DE4437443A1 - Kernspintomographiegerät mit dynamisch lokalisierter Shimmung des Grundmagnetfeldes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernspintomographiegerät mit einem Grundfeldmagneten und darin eingebauten Shim-Spulen, bei dem die Shim-Spulen so mit Shim-Strömen angesteuert werden, daß in einer Schicht eines Untersuchungsvolumens, die kleiner als dieses Untersuchungsvolumen ist, ein homogenes Magnetfeld eingestellt wird. Für die Qualität der Bildgebung bei Kern­ spintomographiegeräten ist die Magnetfeldhomogenität ein ent­ scheidender Faktor. Abweichungen von der Homogenität führen beispielsweise zu räumlichen Verzerrungen.

Pulssequenzen zum Anregen und Auslesen von Kernspins sind in unterschiedlichem Grad gegen Magnetfeld-Inhomogenitäten emp­ findlich. Beispielsweise können mit reinen Spinecho-Verfahren relativ große Magnetfeld-Inhomogenitäten toleriert werden. Bei Verfahren, die auf Gradientenechos beruhen, werden dage­ gen an die Homogenität höhere Anforderungen gestellt. Beson­ ders hohe Anforderungen gelten zum Beispiel für Echo Planar Imaging (EPI), bei dem durch mehrfaches Umschalten eines Gra­ dienten nach einer Anregung innerhalb kurzer Zeit eine Viel­ zahl von Kernresonanzsignalen gewonnen wird oder bei Turbo­ gradientenspinecho, wo auf eine Anregung mehrere 180°-Pulse folgen, zwischen denen ein Auslesegradient mit alternierender Polarität geschaltet wird. Extrem hohe Anforderungen an die Grundfeldhomogenität im Untersuchungsbereich werden schließ­ lich bei funktioneller Bildgebung und lokalisierter Spektro­ skopie gestellt, um die spektrale Verschiebung hinreichend auflösen zu können.

Während es bei geringeren Anforderungen an die Magnetfeld- Homogenität ausreicht, den Grundfeldmagneten einmal zu shim­ men, muß bei höheren Anforderungen eine Shimmung in Abhän­ gigkeit vom jeweiligen Meßobjekt erfolgen. Ein geeignetes Verfahren ist beispielsweise in der US-PS 5,345,178 beschrie­ ben. Dabei werden vor jeder Bilddatenmessung im Untersu­ chungsbereich Kernresonanzsignale angeregt und ausgelesen. Zur Shimmung sind spezielle Shim-Spulen vorgesehen, wobei der Shim-Strom für diese Shim-Spulen durch Auswertung der genann­ ten Kernresonanzsignale ermittelt wird.

Generell gilt, daß die Homogenität für eine bestimmte Region umso besser eingestellt werden kann, je kleiner diese Region ist. Als Maß für die Homogenität kann z. B. die Halbwertsbrei­ te einer MR-Resonanzlinie dienen. Die MR-Resonanzlinie ist umso schmäler, je homogener das Magnetfeld ist.

Üblicherweise wird zur Einstellung der Homogenität das gesam­ te Kernresonanzsignal benutzt, das nach einer nicht lokali­ sierten Anregung von der Antenne eines Kernresonanzgeräts empfangen wird. Mit dieser "globalen" Shimmung erreicht man bei Kopfanwendungen mit einer speziellen Kopfantenne Linien­ breiten des MR-Signals von etwa 15 bis 25 Hz. Dabei kann innerhalb des Kopfes die Homogenität noch stark variieren.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 35 40 086 ist es jedoch bekannt, daß die Homogenität lokal noch weiter verbessert werden kann, wenn zur Einstellung der Homogenität nur das Signal aus der Region (Schicht- oder Volumenteil) benutzt wird, in der später auch die eigentliche Messung stattfindet. Hier wird also das Magnetfeld nur lokal geshimmt. Wenn man z. B. nur ein 10×10×1 cm großes Volumenelement im Kopf shimmt, so erreicht man Linienbreiten von etwa 8 Hz. Dieses bekannte Verfahren ist aber auf ein Volumenelement bzw. eine Schicht beschränkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kernspintomographiegerät so auszuführen, daß auch bei einer Messung in einem größeren Be­ reich eine verbesserte Homogenität erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

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

Dabei zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für Shim-Spulen zusammen mit x- bzw. y-Gradienten,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für weitere Shim- Spulen zusammen mit einer z-Gradientenspule,

Fig. 3 bis 8 eine Pulssequenz, wie sie als Bildgebungs­ sequenz für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ist,

Fig. 9 ein Flußdiagramm für die Multischichttech­ nik.

Bekanntlich erfolgt eine Ortsauflösung der Kernspinresonanz­ signale in der Kernspintomographie dadurch, daß einem homo­ genen statischen Magnetfeld lineare Magnetfeldgradienten überlagert werden. Zur Ortsauflösung in drei Dimensionen müssen Magnetfeldgradienten in drei, vorzugsweise senkrecht aufeinander stehenden Richtungen erzeugt werden. In den Fig. 1 und 2 ist jeweils ein Koordinatenkreuz x, y, z eingezeichnet, das die Richtung der jeweiligen Gradienten darstellen soll. Fig. 1 zeigt schematisch eine herkömmliche Anordnung von Gradientenspulen für die Erzeugung eines Mag­ netfeldgradienten Gy in y-Richtung. Die Gradientenspulen 2 sind als Sattelspulen ausgeführt, die auf einem Tragrohr 1 befestigt sind. Durch die Leiterabschnitte 2a wird innerhalb eines kugelförmigen Untersuchungsvolumens 11 ein weitgehend konstanter Magnetfeldgradient Gy in y-Richtung erzeugt. Die Gradientenspulen für den x-Magnetfeldgradienten sind iden­ tisch zu den Gradientenspulen 2 für den y-Magnetfeldgradien­ ten aufgebaut und lediglich auf dem Tragrohr 1 um 90° in azimutaler Richtung verdreht. Der Übersichtlichkeit wegen sind sie daher in Fig. 1 nicht dargestellt.

In Fig. 1 sind ferner Shim-Spulen 4 bis 6 dargestellt, die ebenfalls als Sattelspulen ausgeführt sind. Die Shim-Spulen 4 bis 6 sind lediglich schematisch angedeutet, Ausführungen über das Design von Shim-Spulen finden sich beispielsweise im US-Patent 3,569,823. Jeder Shim-Spule 4 bis 6 ist jeweils eine Stromversorgung SH1 bis SH3 zugeordnet, die die jewei­ lige Shim-Spule 4 bis 6 mit Strömen I4 bis I6 versorgt. Die Ströme I4 bis I6 sind über eine Recheneinheit C steuerbar.

Die Gradientenspulen 3 für den Magnetfeldgradienten in z- Richtung sind in Fig. 2 schematisch dargestellt. Die Spulen sind ringförmig ausgeführt und symmetrisch zum Mittelpunkt des Untersuchungsvolumens 11 angeordnet. Da die beiden Ein­ zelspulen 3a und 3b in der in Fig. 2 dargestellten Weise in entgegengesetzter Richtung stromdurchflossen sind, verursa­ chen sie einen Magnetfeldgradienten in z-Richtung. Ferner sind in Fig. 2 - wiederum schematisch - weitere, in diesem Fall ringförmige, Shim-Spulen 7 bis 9 dargestellt, die eben­ falls über Stromversorgungen SH4 bis SH6 mit Strömen I4 bis I6 beaufschlagt werden. Die Ströme I4 bis I6 sind wieder durch die Recheneinheit C steuerbar.

In den Fig. 1 und 2 ist ferner die Stromversorgung V für die Gradientenspulen 2 bzw. 3 dargestellt. Der Strom I durch die jeweilige Gradientenspule 2 bzw. 3 wird durch einen eine Meßsequenz vorgebenden Pulsgenerator P bestimmt. Durch einen Geber O, dessen Ausgangssignal zum Ausgangssignal des Pulsge­ nerators addiert wird, kann ferner ein Gradienten-Offsetstrom zusätzlich zu dem von der Pulssteuerschaltung P vorgegebenen Strom bestimmt werden.

Durch Aufschaltung von Gradienten-Offsetströmen können linea­ re Terme der Nichtlinearität des Grundmagnetfeldes eliminiert werden. Durch die zusätzlichen Shim-Spulen 4 bis 9 können auch Störterme höherer Ordnung beseitigt werden, so daß die Homogenität weiter verbessert werden kann. Ein Verfahren zur Bestimmung von Inhomogenitäten und zur Berechnung der notwen­ digen Gradienten-Offsetströme bzw. Shim-Ströme ist in der be­ reits eingangs genannten US-Patentschrift 5,345,178 näher er­ läutert. Dort wird allerdings ein globales Shim-Verfahren be­ schrieben, bei dem die Homogenität im gesamten kugelförmigen Untersuchungsvolumen 11 optimiert werden soll. Für die Opti­ mierung wird zunächst das Untersuchungsobjekt in den Untersu­ chungsraum eingebracht, dann durch verschiedene Pulssequenzen die vorhandene Inhomogenität gemessen und daraus die notwen­ digen Shim-Ströme einschließlich der Offset-Ströme für Gra­ dienten bestimmt. Die so bestimmten Ströme werden dann wäh­ rend der gesamten Messung des Untersuchungsobjekts einge­ schaltet.

Bei Untersuchungen werden meist mehrere aneinander anschlie­ ßende Schichten des Untersuchungsobjekts zeitlich getrennt angeregt. Dabei bleiben bei der "globalen" Shimmung die Shim- Ströme auf einen konstanten Wert eingestellt.

Bei Messung mehrerer Schichten kann die gesamte Meßzeit da­ durch erheblich verkürzt werden, daß man während der Repeti­ tionszeit der Messung in einer Schicht mindestens eine wei­ tere Schicht anregt und mißt. Dabei wird folgende Tatsache ausgenutzt: Nach Anregung der Kernspins in einer Schicht und Auslesen der Kernresonanzsignale muß abgewartet werden, bis die Kernspins sich wieder in ihrer durch das Grundmagnetfeld vorgegebenen Ruhelage befinden, bevor die nächste Messung mit denselben Kernspins erfolgen kann. Die Zeit zwischen zwei Meßvorgängen wird dabei als Repetitionszeit bezeichnet. Nun kann man allerdings die Kernspins in einer weiteren Schicht anregen, während man die Relaxation der Kernspins in der ersten Schicht abwartet, d. h. mit der Messung einer zweiten und eventuell weiteren Schichten kann während der Repeti­ tionszeit der Messung in der ersten Schicht begonnen werden. Dies wird als Mehrschichtverfahren bezeichnet. In Fig. 3 ist ein solches Mehrschichtverfahren für vier Schichten schema­ tisch dargestellt. Dabei werden in jeder Schicht S1 bis S4 Messungen M1 bis Mx mit einer Repetitionszeit TR durchge­ führt, wobei sich die Messungen für vier Schichten innerhalb der Repetitionszeit überlappen. Mit einem derartigen Multi­ schichtverfahren kann man also beispielsweise vier Schichten in etwa der Zeit messen, die sonst für die Messung einer Schicht erforderlich wäre.

Für die Messungen selbst sind eine Reihe von Pulssequenzen bekannt. Lediglich beispielhaft sei hier das Echo Planar (EPI)-Verfahren genannt, das auf Magnetfeld-Inhomogenitäten besonders empfindlich ist und für das somit das hier be­ schriebene Verfahren zur Verbesserung der Homogenitätsbedin­ gungen des Grundmagnetfelds besondere Vorteile bringt. Ein derartiges Meßverfahren ist in den Fig. 4 bis 8 schema­ tisch dargestellt, eine detaillierte Erläuterung findet sich beispielsweise in der europäischen Patentschrift 0 076 054. Beim EPI-Verfahren wird zunächst unter einem Schichtselek­ tionsgradienten SS nach Fig. 5 ein Hochfrequenzpuls RF nach Fig. 4 eingestrahlt. Die durch den Schichtselektionsgra­ dienten SS verursachte Dephasierung wird anschließend durch einen negativen Pulsteil rephasiert. Durch mehrfache Inver­ sion eines Auslesegradienten RO gemäß Fig. 6 werden die Kernspins jedes Mal rephasiert, so daß Kernresonanzsignale SI entsprechend Fig. 8 entstehen. Während der Auslesephase ist gleichzeitig ein Phasencodiergradient PC gemäß Fig. 7 einge­ schaltet, durch den die ausgelesenen Kernresonanzsignale un­ terschiedlich phasencodiert werden.

Bevor eine neue Anregung erfolgt, muß bei diesem Verfahren, wie oben erwähnt, eine Zeitspanne abgewartet werden, in der Kernspins relaxieren können. Der Abstand zwischen zwei Anre­ gungen wird als Repetitionszeit TR bezeichnet. Die Messungen für mehrere Schichten können entsprechend Fig. 3 ineinander verschachtelt werden.

Die erfinderische Idee besteht nun darin, daß beim Wechsel von Schicht zu Schicht die Shimmung nicht konstant bleibt, sondern dynamisch für jede Schicht eingestellt wird. Dies ist schematisch in einem Flußdiagramm nach Fig. 9 dargestellt. Zunächst werden für jede Schicht einzeln die optimalen Shim- bzw. Offsetströme für die Gradientenströme ermittelt. Dies kann z. B. nach dem in der US-PS 5,345,178 beschriebenen Ver­ fahren erfolgen. Die für die einzelnen Schichten optimalen Shim-Ströme/Offsetströme werden gespeichert. Bevor nun die Messungen in den einzelnen Schichten S1 bis S4 ablaufen, wer­ den jeweils die optimalen Shim-Ströme/Offsetströme dynamisch eingestellt. Bei einfacheren Anforderungen müssen nur die linearen Inhomogenitätsterme korrigiert werden. Dann reicht es, wenn man die jeweils zur Schicht S1 bis S4 passenden Gra­ dienten-Offsetströme den sowieso dynamisch geschalteten Gra­ dienten überlagert. Bei höheren Anforderungen werden zusätz­ lich dynamisch von Schicht zu Schicht die optimalen Shim- Ströme für die Shim-Spulen eingestellt.

Mit dem beschriebenen Verfahren können innerhalb der jeweils gemessenen Schicht bei vorhandener Grundfeld-Inhomogenität wesentlich bessere Homogenitätswerte erreicht werden. Dies ist insbesondere deshalb interessant, weil einerseits neue Techniken, wie z. B. Echo Planar Imaging, Turbo-Gradienten­ spinecho und Chemical Shift Imaging eine besonders hohe Homo­ genität erfordern, aber andererseits hohe Anforderungen an globale Homogenitätswerte nachteilig sind. Diese hohen Anfor­ derungen lassen sich nämlich nur mit relativ langen Magneten verwirklichen, die aber teuer und wegen Klaustrophobie-Er­ scheinungen für Patienten unangenehm sind.

Claims (4)

1. Kernspintomographiegerät mit einem Grundfeldmagneten und darin eingebauten Shim-Spulen (4 bis 9), wobei die Shim-Spu­ len (4 bis 9) so mit Shim-Strömen (I4 bis I12) angesteuert werden, daß in einer Schicht (S1 bis S4) eines Untersuchungs­ volumens (11), die kleiner als dieses Untersuchungsvolumen (11) ist, ein homogenes Magnetfeld eingestellt wird, da­ durch gekennzeichnet, daß innerhalb der Repetitionszeit (TR) für eine Pulssequenz zur Anregung und zum Auslesen einer Schicht (S1 bis S4) mindestens eine weitere Schicht angeregt wird und daß die Ansteuerung der Shim-Spulen (4 bis 9) in Abhängigkeit von der jeweils ange­ regten Schicht (S1 bis S4) erfolgt.

2. Kernspintomographiegerät nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß für Gruppen benachbarter Schichten (S1 bis S4) die Shim-Ströme (I4 bis I9) gemeinsam bestimmt werden.

3. Kernspintomographiegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzustellenden Shim-Ströme (I4 bis I9) für jede Schicht (S1 bis S4) bzw. Schichtgruppe vor der Gewinnung von Bilddaten gemessen und abgespeichert werden.

4. Kernspintomographiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Gradientenspulen (2, 3) durch Aufschaltung von Offsetströmen als Shim-Spulen verwendet werden und daß die Offsetströme entsprechend der angeregten Schicht der angeregten Gruppe von Schichten geschaltet wird.