schließlich am Computer ausgewertet werden.
Durch das zeitlich genau definierte Einschalten eines zusätzlichen Gradientenmagnetfeldes (Schichtselektionsgradient) werden die Spins der Protonen schichtweise angeregt. Die zurückgesendeten Radiowellen sind bei Verwendung von Lese- und Phasengradient genau lokalisierbar; es entstehen Bildpunkte, die zu einem zweidimensionalen Bild zusammengesetzt werden können. Damit stellt die Magnetresonanz eine vielfach verwendete, nicht-invasive Methode zur Untersuchung des menschlichen Körpers dar. Die funktioneile Magnetresonanztomographie dient beispielsweise zur Darstellung lokaler Hirnaktivität,
Eine schnelle Bildaufnahme gelingt mit dem so genannten ec/io planar Imaging (EPI) , Dabei handelt es sich um eine schnelle Messtechnik, bei der mit einem einzigen Anregungspuls der gesamte k-Raum (2D) aufgenommen werden kann, Von EPI werden beim Auslesen der k-Raum-Zeilen Gradientenechos aufgenommen.
EPI ist die mit Abstand schnellste Methode in der MR-Bildgebung. Die klassische EPI-Sequenz benutzt eine einzige Anregung und sammelt danach alle Daten in Gradientenechotechnik, Ein MR-Bild kann so in weniger als 1 00 ms erstellt werden.
Es gibt Spinecho- und Gradienten-Echo-Varianten der EPI-Sequenz. Die Gradienten-Echo-Variante (V-sensitiv) wird für die Messung der Gehirnaktivität verwendet. Die funktionale MR-Bildgebung basiert hierbei auf dem BOLD-Effekt: Blood-Oxygen-Level-Dependent- Effect. Die Spinecho-Variante (T2-sensitiv) verwendet nach dem Anregungspuls einen 1 80°-RF-Puls, um die Feldinhomogenitäten zu minimieren. Unter Verwendung eines zusätzlichen 1 80°-Pulses können mit der EPI auch T, gewichtete Bilder aufgenommen werden. Die reine Gradienten Echo-Variante eignet sich vor allem für die Herzbildgebung. Bei EPI oszilliert der Frequenzkodiergradient (kontinuierlich oder mit Plateau-Intervallen), wodurch eine Serie von Gradientenechos erzeugt wird.
Im Gegensatz zu den konventionellen MR-Bildgebungstechniken wird der Phasenkodiergradient während des Auslesens geschaltet, Hierdurch erhalten alle Echos eine andere Phasenkodierung: die Rohdatenmatrix wird Zeile für Zeile mit alternierender Laufrichtung aufgefüllt.
Beim Gradientenecho wird das Echosignal durch Schalten eines Paares von dephasierenden und rephasierenden Gradienten erzeugt. Zu diesem Zweck wird der Frequenzkodiergradient direkt nach dem Anregungspuls mit negativer Polarität eingeschaltet. Er bewirkt zunächst das Auffächern der Spins. Danach schaltet man ihn auf positive Polarität um . Nun werden die Spins wieder in Phase gebracht (Rephasierung), und es kommt zum Echo.
Bei Verwendung von kürzen Repetitionszeiten liefert ein Kippwinkel kleiner als 90° ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis als ein 90° Puls. Um diese zu verdeutlichen, wird zunächst nur ein (der erste) Anregungspuls betrachtet. Beispielsweise ein Anregungspuls mit einem Kippwinkel von 20° erzeugt eine noch ausreichende Quermagnetisierung von 34% des Maximalwertes. Die Längsmagnetisierung beträgt dabei 94% des Maximalwertes. Es steht also beim nächsten Anregungspuls wieder eine hohe Längsmagnetisierung zur Verfügung. Im Falle kurzer Wiederholzeiten (TR klein gegenüber T. ) wird daher mit einem kleineren Kippwinkel ein stärkeres MR-Signal erzeugt, als mit einem 90°-Puls.
Die Längsmagnetisierung erholt sich umso schneller, je kleiner sie ist. Nach jeder Auslenkung um den Kippwinkel Ist die verbleibende Längsmagnetisierung zunächst kleiner als davor. Sie erholt sich dann aber jeweils umso schneller, je kleiner sie ist. Nach mehreren Anregungspulsen entsteht ein Gleichgewicht zwischen diesen beiden gegensätzlichen Tendenzen. Die Längsmagnetisierung und damit auch das Signal ist dann nach jedem Puls gleich groß, Dieser Gleichgewichtszustand wird auch als Steady-State bezeichnet,
Die Variation des Kippwinkels ändert aber nicht nur das Signal-zuRausch-Verhältnis, sondern auch das Kontrastverhalten des MR- Bildes. Beim sogenannten Ernst-Winkel ergibt sich für eine bestimmte Wiederholzeit TR und vom Gewebe abhängige T- -Zeit ein maximales Signal. Für diagnostische Zwecke wählt man allerdings einen Kippwinkel, bei dem nicht unbedingt das Signal- zu-Rausch-Verhältnis, sondern viel mehr der Kontrast optimiert wird.
Für T. gewichtete Bilder erzeugt ein größerer Kippwinkel als der
Ernst-Winkel einen besseren T. -Kontrast, bei Protonendichtewichtungen ist ein kleinerer Kippwinkel wünschenswert.
Da die Gradientenecho-Sequenz sehr schnell ist und sehr kurze Repetitionszeiten TR gegenüber der T2-Zeit haben kann (bis hinunter zu 8 ms bei den schnellsten Sequenzen), ist von der vorherigen Anregung noch eine restliche Quermagnetisierung übrig. Es gibt 2 Möglichkeiten, mit dieser Tatsache umzugehen: Die Quermagnetisierung wird zerstört oder genutzt.
Beim sogenannten FLASH-Verfahren (Fast Low Angle Shot) wird mit Hilfe der FLASH-Sequenz die verbleibende Quermagnetisierung vor dem wiederholten Anregungspuls durch einen Spoiler-Gradienten zerstört, d .h. es stellt sich nach einigen Anregungspulsen der Steady State der Längsmagnetisierung ein, Es wird nur dieser für die Bildgebung benutzt. Nachteilig bei den zuvor beschriebenen Methoden, besonders bei der Echo-Planar-Bildgebung, ist die damit verbundene hohe Schallentwicklung. Diese beruht auf der Wirkung der Lorentz-Kraft auf die im Magnetfeld befindlichen Gradientenspulen, die von einem zeitlich (mit Frequenzen um 500Hz) variierendem Strom mit einer Stärke von einigen Ampere durchflössen werden. Mit zunehmender Magnetfeldstärke erhöht sich die Schallintensität der Gradienten-Schaltvorgänge, Diese machen sich oft in Form lauter Klopfgeräusche, bei manchen Geräten auch als tonhaltiges Geräusch, bemerkbar. Folglich ist nachteilig eine Begrenzung der Lärmbelastung in Abhängigkeit von der durch den Probanden zu bewältigenden Aufgabe („Task") erforderlich.
Bei auditorischen Experimenten ergeben sich Einschränkungen aus dem Umstand, dass der Bildaufnahmelärm die Stimuli teilweise maskieren kann, Weiterhin erzeugt dieser Lärm als zusätzlicher akustischer Stimulus eine schwer kontrollierbare Aktivierung auditorischer Areale, Die Auswirkungen des Bildaufnahmelärms auf den auditorischen Kortex sind Gegenstand intensiver Forschung. Darüber hinaus entstehen bei der Ec o-Planar-Bildgebung mit zeilenmäßigem Readout nachteilig verfahrensbedingte "Ghosting"- Artefakte . "Ghosting"-Artefakte entstehen durch Überlagerung des eigentlichen Bildes mit einem in Phasencodierrichtung versetztem Bild . Aus dem Stand der Technik ist ferner eine Anwendung von Hubert- Kurven im Bereich der MR-Bildgebung bekannt und wurde in: "Detecting Discriminative Functional MRI Activation Patterns Using Space Fllllng Curves", D.Kontos, V.Megalooikonomou, N.Ghubade, C.Faloutsos, EMBC2003, S.963-966 offenbart. Dabei wird lediglich eine Auswertung von bereits (konventionell) aufgenommenen MR- Daten im Hinblick auf Muster, die für ein Krankheitsbild charakteristisch sind, vorgenommen. Durch die Hilbertkurve werden 3D-Datensätze auf 1 D-Datenstrukturen abgebildet, die dann miteinander verglichen werden.
Vor dem Hintergrund der oben beschriebenen Nachteile ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zu schaffen, die eine im Vergleich leisere Durchführung ermöglichen und die Bildgebung verbessern sowie die Vorrichtung im Vergleich weniger beanspruchen und die Anforderungen an diese reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch die gattungsgemäßen Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 7 sowie durch eine Vorrich. ung gemäß Anspruch 1 3 gelost. Vorteilhaf te Ausgestali ungen ergeben sich aus den Unteranspruchen
Das erfindungsgemaße Bildgebungsverfahren für die Kernmagnetresonanz sieht vor, dass auf eine Probe ein konstan.es sfaiiεches Magneifeld einwirkt Typischerweise weιsτ das s.ai iscne Magnetfeld bei gegenwartigen MR-Tomographen eine Starke zwischen ex a o,25 und 1 0 T auf. Das Grundfeld ist erforderlich, um eine Mindestgroße des Sιgnal-zu-Rauch-Verhaltmsses zu gewährleisten Bei der Verwendung von hyperpolarisier.en Kernen kann das Grundfeld vergleichsweise sehr klein aus. allen, ciso weniger als 0, 25 T aufweisen,
Das konslan+e sta. ische Magnetfeld wird von einem Zusaizfeid überlagert Das Zusatzfeld hat die Eigenschaft, für jeden Punkt mindestens einer Gitterflache innerhalb des Probenvolumens in jedem Punkt der Gilterebene einen anderen, nur e'nrna, auftretenden Feldstarkewert aufzuweisen Es kann sich aabei um mehrere Giiterflachen handeln und diese müssen nicht zwingend pianar sein es kann sich um Kugel- oder Zylinderoberflachen handeln uie Probe wird ferner durch ein hochfrequenres, elektromagnetisches Wechselfeld angeregt Das erfindungsgemaße Bildgebungsverfahren sieht ferner vor, dass die von der angeregten Probe abgestrahlte elektromagnet sehe Strahlung aufgezeichnet und zur Bildgenerlerung ausgewertet wird Durch Verwendung des so vorgegebenen Zusatzfeldes kann ein zeiϊlich variierendes Gradientenfeld entfallen Es gelιngτ folglicn, ein Magnetresonanz-(MR)-Bιld mit einer einzigen
Hochfrequenzanregung onne zeitlich variierenden Gradienten aufzunehmen, was wiederum die damit verounaene Schallentwickiung vorteilhaft unterbindet, Das Feld kann über mehrere Messungen hinweg zeitlich konstant gehalτen werden, was eine breitbandige Hochfrequenz-Anregung notwendig macht. Oder es kann unter Verwendung einer im Vergleich schmalbandigen Anregung für jede Messung eingeschaltet werden . Bei schmalbandiger Anregung liegen die Resonanzfrequenzen der Spins nahe beieinander, was beispielsweise durch Abschalten des Zusatzfeldes erreicht wird. Bei einer breitbandigen Anregung kann das Zusatzfeld bestehen bleiben, was technisch leichter zu realisieren ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ferner die von der angeregten Probe abgestrahlte elektromagnetische Strahlung ausgelesen und zur Bildgenerlerung ausgewertet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Zusatzfeld durch flächen- oder raumfüllende Kurven beschrieben, wobei diese Kurven eine ein-eindeutige Zuordnung des Feldstärkewertes und Punkt des Gitters aufweisen. Durch die ein-eindeutige Zuordnung zwischen Ort und Frequenz kann die Bildrekonstruktion durch eine 1 D-Fouriertransformation erfolgen, So wird eine Rohdatenmatrix mit Daten aufgefüllt und mittels einer 1 D-Fourier-Transformation in ein MR-Bild umgewandelt, Die Messung mehrerer Flächen kann beispielsweise sequentiell erfolgen. So wird das Untersuchungsobjekt zum Beispiel an der Messanordnung vorbei bzw. durch diese hindurch transportiert oder einzelne Segmente der Messanordnung nacheinander aktiviert. Das Zusatzfeld wird durch flächen- oder raumfüllende Kurven beschrieben. Beispielsweise handelt es sich um Kurven die mittels L-Systemen konstruiert werden, wie es in „Chaos and Fractals", Peltgen et al. beschrieben ist, Dadurch werden vorteilhaft Feldsprünge zwischen benachbarten Punkten vermindert, was wiederum Artefakte minimiert. Grund hierfür ist, dass die für eine möalichst ootimale Erfülluna der Eindeutiakeitsbedinauna erforderlichen Sprünge in der Feldstärke nur näherungsweise erfüllt werden können (stetiger Übergang der Feldstärke zwischen benachbarten Gitterpunkten, technischer Aufwand für die Felderzeugung). Eine Verletzung der Eindeutigkeitbedingung liegt z. B. vor, wenn zwei verschiedene Orte auf eine Frequenz im Spektrum abgebildet werden. Es lässt sich nicht mehr feststellen, von welchem Ort ein Signal stammt. Behelfsweise kann das Signal dann je zur Hälfte auf beide Orte aufgeteilt werden. Dies führt zu einer Verschmierung des Bildes, besonders entlang von Linien, die zwischen Bereichen mit stark unterschiedlichen Feldstärken liegen. Das so definierte Magnetfeld wird beispielsweise mit einer stromdurchflossenen Spulenanordnung erzeugt, die durch eine numerische Optimierung festgelegt wird. Es handelt sich dabei um eine Magnetostatik-Berechung, wobei die Differenzen aus den vorgegebenen Magnetfeldwerten und den numerisch bestimmten Werten zu minimieren sind.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass mehrere Bereiche der Probe gleichzeitig, also zeitlich parallel gemessen werden, Beispielsweise wird das dadurch erreicht, dass eine Messanordnung verwendet wird, die entsprechend mehrfach ausgestaltet ist. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders schnell durchgeführt werden.
In einer weiteren, vorteilhaften Variante der Erfindung werden Echos erzeugt. Dabei handelt es sich um eine schnelle Messtechnik, bei denen es sich beispielsweise um Spinecho- und Gradientenechos handelt. Zur Erzeugung des Echos ist in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass das Zusatzfeld sein Vorzeichen über die Zelt wechselt. Durch einen Vorzeichenwechsel lassen sich analog zur bekannten MR-Bildgebung Gradientenechos erzeugen, allerdings nicht für einzelne k-Raum-Zeilen, sondern für ein ganzes Bild auf einmal, Dieses erlaubt die Durchführung einer schnellen spektroskopischen MR-Bildgebung: eine Anregung und Aufnahme mehrerer aufeinander folgender Echo-Bilder. In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Zusatzfeld durch eine Hilbertkurve, eine spezielle räum- und flächenfüllende Kurve, beschrieben. Wenn die Hilbert-Kurve zugrunde gelegt wird, ergibt sich eine hierarchische Artefakt-Struktur, d.h. es besteht eine negative Korrelation zwischen Artefaktgröße und -häufigkeit. Dadurch wird vorteilhaft ein Kompromiss erreicht, da schwache Artefakte eher toleriert werden können als starke.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Messung von Stromverteilungen oder Magnetfeldern verwendet werden, Dadurch, dass keine Gradienten geschaltet werden, können in der Probe keine (unerwünschten) Ströme induziert werden,
Ein weiteres, alternatives Bildgebungsverfahren für die Kernmagnetresonanz sieht vor, dass in der Probe mittels Hochfrequenzanregung eine räumlich detektierbare Transversalmagnetisierung erzeugt wird. Durch das Schalten von Bildgebungsgradienten erfolgt beispielsweise eine räumlich aufgelöste Messung der Transversalmagnetisierung. Es erfolgt in einer Datenakquisltionsphase die Auslesung des Signals entlang selbstähnlicher, raumfüllender Kurven und aus den gewonnenen Daten wird eine Rohdatenmatrix gebildet. Mit Hilfe einer Fourier Transformation wird aus der Rohdatenmatrix ein Bild gewonnen, Bei bekannten Verfahren wird die Rohdatenmatrix (so genannter k- Raum) zeilenweise oder durch Abtasten auf Kreisbahnen generiert. Bei der konventionellen zellenförmigen EPI-Abtastung alterniert der (oft mit nahezu Maximal-Amplitude betriebene) Lesegradient zwischen jeder k-Raum-Zeile, wodurch die sequenztypischen Geräusche mit Frequenzen in der Größenordnung von 500Hz entstehen. „Sequenz" bezeichnet die Abfolge von Hochfrequenzanregungen, Gradientenpulsen und Daten- akquisitionen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ändert sich das Vorzeichen der Gradienten deutlich öfter, fast mit jedem k- Raum-Punkt; was praktisch einer Aneinanderreihung von EPI-'Blips' entspricht. Mit Blip' wird ein Gradientenpuls bezeichnet, der für den Wechsel von einer k-Raum-Zeile in die nächste erforderlich ist. Dies hat zur Folge, dass die Gradientengeräusche vorteilhaft in einen höheren Frequenzbereich verschoben werden (bei einer Auflösung von 64x64 von Frequenzen um 500Hz auf Frequenzen um 32000Hz) . Dieser Effekt kann vorteilhaft für die Durchführung von auditorischen Gehirnbildgebungs-Studien genutzt werden, da diese durch Gradientengeräusche z.T. stark beeinträchtigt werden, Zum Teil liegt dies daran, dass das menschliche Gehör im für die Spracherzeugung relevanten Frequenzbereich besonders empfindlich ist.
Aufwendige und teure Maßnahmen zur Reduktion der Schallentwicklungen durch passive oder gar aktive
Schalldämpfung können durch das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft entfallen. Sequenz-technische Maßnahmen zur Schallreduktion bestehen gemäß dem Stand der Technik in der Verlαngsαmung des k-Rαum-Reαdouts und der Reduktion der k- Rαumzeilen, was nachteilig die Messzeit erhöht bzw. die Auflösung der Messung verringert. Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet ferner länger andauernde 'Gradienten-Plateaus1, woraus sich eine Entlastung der Gradientenverstärker bzw, geringere technische Anforderungen an die Gradientenverstärker ergeben. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Bildkodierung besteht in einer Reduktion der Periodizität des Gradientenzeitverlaufs, durch die wiederum mechanische Resonanzen der Bildgebungsvorrichtung vermindert werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die raumfüllende Trajektorie durch eine Hilbert- Kurve beschrieben. Bei der Hilbert-Kurve (Trajektorie) werden benachbarte k-Raum-Punkte zu ähnlichen Zeitpunkten abgetastet, wodurch sich mögliche Artefakte gleichmäßiger über den k-Raum verteilen, Eine analoge Vorgehensweise existiert bei Verfahren zur Farbraum-Reduktion bei Ortsraum-Bildern („Dither-Algorithmen").
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Datenakquisation segmentweise erfolgt, D.h. der k-Raum wird in einzelne Segmente unterteilt, die ihrerseits entlang einer raumfüllenden Kurve abgetastet werden („Hybrid-Verfahren"), d.h. für jedes Segment wird ein Anregungspuls erzeugt. Eine Segmentierung kann besonders vorteilhaft sein, wenn die Relaxationszeiten kurz sind,
Die vorgenannten Verfahren können vorteilhaft mit bekannten und vorhandenen Vorrichtungen zur Kernspintomographie realisiert werden, beispielsweise ist deren Pulssequenz nur anzupassen. Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Bildkodierung in 3 Dimensionen erfolgt. Damit eignet es sich für das sogenannte Echo-Volumar-Imaging. Dabei handelt es sich um eine dreidimensionale EPI, wobei auf die Schichtselektion vorteilhaft verzichtet wird.
Eine- weitere Ausführungsform sieht vor, dass Teile der Messanordnung an der Probe vorbei oder durch die Probe bewegt werden oder einzelne Gradientenspulen nacheinander aktiviert werden.
Die Erfindung betrifft ferner Vorrichtungen zur Durchführung der jeweils zuvor beschriebenen Verfahren mit den damit verbunden Vorteilen. Gemäß einer ersten Vorrichtung ist ein konstantes, statisches Magnetfeld vorgesehen, das auf eine Probe einwirkt. Die Vorrichtung umfasst Mittel zur Erzeugung eines Zusatzfeldes, das dem statischen Magnetfeld überlagert ist und das in mindestens einer Gitterfläche innerhalb des Probenvolumens in jedem Punkt der Gitterfläche unterschiedliche Feldstärkewerte aufweist. Ferner sind Mittel zur Erzeugung eines hochfrequenten, elektromagnetischen Wechselfeldes, wodurch die Probe angeregt wird, vorgesehen , In einer besonders einfachen Variante umfassen die Mittel zur Erzeugung eines hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes eine die gesamte Probe einschließende HF-Sende- / Empfangsspule. Die Mittel zur Auslesung dienen der Registrierung der von der angeregten Probe abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung, Ferner sind Mittel zur Auswertung und Bildgenerlerung vorgesehen. Beispielsweise handelt es sich bei den Vorrichtungen um bekannte MR- Bildgebungsvorrichtungen. Durch Verwendung des so vorgegebenen Zusαtzfeldes kann ein zeitlich variierendes Gradientenfeld entfallen . Es gelingt folglich, ein Magnetresonanz- (MR)-Bild mit einer einzigen Hochfrequenzanregung ohne zeitlich variierenden Gradienten aufzunehmen, was wiederum die damit verbundene Schallentwicklung vorteilhaft unterbindet,
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassen die Mittel zur Erzeugung eines Zusatzfeldes eine Mikrospulenanordnung. Beispielsweise handelt es sich um so genannte Mikrospulen-Arrays, wie sie in der Oberflächenmessung oder in der Biologie bzw. Biochemie für Screening-Systeme verwendet werden. Das Feld kann beispielsweise mit Mikrospulen erzeugt werden, die auf einer rechteckigen Fläche matrixartig (n x n) angeordnet sind, Die Probe liegt beispielsweise auf diesen Spulen auf oder grenzt an diese unmittelbar an. Um das Zusatzfeld beispielsweise durch eine Hilbertkurve, eine spezielle räum- und flächenfüllende Kurve, beschreiben zu können, sind die Stromstärken der Mikrospulen durch die Werte entlang dieser Hilbertkurve mit linearem Anstieg der Feldstärke entlang der Kurve definiert, Eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung sieht vor, dass Mittel zur Erzeugung einer detektierbaren Transversalmagnetisierung in einer Probe vorgesehen sind. Die Vorrichtung sieht ferner Mittel zur Datenakquisition eines Signals entlang einer selbstähnlichen, raumfüllenden Trajektorie vor. Ferner sind Mittel zur Datenauswertung vorgesehen, die aus den akquirierten Daten eine Rohdatenmatrix bilden und aus der Rohdatenmatrix mit Fourier Transformation ein Bild gewinnen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung sorgt vorteilhaft für eine Verringerung bzw. Frequenzverschiebung der „Sequenz"-Geräusche. Der Effekt kann vorteilhaft für die Durchführung von auditorischen Gehi nbildgebungs-Studien genutzt werden, da diese durch Gradientengeräusche z.T. stark beeinträchtigt werden. Zum Teil liegt dies daran, dass das menschliche Gehör im für die Spracherzeugung relevanten Frequenzbereich besonders empfindlich ist, Aufwendige und teure Maßnahmen zur Reduktion der Schallentwicklungen durch passive oder gar aktive Schalldämpfung können bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorteilhaft entfallen. Die Vorrichtung kann vergleichsweise einfach gehalten werden, da länger andauernde 'Gradienten-Plateaus' vermieden werden, woraus sich eine Entlastung der Gradientenverstärker bzw. geringere technische Anforderungen an die Gradientenverstärker ergeben, Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Bildkodierung besteht in einer Reduktion der Periodizität des Gradientenzeitverlaufs, durch die wiederum mechanische Resonanzen der Bildgebungsvorrichtung vermindert werden.
Zu den Flauren: Figur 1 ist eine 3D-Darstellung einer zweidimensionalen Hilbertkurve. Die z-Koordinate gibt den Zeitpunkt an, zu dem der entsprechende k-Raum Punkt erreicht ist oder die Stärke des Zusatzfeldes als Funktion des Ortes.
Figur 2a zeigt als Beispiel die kχ-Komponente einer Hilbert- Trajektorie für eine Auflösung von 64x64 Voxeln.
Figur 2b zeigt als Beispiel die k -Komponente einer Hilbert- Trajektorie für eine Auflösung von 64x64 Voxeln. Figur 3α zeigt die x-Komponente des Grαdientenfeldes für die Kodierung der Hilbert-Trαjektorie, die sich durch zeitliche Ableitung aus dem k(t)-Verlauf ergibt. Figur 3b zeigt die y-Komponente des Gradientenfeldes für die Kodierung der Hilbert-Trajektorie, die sich durch zeitliche Ableitung aus dem k(t)-Verlauf ergibt.
Zusammenfassung: Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bildgebungsverfahren und Vorrichtung für die Kernmagnetresonanz. Das Verfahren sieht einerseits eine Bildkodierung mittels eines Zusatzfeldes vor, das für jeden Punkt einer 2-dimensionalen Gitterfläche innerhalb ö.e^ Probe einen anderen, nur einmal auftretenden Feldstärkewert aufweist, v/ie es z. B. bei auf selbstähnlichen, flächen- bzw. raumfüllenden Kurven beruhenden Feldern der Fall ist, Andererseits kann eine Auslesung des Resonanzverhaltens einer Probe entlang einer raumfüllenden bzw. flächenfüllenden Kurve vorgesehen sein, Bei der ersten Variante kann ein Magnetresonanz-(MR)-Biid mit einer einzigen Hochfrequenzanregung ohne zeitlich variierenden Gradienten aufgenommen werden, was die damit verbundene Schailenfwickiung vorteilhaft unterbindet, Bei der zweiten Variante werden die bei der Auslesung erzeugten Geräusche vorteilhaft in einen anderen Frequenzbereich verschoben, in dem das menschliche Gehör eine geringere Empfindlichkeit besitzt, Darüber hinaus wird so die Vorrichtung entlastet und die technischen Anforderungen an diese reduziert. Ferner kann es mit bekannten und vorhandenen Vorrichtungen durchgeführt werden.

Claims

Ansprüche:
1 . Bildgebungsverfahren für die Kernmagnetresonanz, wobei auf eine Probe ein konstantes, statisches Magnetfeld einwirkt, wobei dem statischen Magnetfeld ein Zusatzfeld überlagert wird, das in mindestens einer Gitterfläche innerhalb des Probenvolumens in jedem Punkt der Gitterfläche unterschiedliche Feldstärkewerte aufweist, wobei die Probe durch ein hochfrequentes, elektromagnetisches Wechselfeld angeregt wird, und wobei die von der angeregten Probe abgestrahlte elektromagnetische Strahlung ausgelesen und zur Bildgenerlerung ausgewertet wird,
2. Bildgebungsverfahren für die Kernmagnetresonanz nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine 1 D- Fouriertransformation verwendet wird,
3. Bildgebungsverfahren für die Kernmagnetresonanz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zusatzfeld durch flächen- oder raumfüllende Kurven beschrieben wird, wobei für diese Kurven eine ein-eindeutige Zuordnung zwischen Feldstärkewerte und Punkt des Gitters besteht.
4. Bildgebungsverfahren für die Kernmagnetresonanz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Bereiche der Probe gleichzeitig gemessen werden.
5. Bildgebungsverfahren für die Kernmagnetresonanz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Echos erzeugt werden.
6. Bildgebungsverfahren für die Kernmagnetresonanz nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zur Erzeugung des Echos das Zusatzfeld sein Vorzeichen über die Zeit wechselt.
7. Bildgebungsverfahren für die Kernmagnetresonanz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zusatzfeld durch eine Hilbert-Kurve beschrieben wird. 8. Bildgebungsverfahren für die Kernmagnetresonanz, wobei in einer Probe eine räumlich detektierbare Transversalmagnetisierung erzeugt wird, in der Datenakquisitionsphase das Signal entlang einer selbstähnlichen, raumfüllenden Trajektorie ausgelesen wird und eine Rohdatenmatrix gebildet wird und aus der Rohdatenmatrix mit Fourier Transformation ein Bild gewonnen wird.
9. Bildgebungsverfahren für die Kernmagnetresonanz nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die selbstähnllche, raumfüllende Trajektorie durch eine Hilbert-Kurve beschrieben wird.
1 0. Bildgebungsverfahren für die Kernmagnetresonanz nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 oder 9, wobei die Datenakquisition segmentweise erfolgt, 1 . Bildgebungsverfahren für die Kernmagnetresonanz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Bildkodierung in 3 Dimensionen erfolgt,
2. Bildgebungsverfahren für die Kernmagnetresonanz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Teile einer Messαnordnung an der Probe vorbei oder durch die Probe bewegt werden oder Segmente des oder der Magnetfelder nacheinander aktiviert werden .
1 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einer der Ansprüche 1 bis 7, mit einem konstanten, statischen Magnetfeld, das auf eine Probe einwirkt, mit Mitteln zur Erzeugung eines Zusatzfeldes, das dem statischen Magnetfeld überlagert ist und das in mindestens einer Gitterfläche innerhalb des Probenvolumens in jedem Punkt der Gitterfläche unterschiedliche Feldstärkewerte aufweist, mit Mitteln zur Erzeugung eines hochfrequenten, elektromagnetischen Wechselfeldes, wodurch die Probe angeregt wird, mit Mitteln zur Auslesung der von der angeregten Probe abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung und mit Mitteln zur Auswertung und Bildgenerlerung,
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 3, wobei die Mittel zur Erzeugung eines Zusatzfeldes eine Mikrospulen-Anordnung umfassen .5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einer der Ansprüche 8 bis 1 2, mit Mitteln zur Erzeugung einer räumlich detektierbaren Transversalmagnetisierung in einer Probe, mit Mitteln zur Datenakquisition eines Signals entlang einer selbstähnlichen, raumfüllenden Trajektorie, mit Mitteln zur Datenauswertung, die aus den akquirierten Daten eine Rohdatenmatrix bilden und aus der Rohdatenmatrix mit Fourier Transformation ein Bild gewinnen.
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