DE4024161A1 - Pulssequenz zur schnellen ermittlung von bildern der fett- und wasserverteilung in einem untersuchungsobjekt mittels der kernmagnetischen resonanz - Google Patents

Description

Pulssequenz zur schnellen Ermittlung von Bildern der Fett- und Wasserverteilung in einem Untersuchungsobjekt mittels der kernmagnetischen Resonanz.

Die gesonderte Ermittlung der Fett- und Wasserverteilung ist in der Kernspin-Tomographie vielfach von hohem diagnostischen Wert. Zur Erstellung gesonderter Bilder für die Fett- und Was­ serverteilung wird die Tatsache ausgenutzt, daß die Wasser­ gebundenen Protonen im Spektrum der magnetischen Resonanz eine chemische Verschiebung gegenüber Fett (Methylen)-gebundenen Protonen haben.

Ein Verfahren zur Erstellung reiner Wasser- oder Fettbilder ist in der Literaturstelle A. Haase et al. in "Physics in Medicine and Biology", Vol. 30, 341 (1985) beschrieben. Dabei wird zu­ nächst die nicht gewünschte Signalkomponente durch einen selektiven 90°-Hf-Puls angeregt. Anschließend wird die Magne­ tisierung durch einen Spoilergradienten zerstört. Damit ver­ bleibt das Spinsystem in einem Status, wo keine resultierende Magnetisierung der unerwünschten Komponente vorhanden ist, während die Z-Magnetisierung der gewünschten Komponente unbee­ influßt bleibt. Die gewünschte Komponente kann dann mit einer üblichen Bildgebungssequenz, d.h. einer Anregung mit nachfol­ gender ortsselektiver Signalauswertung, ausgelesen werden.

Auch aus der Literaturstelle M. Deimling et al., 6. SMRM Kon­ greß, New York, Abstract Seite 447, ist ein Verfahren zur ge­ sonderten Erstellung von Fett- und Wasserbildern bekannt. Dabei wird eine spektralselektive Erregung durch einen Rechteckimpuls erreicht. Das Frequenzspektrum eines Rechteckimpulses ist durch eine Sinc-Funktion gegeben. Das Frequenzspektrum kann nun durch die Dauer des Anregungspulses so gewählt werden, daß sie für eine Spektralkomponente (z.B. Wasser) ein Maximum und für eine zweite Spektralkomponente (z.B. Fett) ein Minimum aufweist. Die Fett-Spektralkomponente wird dann durch den rechteckförmigen Anregungspuls nicht beeinflußt. Nach einer selektiven Anregung durch einen 90°-Puls wird die Wasser-Komponente durch einen Spoilergradienten dephasiert. Durch eine darauffolgende Puls­ sequenz kann ein dreidimensionaler Datensatz ermittelt werden, der dann nur Fett-Komponenten repräsentiert. Damit kann ein reines Bild der Fettverteilung gewonnen werden. Durch Verschie­ bung der Frequenz kann dann entsprechend ein Bild der Wasser­ verteilung erzielt werden.

Aus der Literaturstelle P.J. Hore, "Journal of Magnetic Resonance" 54, 539-542 (1983), ist die Ausgestaltung von spek­ tralselektiven Hochfrequenz-Anregepulsen bekannt. Dabei ist jeder Hochfrequenz-Anregepuls aus Einzelimpulsen gleichen Ab­ stands zusammengesetzt. Unter anderem werden in dieser Literatur­ stelle Hochfrequenz-Anregepulse mit dem Verlauf 1331 vorge­ schlagen, d.h. vier aufeinanderfolgende Einzelpulse mit der relativen Länge von 1, 3, 3 und 1, wobei alle Pulse dieselbe Phase aufweisen. Ferner werden auch Pulsfolgen vorgeschlagen, bei denen Einzelpulse eine Phasenverschiebung von 180° haben, z.B. eine Pulsfolge von 13, wobei der Strich jeweils auf eine 180°-Phasenverschiebung hindeutet.

Aus der Literaturstelle H. Bruder et al., "Magnetic Resonance in Medicine" 7, 35-42 (1988), ist eine Pulssequenz bekannt, die gleichzeitig zwei MR-Bilder mit deutlich unterschiedlichen Kon­ trasten liefert. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß bei einer schnellen Aufeinanderfolge von Hochfrequenzpulsen zwischen diesen zwei Signale mit unterschiedlichen T2-Kon­ trasten entstehen. Es wird zunächst eine Schicht des Untersuchungsobjektes angeregt. Dann folgt ein negativer Gradient in x-Richtung, der die Kernspins in x-Richtung de­ phasiert und ein Phasencodiergradient in y-Richtung. Durch einen ersten positiven Gradienten in x-Richtung werden dann die Kernspins wieder rephasiert und das entstehende Signal unter der Wirkung des ersten positiven Gradienten in x-Richtung aus­ gelesen. Unter einem zweiten positiven Gradienten in x-Richtung wird ein zweites Signal ausgelesen. Anschließend folgt wieder ein zweiter negativer Gradient in x-Richtung und ein zweiter Phasencodiergradient, wobei die letztgenannten Gradienten so ausgestaltet sind, daß über die Sequenz betrachtet alle Spins rephasiert werden, so daß sich ein steady state-Zustand ein­ stellen kann.

Bei den obengenannten Methoden zur getrennten Erstellung von Bildern der Fett- und Wasserverteilung eines Untersuchungs­ objektes sind stets zwei vollständige gesonderte Meßvorgänge notwendig, so daß die Meßzeit - abgesehen von der Vorberei­ tungszeit - verdoppelt wird. Durch Bewegungen des Patienten zwischen den Messungen wird außerdem eine Korrelation zwischen den beiden Meßvorgängen erschwert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Pulssequenz der ein­ gangs genannten Art so auszugestalten, daß mit einer Meßsequenz Bilder der Verteilung einer Kernart in zwei unterschiedlichen chemischen Bindungen gewonnen werden. Diese Aufgabe wird er­ findungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Schritte gelöst. Da hierbei im Gegensatz zu üblichen Verfahren keine Schichtauswahl durch Aufschalten eines Gradienten zugleich mit dem Hochfrequenz-Anregepuls möglich ist, wird bei Anwendung lediglich eines Phasencodiergradienten kein Schichtbild, sondern eine Projektion erzeugt. Vorteilhafterweise werden da­ her zwei Phasencodiergradienten in aufeinander senkrecht ste­ henden Richtungen eingeschaltet, so daß man in Zusammenwirken mit einem Auslesegradienten eine dreidimensionale Auflösung erhält.

Diagnostisch besonders relevant ist eine Pulssequenz, bei der die erste Spektralkomponente diejenige von wassergebundenen Protonen und die zweite Spektralkomponente diejenige von fett­ gebundenen Protonen ist.

Der erste und der zweite Auslesegradient können zu einem ein­ zigen Auslesegradienten zusammengefaßt werden.

Für die spektralselektiven Hf-Impulse ergibt sich eine be­ sonders einfache Lösung, wenn der erste Hf-Impuls aus vier Einzelimpulsen mit gleichem Abstand und der relativen Dauer 1, 3, 3, 1 besteht und der zweite Hf-Impuls aus vier Einzel­ impulsen mit gleichem Abstand und relativer Dauer 1, 3, 3, 1 besteht, wobei der erste und der dritte Einzelimpuls gegenüber den übrigen um 180° phasenverschoben sind. Damit ist der zweite Hochfrequenzimpuls spektralkomplementär zum ersten, d.h. er regt gerade die Kernspins an, die vom ersten nicht angeregt werden und umgekehrt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 7 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Kernspin-Tomo­ graphiegerätes,

Fig. 2 den Verlauf der Anregung mit Hf-Impulsen RF,

Fig. 3 den Verlauf des Kernresonanzsignals S,

Fig. 4 den Verlauf der Gradienten G_Z in z-Richtung,

Fig. 5 den Verlauf der Gradienten G_Y in y-Richtung,

Fig. 6 den Verlauf der Gradienten G_X in x-Richtung,

Fig. 7 das Kernresonanzspektrum der untersuchten Probe mit Spektralkomponenten ω_w und ω_f.

Zur Erläuterung der Erfindung werden zunächst anhand von Fig. 1 die Grundkomponenten eines Kernspin-Tomographen dargestellt. Die Spulen 1-4 erzeugen ein magnetisches Grundfeld B₀, in wel­ chem sich bei Anwendung zur medizinischen Diagnostik der zu untersuchende Körper 5 eines Patienten befindet. Diesem sind außerdem Gradientenspulen zugeordnet, die zur Erzeugung unab­ hängiger, zueinander senkrechter Magnetfeldkomponenten der Richtungen x, y und z gemäß dem Koordinatenkreuz 6 vorgesehen sind. In der Fig. sind der Übersichtlichkeit halber nur die Gradientenspulen 7 und 8 gezeichnet, die zusammen mit einem Paar gegenüberliegender, gleichartiger Gradientenspulen zur Erzeugung eines X-Gradienten dienen. Die gleichartigen, nicht eingezeichneten Y-Gradientenspulen liegen parallel zum Kör­ per 5 und oberhalb sowie unterhalb von ihm, die für das Z- Gradientenfeld quer zu seiner Längsachse am Kopf- und am Fußende.

Die Anordnung enthält außerdem noch eine zur Erzeugung und Auf­ nahme der Kernresonanzsignale dienende Hochfrequenzspule 9. Die von einer strichpunktierten Linie 10 umgrenzten Spulen 1, 2, 3, 4, 7, 8 und 9 stellen das eigentliche Untersuchungsinstrument dar.

Es wird von einer elektrischen Anordnung aus betrieben, die ein Netzgerät 11 zum Betrieb der Spulen 1-4 sowie eine Gradienten­ stromversorgung 12, an welcher die Gradientenspulen 7 und 8 sowie die weiteren Gradientenspulen liegen, umfaßt. Die Hoch­ frequenzspule 9 ist über einen Signalverstärker 14 bzw. einen Hochfrequenzsender 15 an einen Prozeßrechner 17 gekoppelt, an den zur Ausgabe der Abbildung ein Bildschirmgerät 18 ange­ schlossen ist. Die Komponenten 14 und 15 bilden eine Hochfre­ quenzeinrichtung 16 zur Signalerzeugung und -aufnahme. Ein Um­ schalter 19 ermöglicht das Umschalten von Sende- auf Empfangs­ betrieb.

Für die Ansteuerung der Hochfrequenzeinrichtung 16 und der Gradientenspulen sind eine Reihe von Pulssequenzen bekannt. Dabei haben sich Verfahren durchgesetzt, bei denen die Bild­ erzeugung auf einer zwei- bzw. dreidimensionalen Fourier- Transformation der gewonnenen Meßwerte beruht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 2-7 erläutert. Zunächst wird nach Fig. 2 ein Hoch­ frequenzpuls RF 1 eingestrahlt. Dieser besteht aus vier Einzel­ impulsen, die zueinander gleichen Abstand und eine Impulsdauer im Verhältnis 1 : 3 : 3 : 1 haben. Ein derartiger Impuls ist nach der bereits eingangs genannten Literaturstelle Hore, "Journal of Magnetic Resonance" 54, 539-542 (1983), frequenzselektiv und wird so dimensioniert, daß exakt die Resonanzlinie wasserge­ bundener Protonen angeregt wird. Das Kernresonanzspektrum der Probe mit der Resonanzlinie ω_w für wassergebundene Protonen ist in Fig. 7 dargestellt.

Anschließend wird gemäß Fig. 4 ein Dephasiergradient G_Z1 in z-Richtung eingestrahlt, der die sich nach dem Hochfrequenzim­ puls RF1 ergebende Quermagnetisierung zerstört. Der Phasengang der Kernspins der wassergebundenen Protonen ist in Fig. 4 eben­ falls dargestellt und mit ϕ1 bezeichnet.

Nach dem Dephasiergradienten G_Z1 wird ein zweiter Hochfrequenz­ impuls RF2 eingestrahlt. Dieser besteht ebenfalls aus vier Teilimpulsen mit gleichem Abstand, deren Dauer im Verhältnis 1 : 3 : 3 : 1 bestimmt ist. Im Gegensatz zum Hochfrequenzimpuls RF1 sind hierbei jedoch der erste und der dritte Teilimpuls gegen­ über den übrigen um 180° phasenverschoben. Damit ist der Hochfrequenzimpuls RF2 spektralkomplementär zum Hochfrequenz­ impuls RF1. Er ist so dimensioniert, daß er lediglich die fettgebundenen Protonen gemäß dem in Fig. 7 dargestellten Kern­ resonanzspektrum mit der Resonanzlinie ω_f anregt.

Die Hochfrequenzimpulse RF1 und RF2 sind aufgrund der fehlenden Schichtselektionsgradienten nicht selektiv, so daß im Bereich der die Hf-Impulse ausstrahlenden Antenne das gesamte Proben­ volumen angeregt wird.

Auf den zweiten Hochfrequenzimpuls RF2 folgen ein Phasen­ codiergradient G_Z2 in z-Richtung und ein Phasencodiergradient G_Y1 in y-Richtung sowie ein Dephasiergradient G_X1 in negativer x-Richtung. Durch diese Gradienten wird sowohl der Phasengang des Kernresonanzsignals der fettgebundenen Protonen (im fol­ genden als Fett-Signal bezeichnet) als auch der Phasengang des Kernresonanzsignals der wassergebundenen Protonen (im folgenden als Wasser-Signal bezeichnet) beeinflußt. Der Phasengang des Wasser-Signals ist in Fig. 4 mit ϕ2 bezeichnet.

Anschließend wird ein erster Auslesegradient G_X2 in positiver x-Richtung eingeschaltet. Dabei wird - wie in Fig. 4 sichtbar - das Fett-Signal rephasiert, d.h. es entsteht ein Signal S1 nach Fig. 3. Dieses Signal wird abgetastet und die Abtastwerte wer­ den in eine Zeile einer ersten dreidimensionalen Matrix ge­ schrieben.

Das Wasser-Signal mit dem Phasenverlauf ϕ1 ist zu diesem Zeit­ punkt, wie in Fig. 4 sichtbar, noch nicht rephasiert und lie­ fert daher keinen Signalbeitrag.

Auf den ersten Auslesegradienten G_X2 folgt ein zweiter Auslese­ gradient G_X3, der jedoch beim ersten Scan noch nicht zu einer Signalrephasierung führt. Jeder Scan wird durch Phasencodier­ gradienten G_Z3 und G_Y2 sowie durch einen Gradienten G_X4 in ne­ gativer x-Richtung abgeschlossen. Diese Gradienten sind so aus­ geführt, daß das Gradientenintegral in jeder Richtung über jeden Scan Null ergibt, so daß sich ein steady state-Zustand aufbauen kann. Der nächste Scan beginnt wieder mit einem Hoch­ frequenzimpuls RF1, der selektiv wassergebundene Protonen an­ regt, und einem Hochfrequenzimpuls RF2, der selektiv fettgebun­ dene Protonen anregt sowie einem Dephasierpuls GZ₁ zwischen den beiden Hochfrequenzimpulsen. Darauf folgen wieder die für den Scan 1 beschriebenen Gradientenpulse, wobei lediglich von Scan zu Scan die Phasencodiergradienten G_Z2 und G_Y1 schrittweise verändert werden.

Durch den Hochfrequenzimpuls RF1 im zweiten Scan wird die Phase des Wasser-Signals invertiert. Wie aus dem in Fig. 4 dargestellten Phasengang ϕ1 des Wasser-Signals deutlich wird, entsteht im zweiten und damit auch in allen nachfolgenden Scans ein Echo bezüglich des Wasser-Signals als Resultat der Repha­ sierung aufgrund des Hochfrequenzimpulses RF1 und der Gradi­ entenpulse. Ferner entsteht aufgrund des unmittelbar voraus­ gehenden Hochfrequenzimpulses RF2 und der Gradienten G_X, G_Y, G_Z wie im ersten Scan ein Echo des Fettsignals. Es ist darauf hinzuweisen, daß die in Fig. 4 dargestellten Phasengänge ϕ1 und ϕ2 sich nur auf die erste Anregung mit den Hf-Impulsen RF1 und RF2 beziehen. Jeder weiteren Anregung in jedem nach­ folgenden Scan sind entsprechende Phasenverläufe der angeregten Kernspins zuzuordnen, jedoch der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt.

Das Fett-Signal S1 beruht im wesentlichen auf der unmittelbar vorhergehenden Anregung mit dem Hf-Impuls RF2 in demselben Scan, das Wasser-Signal S2 beruht im wesentlichen auf der Anregung durch einen Hf-Impuls im vorausgehenden Scan, da die in demselben Scan durchgeführte Anregung jeweils durch den Dephasierimpuls G_Z1 dephasiert ist. Vorausgehende Scans wirken sich zwar auf die Signale S1, S2 aus, jedoch aufgrund der Relaxation der angeregten Kernspins nur abgeschwächt.

Durch entsprechende Justierung der Gradientenpulse können die beiden Signale S1 und S2, die den wassergebundenen bzw. den fettgebundenen Protonen zugeordnet sind, aufeinanderfolgend gewonnen werden.

Die beiden Signale S1 und S2 werden jeweils in getrennte Matrizen geschrieben, wobei soviele Scans mit geänderten Phasen­ codiergradienten G_Y und G_Z durchgeführt werden, daß genügend Meßwerte für eine dreidimensionale Matrix gesammelt werden. Durch eine dreidimensionale Fourier-Transformation der beiden Matrizen kann dann jeweils ein Bild der Fett- bzw. Wasserver­ teilung gewonnen werden.

Mit dem beschriebenen Verfahren ist eine schnelle Gewinnung von zwei Bildern der Verteilung unterschiedlicher chemischer Substanzen möglich. Die Trennung der zwei Protonen-Spin-Systeme ermöglicht die Verwendung eines geeigneten Flip-Winkels für jede der beiden Komponenten. Es können Bandbreiten-optimierte Sequenzen ohne Artefakte durch chemische Verschiebung verwendet werden.

Aufgrund der fehlenden räumlichen Selektivität muß das gesamte Untersuchungsvolumen angeregt werden, da sonst Überfaltungs­ effekte auftreten. Dieses Problem kann jedoch durch Verwendung von Oberflächenspulen mit begrenztem Empfindlichkeitsbereich gelöst werden.

Claims (7)

1. Pulssequenz für einen Kernspin-Tomographen mit folgenden aufeinanderfolgenden Schritten:

• a) Das Untersuchungsobjekt wird mit einem ersten Hf-Impuls (RF1) beaufschlagt, der selektiv bezüglich einer ersten Spektralkomponente des Untersuchungsobjektes ist.
• b) Ein Dephasiergradient (G_Z1) in einer ersten Richtung wird eingeschaltet.
• c) Das Untersuchungsobjekt wird mit einem zweiten Hf-Impuls (RF2) beaufschlagt, der selektiv bezüglich einer zweiten Spektralkomponente des Untersuchungsobjektes ist.
• d) Mindestens ein Phasencodiergradient (G_Z2, G_Y1) in einer ersten bzw. zweiten Richtung (z bzw. y) und ein Dephasier­ gradient (G_X1) in einer dritten Richtung (x) werden eingeschaltet.
• e) In der dritten Richtung (x) wird ein erster Auslesegradient (G_X2) in einer Richtung (x) entgegengesetzt zum Dephasier­ gradienten (G_X1) eingeschaltet und unter diesem Auslese­ gradienten (G_X2) ein erstes Signal (S1) bezüglich der zweiten Spektralkomponente ausgelesen.
• f) Unter einem zweiten Auslesegradienten (G_X3) in der dritten Richtung wird ein zweites Signal (S2) bezüglich der ersten Spektralkomponente ausgelesen.
• g) Gradienten (G_Z3, G_Y2, G_X4) zur Rephasierung der Kernspins in allen Raumrichtungen werden eingeschaltet.
• h) Die Schnitte a bis g werden mit schrittweiser Änderung jedes Phasencodiergradienten mit einer Repetitionszeit (TR), die kleiner ist als die Quer-Relaxationszeit (T2) der betrach­ teten Kernspins wiederholt, die beiden Signale (S1, S2) werden jeweils abgetastet und die Abtastwerte in je eine Rohdatenmatrix eingetragen.
• i) Durch Fourier-Transformation der in den Rohdatenmatrizen enthaltenen Daten wird je ein Bild der Kernspindichtever­ teilung bezüglich der ersten und der der zweiten Spektral­ komponente gewonnen.

2. Pulssequenz nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in Schritt d) zwei Phasenco­ diergradienten (G_Z2, G_Y1) in aufeinander senkrecht stehenden Richtungen (z, y) eingeschaltet werden.

3. Pulssequenz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spektralkompo­ nente (ω_w) diejenige von wassergebundenen Protonen und die zweite Spektralkomponente (ω_f) diejenige von fettgebundenen Protonen ist.

4. Pulssequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Auslesegradient (G_X2, G_X3) zu einem einzigen Aus­ lesegradienten zusammengefaßt werden.

5. Pulssequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der erste Hf- Impuls (RF1) aus vier Einzelimpulsen mit gleichem Abstand und der relativen Dauer 1, 3, 3, 1 besteht.

6. Pulssequenz nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der zweite Hf-Impuls (RF2) aus vier Einzelimpulsen mit gleichem Abstand und der relativen Dauer 1, 3, 3, 1 besteht, wobei der erste und der dritte Einzelimpuls gegenüber den übrigen um 180° phasenverschoben sind.

7. Pulssequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Hochfre­ quenzsignale über eine Oberflächenspule empfangen werden.