DE4430460A1 - Verfahren der bildgebenden Kernspintomographie zur simultanen Erzeugung mehrerer Schichtbilder - Google Patents

Verfahren der bildgebenden Kernspintomographie zur simultanen Erzeugung mehrerer Schichtbilder

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen und Auf­ nehmen von Kernspinresonanz (NMR)-Signalen in ausgewählten Bereichen eines Untersuchungsobjektes, insbesondere zur Er­ zeugung von Schnittbildern eines Körpers, bei dem in einem Anregungsschritt in das Untersuchungsobjekt in einem homoge­ nen statischen Magnetfeld ein schmalbandiger Hochfrequenz (HF)-Impuls in Anwesenheit eines Schichtselektionsgradienten GS eingestrahlt wird, um ein NMR-Signal in einer ausgewähl­ ten Schicht des Untersuchungsobjektes zu erzeugen, und bei dem in einem Aufnahmeschritt in Anwesenheit eines zum Schichtselektionsgradienten GS senkrechten Lesegradienten GR das erzeigte NMR-Signal ausgelesen wird.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise bekannt aus DE 35 04 734 A1.
Die Erzeugung von kernspintomographischen Bildern mit Hilfe einer Gradientenechosequenz ist eine in der klinischen Rou­ tine häufig verwendete Methode (siehe auch: Higgins Ch, Hri­ cak H, Helms C, Magnetic Resonance Imaging of the Body, Ra­ ven Press, New York, 1992, S. 177 ff.). In jüngster Zeit hat sich insbesondere die Anwendung einer solchen Sequenz zur Untersuchung von Signalveränderungen, welche bei Aktivierung kortikaler Areale auftreten, als nützlich herausgestellt (siehe Frahm, J. et al. Magnetic Resonance in Medicine 29: 139, 1993). Aufgrund des hierbei genutzten BOLD-Kontrastme­ chanismus (siehe Ogawa, S et al. Proc.Natl.Acad.Sci.USA 89: 5951, 1992) erfordern diese Untersuchungen eine Signal­ auslesung mit langen Echozeiten von 40-80 ms. Da die Wieder­ holzeit der Aufnahme aufeinanderfolgender Einzelprojektions­ schritte zwangsläufig größer sein muß als die Signalauslese­ zeit, ergeben sich hierbei Aufnahmezeiten von ca. 10-20 s pro Bild für eine Aufnahmematrix von 128×256 bis 256×256. Eine Verkürzung dieser Aufnahmezeiten um ca. die Hälfte kann durch sogenanntes Echo-Shifting, bekannt aus Liu G. et al. Proc.XIIth Annual Meeting SMRM, New York, S. 13, 1993) er­ reicht werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art vorzustellen, bei dem die Gesamtaufnahmezeit noch wesentlich weiter reduziert werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe auf überraschend einfa­ che, aber wirkungsvolle Art und Weise dadurch gelöst, daß in einem Zeitintervall zwischen dem Anregungsschritt und dem Aufnahmeschritt weitere HF-Impulse jeweils in Anwesenheit eines Schichtselektionsgradienten GS eingestrahlt werden, wobei in den Zeitintervallen zwischen dem Einstrahlen der HF-Impulse weitere Gradientenimpulse in Richtung des Lese­ gradienten GR geschaltet werden, und daß die dadurch erzeug­ ten weiteren, aufeinanderfolgenden NMR-Signale in Anwesen­ heit des Lesegradienten GR zeitlich versetzt ausgelesen wer­ den.
Besonders bevorzugt ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der in einem Zeitintervall zwischen dem Ein­ strahlen des letzten HF-Impulses und dem Auftreten des er­ sten erzeugten NMR-Signales ein zum Lesegradienten GR senk­ rechter Phasencodiergradient GP angelegt wird, und bei der das gesamte Verfahren mehrmals wiederholt wird, wobei je­ weils unterschiedliche Phasencodiergradienten GP angelegt werden. Dadurch werden die erzeugten NMR-Signale von einem Durchlauf des Verfahrens zum nächsten einer unterschiedli­ chen Phasencodierung unterworfen.
Bei einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsge­ mäßen Verfahrens wird die Stärke der Gradienten so gewählt, daß die NMR-Signale aus unterschiedlichen Schichten des Un­ tersuchungsobjektes bezüglich ihres jeweiligen Anregungs-HF- Impulses jeweils dieselbe Echozeit aufweisen. Durch die äquidistante zeitliche Abfolge der NMR-Signale vereinfacht sich das Aufnahme- und Auswerteverfahren erheblich.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein weiterer Phasencodiergradient in Rich­ tung des Schichtselektionsgradienten GS angelegt und bei Wiederholungen des Verfahrens nach dem Prinzip der drei-di­ mensionalen Fouriertransformation variiert. Dadurch kann die räumliche Auflösung der NMR-Signale innerhalb jeder Schicht weiter erhöht werden.
Eine weitere vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß die von den HF-Im­ pulsen jeweils in Anwesenheit eines Schichtselektionsgradi­ enten GS erfaßten Volumina des Untersuchungsobjekts iden­ tisch sind, so daß die zeitlich versetzt auftretenden NMR- Signale aufgrund der schichtselektiven Anregungen mit HF-Im­ pulsen jeweils aus derselben Schicht des Untersuchungsob­ jekts stammen.
Es ist daher nicht unbedingt notwendig, das erfindungsgemäße Verfahren ausschließlich zur Erzeugung von Mehrschicht-NMR- Aufnahmen zu verwenden.
Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung dieser Verfah­ rensvariante, bei der die zeitlich versetzt auftretenden NMR-Signale einer beobachteten ausgewählten Schicht jeweils unterschiedlich phasencodiert werden. Bei n auftretenden Si­ gnalen wird damit eine Reduktion der Zahl der Aufnahme­ schritte um den Faktor n erreicht, so daß bereits im Einzel­ schichtverfahren eine ganz erhebliche Reduzierung der Meß­ zeit möglich wird.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Be­ schreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfin­ dungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in be­ liebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaf­ ten Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Gradientenechosequenz zur simultanen Auslesung der NMR-Signale mehrerer Schichten;
Fig. 2 eine Gradientenechosequenz nach dem Stand der Technik;
Fig. 3 ein Diagramm der zeitlichen Entwicklung der Phase ϕ eines Spinsystems in Anwesenheit eines zeitlich veränderlichen Lesegradienten GR bei Anwendung von Anregungs-HF-Impulsen mit Flipwinkeln α; und
Fig. 4 eine erfindungsgemäße Sequenz zur Erzeugung mehrerer unterschiedlich phasencodierter Signale derselben Schicht.
Bei der in Fig. 2 gezeigten bekannten Gradientenechosequenz entspricht GS dem Schichtselektionsgradienten, GR dem Leseg­ radienten und GP dem Phasencodiergradienten, während Rf den anregenden Hochfrequenzimpuls sowie das dadurch erzeugte NMR-Signal kennzeichnet. Für ein typisches Experiment mit einer Echozeit von 35 ms sind das Schichtselektionsintervall tex, das Ausleseintervall taq und die dazwischenliegende Zeit ti angegeben.
Das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht auf der Erkenntnis, daß für die angestrebte Anwendung der be­ kannten NMR-Gradientenechosequenz nach Fig. 2 mit langer Echozeit ein langes Zeitintervall ti zwischen der Erzeugung der NMR-Signale durch einen schichtselektiven Hochfrequenz­ impuls in Anwesenheit eines Schichtselektionsgradienten GS und der Signalauslesung als Gradientenecho durch Inversion eines Lesegradienten GR auftritt.
Dieses Zeitintervall ti wird im erfindungsgemäßen Verfahren durch weitere Anregungsschritte der beschriebenen Art aufge­ füllt, wobei diese weiteren Anregungsschritte im allgemeinen Fall jeweils unterschiedliche Schichten erfassen. Durch Hin­ zufügen von Gradienten in Richtung des Lesegradienten GR lassen sich die durch die unterschiedlichen Anregungsimpulse hervorgerufenen NMR-Signale während der Ausleseperiode zeit­ lich aufeinanderfolgend aufnehmen, wobei bei geeigneter Wahl der Stärke dieses zusätzlichen Gradienten jedes NMR-Signal die gleiche Echozeit bezüglich seines Anregungsimpulses auf­ zeigt.
Die in Fig. 1 unter den HF-Impulsen bzw. den NMR-Signalen angegebenen Zahlen ordnen die NMR-Signale den jeweils zuge­ hörigen Selektionsimpulsen zu.
Die Zahl der bei einer vorgegebenen Echozeit te im Intervall anwendbaren Anregungsschritte hängt von der Dauer eines An­ regungsintervalls tex sowie der eines Ausleseschrittes taq ab. Für übliche Gradientensysteme mit Schaltzeiten unter 1 ms bei Stärken von über 10 mT/m lassen sich ohne weiteres Werte von tex = 4 ms und taq = 4 ms erreichen, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Damit ist es möglich, bei einer Echozeit von 35 ms 7 Schichten im Meßintervall unterzubringen. Aufgrund der zeitlich aufeinanderfolgenden Auslesung der NMR-Signale ver­ längert sich die minimale Wiederholzeit im angeführten Bei­ spiel von ca. 40 ms auf ca. 60 ms. Der Zeitgewinn beträgt daher gegenüber einer sequentiellen Aufnahme der Einzel­ schichten oder gegenüber einer verschachtelten Aufnahme nach dem Multislice-Prinzip etwa einen Faktor 4,7.
Die erfindungsgemäße Sequenz läßt sich auch dann anwenden, wenn die in Fig. 1 dargestellten einzelnen Anregungsschritte jeweils dieselbe Schicht betreffen. In diesem Fall ist zu berücksichtigen, daß die zeitlich aufeinanderfolgenden NMR- Signale nicht nur als reine Gradientenechos zu betrachten sind, sondern auch Spin-echo- oder stimulierte Echo-Signale durch die Auswirkung zweier oder mehrerer der aufeinander­ folgenden Anregungsimpulse zu berücksichtigen sind. Wie in Fig. 3 aufgezeigt ist, überlagern sich bei dem in Fig. 1 ge­ zeigten Anwendungsschema die jeweiligen NMR-Signalanteile jeweils kohärent, so daß artefaktfreie Bilder entstehen.
Im einzelnen zeigt Fig. 3 die Entwicklungsphase ρ eines Spinsystems in Anwesenheit eines zeitlich veränderlichen Le­ segradienten GR bei Anwendung von insgesamt fünf durch senk­ rechte Striche dargestellten Anregungsimpulsen mit Flipwin­ kel α. Neben den Gradientenechosignalen (ausgefüllte Krei­ se), die auch bei Verwendung von Anregungsimpulsen auftre­ ten, mit denen unterschiedliche Schichten ausgewählt werden, ergeben sich hierbei auch die mit offenen Kreisen gekenn­ zeichneten Spinecho-NMR-Signale.
Eine besonders bevorzugte Anwendung dieser Implementierung der Sequenz besteht darin, jedes der auftretenden NMR-Ein­ zelsignale mit unterschiedlicher Phasencodierung zu verse­ hen, so daß hiermit bereits im Einzelschichtverfahren eine Reduzierung der Meßzeit um den oben angegebenen Faktor mög­ lich ist.
Eine derartige Sequenz zur Erzeugung mehrerer unterschied­ lich phasencodierter Signale derselben Schicht ist in Fig. 4 gezeigt.

Claims (6)

1. Verfahren zum Erzeugen und Aufnehmen von Kernspinreso­ nanz (NMR)-Signalen in ausgewählten Bereichen eines Untersuchungsobjektes, insbesondere zur Erzeugung von Schnittbildern eines Körpers, bei dem in einem Anre­ gungsschritt in das Untersuchungsobjekt in einem homo­ genen statischen Magnetfeld ein schmalbandiger Hoch­ frequenz (HF)-Impuls in Anwesenheit eines Schicht­ selektionsgradienten Gs eingestrahlt wird, um ein NMR- Signal in einer ausgewählten Schicht des Untersu­ chungsobjektes zu erzeugen, und bei dem in einem Auf­ nahmeschritt in Anwesenheit eines zum Schichtselek­ tionsgradienten GS senkrechten Lesegradienten GR das erzeugte NMR-Signal ausgelesen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Zeitintervall zwischen dem Anregungs­ schritt und dem Aufnahmeschritt weitere HF-Impulse je­ weils in Anwesenheit eines Schichtselektionsgradienten GS eingestrahlt werden, wobei in den Zeitintervallen zwischen dem Einstrahlen der HF-Impulse weitere Gradi­ entenimpulse in Richtung des Lesegradienten GR ge­ schaltet werden, und daß die dadurch erzeugten weite­ ren, aufeinander folgenden NMR-Signale in Anwesenheit des Lesegradienten GR zeitlich versetzt ausgelesen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Zeitintervall zwischen dem Einstrahlen des letzten HF-Impulses und dem Auftreten des ersten er­ zeugten NMR-Signals ein zum Lesegradienten GR senk­ rechter Phasenkodiergradient GP angelegt wird, und daß das gesamte Verfahren mehrmals wiederholt wird, wobei jeweils unterschiedliche Phasencodiergradienten GP an­ gelegt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stärke der Gradienten so gewählt wird, daß die NMR-Signale aus unterschiedlichen Schichten des Untersuchungsobjektes bezüglich ihres jeweiligen Anregungs-HF-Impulses jeweils dieselbe Echozeit auf­ weisen.
4. Verfahren nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein weiterer Phasenkodiergradient in Richtung des Schichtselektionsgradienten GS angelegt und bei Wiederholungen des Verfahrens nach dem Prinzip drei-dimensionalen Fouriertransformation variiert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die von den HF-Impulsen je­ weils in Anwesenheit eines Schichtselektionsgradienten GS erfaßten Volumina des Untersuchungsobjekts iden­ tisch sind, so daß die zeitlich versetzt auftretenden NMR-Signale aufgrund der schichtselektiven Anregungen mit HF-Impulsen jeweils aus derselben Schicht des Un­ tersuchungsobjekts stammen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitlich versetzt auftretenden NMR-Signale einer beobachteten ausgewählten Schicht jeweils unterschied­ lich phasencodiert werden.
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