DE2833800C2 - Verfahren zur Gewinnung von Bildinformationen aus einem Untersuchungsobjekt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Bild­ informationen aus einem Untersuchungsobjekt mittels magnetischer Kernspinresonanz. Dabei ist das Untersuchungsobjekt einem sta­ tischen Magnetfeld längs einer Achse ausgesetzt und ferner einer Kombination von Gradienten zu dem Magnetfeld und von Hochfre­ quenzimpulsen.

Die Erfindung macht sich Techniken zunutze, die auf der selek­ tiven Erregung von Teilen eines Untersuchungsobjekts beruhen.

Bei der selektiven Erregung werden drei Arten von Magnetfeldern in verschiedenen Kombinationen angewandt. Diese Felder sind:

• 1. Ein statisches gleichförmiges Magnetfeld, das kontinu­ ierlich längs einer Achse aufrechterhalten wird, bei der es sich im allgemeinen um die Z-Achse handelt.
• 2. Ein Satz von drei orthogonalen Magnetfeldgradienten, die das gleichförmige Magnetfeld modifizieren. Die Gradienten bewir­ ken eine Änderung des Magnetfeldes längs einer oder mehrerer der X-, Y- oder Z-Achsen.
• 3. Ein hochfrequentes Magnetfeld, das im allgemeinen in der X-Y-Ebene ausgerichtet ist. Dieses Feld wird als ein kurzer Impuls angelegt und bewirkt, daß die unter Beobachtung stehenden Atom­ kerne ihre Orientierung in einer gesteuerten Weise ändern. In seiner einfachsten Ausführungsform wird dieses Magnetfeld mit­ tels einer Drahtspule angelegt, die dicht um das Objekt ge­ wickelt ist und als Hochfrequenzspule bekannt ist.
  Die von dem Untersuchungsobjekt ausgesandten Signale beinhalten nukleare Induktionssignale oder freie Präzessionssignale, und diese sind ein Ergebnis der durch den Hochfrequenzimpuls gestörten Atom­ kerne. Diese Signale können durch die gleiche Spule, die den Hochfrequenzimpuls anlegt oder durch eine ähnliche Spule gemes­ sen werden.

Es werden zwei Arten von Hochfrequenzimpulsen verwendet, die als 90°-Impuls und als 180°-Impuls bekannt sind. Ein 90°-Impuls dreht die Kernspins um 90° und läßt diese in einem Zustand der maximalen Präzession um die Z-Achse, so daß sie in der X-Y-Ebene ausgerichtet sind. Ein 180°-Impuls besitzt die doppelte Größe des 90°-Impulses und dreht die Kernspins um 180° oder kehrt diese um, so daß alle betroffenen Kerne in die entgegenge­ setzte Richtung weisen.

Falls ein einzelner Magnetfeldgradient zusammen mit einem rela­ tiv schwachen Hochfrequenzimpuls langer Dauer, der ein enges Spektrum besitzt, angelegt wird, werden nur die Kerne erregt, deren natürliche Resonanzfrequenz innerhalb dieses Spektrums liegt, das bedeutet mit anderen Worten, die Kerne in einer Lage, in der das Magnetfeld im wesentlichen gleich dem statischen Feld ist. Falls ein Magnetfeldgradient G_x angelegt wird, dann werden nur die Kerne, die in oder nahe einer bestimmten Y-Z-Ebene lie­ gen, erregt.

Es ist bereits ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zur Ge­ winnung von Bildinformationen aus einem Untersuchungsobjekt mit­ tels magnetischer Kernspinresonanz bekannt (DE 25 40 436 A1), bei dem das Untersuchungsobjekt einem statischen Magnetfeld längs einer Achse und einem frequenzselektiven 90°-Hochfrequenz­ impuls in Anwesenheit eines ersten Gradienten, der an das Mag­ netfeld angelegt wird, ausgesetzt ist, um eine Kernspinresonanz nur in einem Teil des Gegenstandes zu erregen und um anschlie­ ßend das resultierende freie Induktionszerfallsignal in Anwesen­ heit eines zweiten Gradienten auszulesen, der an das Magnetfeld angelegt wird und zumindest eine Komponentenrichtung senkrecht zur Richtung des ersten Gradienten aufweist. Bei diesem bekann­ ten Verfahren wird eine Schicht in einem Untersuchungsobjekt ausgewählt, in dem selektive 90°-Impulse bei Vorhandensein eines ersten Magnetfeldgradienten zugeführt werden. Es folgt dann das Umschalten des Magnetfeldgradienten in eine orthogonale Rich­ tung, um das freie Induktionssignal auszulesen. Entsprechend der Frequenz ergibt sich eine räumliche Unterscheidung entlang der Richtung des Auslesegradienten.

Die Entgegenhaltung enthält jedoch nicht eine Umkehr des ur­ sprünglichen Magnetfeldgradienten, um das Signal in der Phase wieder rückzustellen und es ist auch nicht die Erzeugung eines Gradientenechos vorgesehen.

Es ist andererseits ein Verfahren zur Gewinnung einer Bildinformation aus Kernspinresonanzsignalen bekannt (DE 27 16 492 A1), wobei eine oder mehrere Ebenen in einem Gegenstand durch das Anlegen eines vorbereitenden frequenzselektiven Hochfrequenzimpulses in Anwesenheit eines Magnetfeldgradienten ausgewählt werden. In den ausgewählten Ebenen werden dann durch das Anlegen eines zweiten vorbereitenden frequenzselektiven Hochfrequenzimpulses in Anwesenheit eines orthogonalen Magnetfeldgradienten eine Anzahl von Linien ausgewählt, und zuletzt wird das Kernspinresonanzsignal in Anwesenheit einer Kombination der Magnetfeldgradienten ausgelesen, deren Vektorsumme derart ist, daß jeder Punkt in den ausgewählten Linien einem Magnetfeld ausgesetzt ist, das in diesem Punkt eindeutig definiert ist. Die vorgenommene Gradientenumkehr führt zu den Spinechosignalen.

Es ist ferner bereits ein Verfahren bekannt, bei dem das System durch einen 180°-Hochfrequenzimpuls zunächst angestoßen wird. Die Wiederherstellung der räumlichen Verteilung der Signalamplitude wird anhand des Ansprechens auf einen zusätzlichen 90°-Hochfrequenzimpuls gemessen, dem die gleiche Sequenz von gepulsten Feldgradienten wie beim Anstoßen des Systems folgt. Der anfängliche 180°-Hochfrequenzimpuls kehrt die gesamte Magnetisierung um, und zwischen den Impulsen wird ein Zeitintervall T eingehalten, um eine Relaxation der Orientierung des Kernspins zu ermöglichen. Der anfängliche 180°-Hochfrequenzimpuls und der nachfolgende 90°-Hochfrequenzimpuls, der nach einem Zeitintervall T folgt, sind beide nicht selektiv, das heißt, daß während der Zuführung dieser Impulse keine Magnetfeldgradienten angelegt werden. Es werden daher alle Teile des Untersuchungsobjekts gleichmäßig und ohne Unterschied erfaßt. Die Entgegenhaltung gibt somit keinen Hinweis darauf, einen vorbereitenden frequenzselektiven Hochfrequenzimpuls zu verwenden. Bei der selektiven Erregung wird ein frequenzselektiver Hochfrequenzimpuls bei Vorhandensein eines Magnetgradientenfeldes zugeführt und es wird nur ein Teil, gewöhnlich eine Scheibe des Untersuchungsobjekts beeinflußt.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das zusätzlich zu den Spindichtedaten Informationen über die longitudinale Relaxationszeit T₁ liefert.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß des Anspruchs 1 gelöst.

Dabei wird in einem dritten Schritt S0 der 180°-Impuls weggelassen, so daß ein drittes Echosignal gemessen werden kann und es werden die Differenzen der Signale S0-S1 und S0-S2 gebildet.

Weiterbildungen sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die schematisch eine Impulssequenz zeigt.

In der Zeichnung ist die Zeitachse der Impulsfolge in sechs aufeinanderfolgende Intervalle unterteilt, die sich zyklisch wiederholen. Die Bilder, die in jedem dieser Intervalle angelegt werden, sind folgende:

Intervall 1. Ein schwacher 180°-Hochfrequenzimpuls wird gleichzeitig mit einem Magnetfeldgradienten G_x angelegt. Da­ durch werden selektiv die nuklearen Spins in und nahe der Ebene X-X0 umgekehrt. Der Wert von X0 kann durch eine Ände­ rung in der Frequenz des 180°-Impulses variiert werden.

Intervall 2. Es wird ermöglicht, daß sich das Nuklear-Spin­ system durch eine Spin-Gitterrelaxation für eine vorgegebene Zeit T entspannt, keine weiteren Felder als das Feld H0 wer­ den während dieses Intervalls angelegt.

Intervall 3. Ein schwacher 90°-Hochfrequenzimpuls wird gleichzeitig mit einem Magnetfeldgradienten G_y⁺ angelegt. Da­ durch werden selektiv die Nuklearspins in und nahe der Ebene Y = 0 angeregt.

Intervall 4. Ein negativer Magnetfeldgradient G_y⁻ wird ange­ legt, um die Nuklearspins längs der Y-Richtung phasenmäßig rückzustellen. Gleichzeitig wird ein negativer Magnetfeld­ gradient G_z⁻ angelegt, um die Nuklearspins längs der Z-Rich­ tung außer Phase zu bringen.

Intervall 5. Ein schmaler, positiver Magnetfeldgradient G_z⁺ wird während dieses etwas längerem Intervall angelegt, das als Beobachtungsintervall bezeichnet wird. Während dieses In­ tervalls werden die Nuklearspins phasenmäßig rückgestellt, um ein Spinecho zu bilden, wenn das freie Induktionssignal ein Maximum aufweist und anschließend außer Phase gebracht. G_z⁺ ist während dieses Intervalls konstant, wobei in dieser Zeit das nukleare freie Induktionssignal gesammelt wird.

Intervall 6. Hierbei handelt es sich um die System-Rückkehr­ zeit bis zum Auftreten des Intervalls 1 der nächsten Sequenz. Dieses Intervall sollte im Vergleich mit der Spin-Gitterre­ laxationszeit T1 lang sein und liegt in der Größenordnung von einer Sekunde.

Die Dicke der ausgewählten Ebene in jedem der In­ tervalle (1) und (3) wird durch das Verhältnis des Hochfre­ quenzfeldes zu dem Feldgradienten G_x oder G_y bestimmt.

Drei getrennte freie Induktionssignale S0, S1 und S2 werden unter Verwendung dieser Impulsfolge für jeden Wert der geänderten Hochfrequenz im Intervall (1) erhalten. Diese sind:

S1: Das Relaxationsintervall (2) ist sehr eng, nahezu Null, jedoch in der Praxis begrenzt, um sicherzustellen, daß G_x Null ist, bevor der 90°-Impuls im Intervall (3) beginnt.

S2: Das Relaxationsintervall (2) ist vergleichbar mit der Spin-Gitterrelaxationszeit, die gemessen wird. Das bedeutet, T = T1, das einige hundert Millisekunden beträgt.

S0: Der 180°-Impuls und der G_x-Impuls des Intervalls (1) sind weggelassen, der Rest der Sequenz ist jedoch identisch.

Aus diesen Signalen werden zwei Differenzsignale erhalten:

S_a = S0-S1; S_b = S0-S2.

S_a enthält wesentliche Daten der Nuklearspindichte und S_b enthält wesentliche Daten in bezug auf die Spin-Git­ terrelaxationszeit. Jedes der Signale bezieht sich auf die Kerne in einem dünnen Zylinder, dessen Achse in Z-Richtung verläuft und der durch den Schnitt der beiden Ebenen X = X0 und Y = 0 definiert ist. Linienabbildungen längs Z werden durch die Fourier Transformation von S_a und S_b erhalten und ein zweidimensionales tomographisches Bild (Schichtbild) wird in der X-Z-Ebene Linie um Linie durch Wiederholung dieser Gruppe von drei Impulsfolgen für aufeinanderfolgende Abschnit­ te von X0 aufgebaut, was erreicht wird durch Änderung der Hochfrequenz, die für den 180°-Impuls im Intervall (1) ver­ wendet wird.

Die Einhüllende der Hochfrequenzimpulse kann zuge­ schnitten sein, um ein günstigeres Spektralprofil zu erzeugen als dies der Fall mit rechtecksförmigen Hüllimpulsen wäre. Es ist dadurch möglich, die Anzahl der Seitenbänder in den Hochfrequenzimpulsen zu reduzieren. Die einzige Beschränkung in bezug auf die Breite des Hochfrequenzimpulses besteht da­ rin, daß dieser zur Gänze innerhalb des Intervalls (1) oder (3), das ihm zugeteilt ist, enthalten sein muß. Es ist des weiteren nicht notwendig für die Impulse, die die Magnetgra­ dienten erzeugen, daß sie scharf ansteigende oder abfallende Kanten besitzen.

Der G_x-Gradient sollte im wesentlichen konstant für die Dauer des 180°-Hochfrequenzimpulses im Intervall (1) sein. Dies ist wichtig, wenn eine Linienauswahl durch Änderung der Frequenz des 180°-Impulses in den aufeinanderfolgenden Impul­ sen erhalten wird. Eine Überlappung des G_x-Gradienten in die Intervalle zu jeder Seite des Intervalls (1), das sind die In­ tervalle (2) und (6), ist nicht wichtig, jedoch muß eine Überlap­ pung in das Intervall (3) vermieden werden.

Während des Intervalls (3) muß der G_y-Gradient nicht konstant sein, jedoch wird die Linienauswahl verbessert, wenn G_y während des 90°-Hochfrequenzimpulses konstant gehalten wird.

Während die Größen der Gradienten während des Inter­ valls (4) willkürlich sind, sind ihre Zeitintegrale über die­ ses Intervall wichtig. Das Zeitintegral des G_y-Gradienten be­ stimmt den optimalen Betrag der Phasenrückkehr längs der Y-Richtung, während das zweite Integral des G_z-Gradienten die Zeit des Signalechos im Intervall (5) festlegt. Des weiteren müssen während des Intervalls (5) die G_x- und G_y-Gradienten Null und der G_z-Gradient konstant sein, da anderen­ falls die Fourier-Transformierten von S_a und S_b keine Linien­ abbildungen ergeben. Während des Ruheintervalls (6) sind die Werte aller Magnetfeldgradienten und ebenso des statischen Magnetfeldes H0 unwichtig, und dieses Intervall kann im all­ gemeinen dazu benutzt werden, um geringfügige Korrekturen des Wertes H0 vorzunehmen.

Während bei dem zuvor beschriebenen Beispiel die Anstiege der entsprechenden Gradienten, die in den Interval­ len (3) und (4) angelegt werden, den Y- und -Y-Rich­ tungen entsprechen und der Anstieg des im Intervall 4 zusätz­ lich angelegten Gradienten in die -Z-Richtung verläuft, kön­ nen diese Gradienten auch dazu unterschiedliche Richtungen besitzen, falls dies erwünscht ist, vorausgesetzt, daß die orthogonalen Beziehungen zueinander und das statische Magnet­ feld aufrecht erhalten bleiben. So ist es beispielsweise mög­ lich, daß mit den gleichen Y- und -Y-Richtungen, die in den Intervallen (3) und (4) bestehen, der zusätzliche Gradient im Intervall (5) in die -X-Richtung weist, die umgekehrt zu der +X-Richtung im Intervall (6) verläuft. Welche Richtungen auch immer in den Intervallen (3) und (4) gewählt werden, es ist für den vorbereitenden Schritt im Intervall (1) selbstver­ ständlich, daß dieser das Anlegen eines Gradienten in die dritte Orthogonalrichtung zu der anfänglichen ebenen Auswahl mit einschließen muß.

Claims (3)

1. Verfahren zur Gewinnung von Bildinformationen aus einem Untersuchungsobjekt mittels magnetischer Kernspinresonanz, bei welchem in einem ersten Schritt S1 in Anwesenheit eines ersten Gradienten Gx ein 180°-Impuls an das Objekt angelegt wird und unmittelbar nach Abschalten des Gradienten Gx in Anwesenheit eines zweiten Gradienten Gy⁺ ein 90°-Impuls eingestrahlt wird, worauf ein rephasierender Gradient Gy⁻ und ein dephasierender Gradient Gz⁻ ein Echosignal erzeugen, das in Anwesenheit eines dritten Gradienten Gz⁺ ausgelesen wird, bei welchem ferner in einem zweiten Schritt S2 die Abfolge der Anregungsimpulse und Gradientenfelder (Gx, Gy⁺, Gy⁻, Gz⁺, Gz⁻) beibehalten, jedoch eine Wartezeit T zwischen dem 180°-Impuls und dem 90°-Impuls eingehalten wird, die etwa gleich der longitudinalen Relaxationszeit T₁ ist, so daß ein weiteres Echosignal gemessen werden kann, bei welchem ferner in einem dritten Schritt S0 der 180°-Impuls weggelassen wird, so daß ein drittes Echosignal gemessen werden kann, und bei welchem schließlich die Differenzen der Signale S0-S1 und S0-S2 gebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte mit verschiedenen Frequenzwerten des frequenzselektiven 180°-Hochfrequenzimpulses wiederholt werden, um unterschiedliche Linien auszuwählen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der umgekehrte erste Magnetfeldgradient (Gy⁻) und der umgekehrte zweite Magnetfeldgradient (G_z⁻) gleichzeitig angelegt werden.