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DE102008021736B3 - Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Verteilung von Magnetresonanzsignalen beim Einsatz von lokalen ortskodierenden Magnetfeldern - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Verteilung von Magnetresonanzsignalen beim Einsatz von lokalen ortskodierenden Magnetfeldern Download PDF

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DE102008021736B3
DE102008021736B3 DE102008021736A DE102008021736A DE102008021736B3 DE 102008021736 B3 DE102008021736 B3 DE 102008021736B3 DE 102008021736 A DE102008021736 A DE 102008021736A DE 102008021736 A DE102008021736 A DE 102008021736A DE 102008021736 B3 DE102008021736 B3 DE 102008021736B3
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Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Verteilung von Magnetresonanz(MR)signalen aus einem Abbildungsgebiet innerhalb von MSEM-Regionen eines lokalen Gradientensystems, wobei in einem Vorbereitungsschritt ein Ortskodierschema festgelegt wird; in einem Ausführungsschritt wiederholt Kernspins mit HF-Pulsen angeregt, danach gemäß dem Ortskodierschema ortskodiert werden, dabei in mindestens einer Dimension mittels des lokalen Gradientensystems, und MR-Signale aufgenommen werden; aus denen deren räumliche Verteilung berechnet, dargestellt und/oder gespeichert werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass im Vorbereitungsschritt ein Phasenkodierschema mit I Phasenkodierschritten festgelegt wird, für jeden Phasenkodierschritt gemäß Phasenkodierschema ein Anregungsmuster der transversalen Magnetisierung definiert wird und zu dessen Realisierung einzustrahlende HF-Pulse berechnet werden, wobei an allen Orten des Abbildungsgebiets innerhalb einer MSEM-Region dieselbe Phase vorgegeben wird, und im Ausführungsschritt jeder Kodierschritt gemäß Ortskodierschema I mal gemäß Phasenkodierschema wiederholt wird, wobei eine Selektion des Abbildungsgebietes, eine Amplitudenmodulation und eine Phasenkodierung während der Anregung der Kernspins mit den berechneten HF-Pulsen erfolgen. Hierdurch wird beim Einsatz von lokalen Gradientensystemen eine eindeutige Bestimmung der räumlichen Verteilung der Magnetresonanzsignale mit einer einfachen HF-Empfangsanordnung realisiert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Verteilung von Magnetresonanzsignalen aus einem vorgegebenen Abbildungsgebiet, welches von N MSEM-Regionen (MSEM = monotonic spatially encoding magnetic field = monotones räumlich kodierendes Magnetfeld) innerhalb eines Untersuchungsvolumens einer Magnetresonanzapparatur vollkommen überdeckt wird, mit N ≥ 1, wobei in einem Vorbereitungsschritt ein Ortskodierschema P mit M Kodierschritten, M ≥ 1, zur Ortskodierung in L räumlichen Dimensionen innerhalb des Abbildungsgebietes festgelegt wird; wobei in einem Ausführungsschritt bei jedem Kodierschritt des Ortskodierschemas P Kernseins innerhalb des Untersuchungsvolumens durch mindestens einen HF-Puls mittels einer HF-Sendeantenneneinrichtung mit mindestens einem Sendeelement angeregt werden, nach dieser HF-Anregung eine Ortskodierung nach dem Ortskodierschema P mittels zeitlich und räumlich veränderlicher Zusatzmagnetfelder eines globalen und/oder lokalen Gradientensystems erfolgt, wobei die Ortskodierung in mindestens einer räumlichen Dimension mittels des lokalen Gradientensystems erfolgt und jeweils innerhalb jeder der N zueinander disjunkten MSEM-Regionen, nicht jedoch für mehrere MSEM-Regionen und nicht im gesamten Untersuchungsvo lumen eindeutig ist, und wobei die durch das globale Gradientensystem erfolgte Ortskodierung bzgl. jeder der damit abzubildenden Dimension im gesamten Untersuchungsvolumen eindeutig ist, und von den angeregten Kernseins hervorgerufene Magnetresonanzsignale mittels einer HF-Empfangsantenneneinrichtung mit mindestens einem Empfangselement aufgenommen werden; wobei in einem Rekonstruktionsschritt aus den in allen Kodierschritten gemäß Ortskodierschema P aufgenommenen Magnetresonanzsignalen eine oder mehrere räumliche Verteilungen der Magnetresonanzsignale oder daraus abgeleiteter Größen berechnet werden, und wobei in einem Darstellungsschritt die Ergebnisse der Rekonstruktion und/oder eine oder mehrere daraus abgeleitete Größen gespeichert und/oder dargestellt werden.
  • Solche Verfahren sind aus [1], [2], und [3] bekannt. Bei diesen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erfolgt die für das gesamte Abbildungsgebiet in allen abzubildenden Dimensionen eindeutige Bestimmung der räumlichen Verteilung der Magnetresonanzsignale mittels einer HF-Empfangseinrichtung mit mindestens N Elementen, wobei N die Anzahl der Regionen mit lokal eindeutig ortskodierenden Zusatzmagnetfeldern ist und jedes Empfangselement unterschiedliche Sensitivitäten für Magnetresonanzsignale aus verschiedenen Regionen aufweist. Gemäß [1] und [2] wird für jede dieser Regionen ein HF-Empfangselement eingesetzt, dessen Empfangssensitivität sich räumlich auf diese Region fokussiert.
  • Die Magnetresonanzbildgebung (MRI: Magnetic Resonance Imaging), auch als Magnetresonanztomographie (MRT) bezeichnet, sowie die ortsaufgelöste Magnetresonanzspektroskopie (MRS: Magnetic Resonance Spectroscopy), auch als Spectroscopic Imaging (SI), Chemical Shift Imaging (CSI) oder Multi-Voxel Localization MRS bezeichnet, sind weit verbreitete Techniken zur nicht-destruktiven Gewinnung von Bildern des Innern eines Untersuchungsobjektes und beruhen auf der ortsaufgelösten Messung von Magnetresonanzsignalen aus dem Untersuchungsobjekt. Indem das Untersuchungsobjekt innerhalb eines Grundfeldmagneten einem im Wesentlichen statischen und homogenen magnetischen Grundfeld ausgesetzt wird, werden in ihm enthaltene Kernseins bzgl. der Richtung des Grundfeldes, in der Regel als z-Richtung eines magnetgebundenen Koordinatensystems gewählt, orientiert. Bei der MR-Untersuchung werden durch Einstrahlung von elektromagnetischen Hochfrequenz-(HF-)Pulsen mittels einer oder mehrerer HF-Sendeantennen die so orientierten Kernseins des Untersuchungsobjekts zu Präzessionsbewegungen angeregt, deren Frequenzen proportional zu den lokalen magnetischen Feldstärken sind. Bei den heute allgemein verwendeten MRI- und SI-Verfahren wird den Präzessionsbewegungen der Kernseins durch zeitlich variierte Überlagerungen von örtlich veränderlichen Zusatzmagnetfeldern für alle räumlich aufzulösenden Raumrichtungen eine räumliche Kodierung, im Allgemeinen als Ortskodierung bezeichnet, aufgeprägt. Üblicherweise werden diese Felder in drei Ausprägungen als in drei orthogonalen Raumrichtungen im Wesentlichen räumlich linear ansteigende Magnetfelder mittels eines sog. Gradientensystems erzeugt und entsprechend als die Gradienten(felder) Gx, Gy und Gz, bezeichnet. Die Ortskodierung wird üblicherweise durch ein Schema in einem zum Ortsraum über eine Fourier-Transformation konjugierten Raum, dem sog. k-Raum, beschrieben. Die Transversalkomponente der mit den präzedierenden Kernseins verbundenen Magnetisierung induziert in einer oder mehreren HF-Empfangsantennen, welche das Untersuchungsobjekt in der Regel umgeben, elektrische Spannungssignale. Mittels Pulssequenzen, welche speziell gewählte Abfolgen von HF-Pulsen und Gradientenpulsen enthalten, werden zeitlich veränderliche Magnetresonanzsignale derart erzeugt, dass sie in entsprechende räumliche Abbildungen umgesetzt werden können. Dies erfolgt nach einer von vielen wohlbekannten Rekonstruktionstechniken, nachdem die HF-Signale mittels eines elektronischen Empfangssystems aufgenommen, verstärkt und digitalisiert sowie mittels eines elektronischen Rechnersystems verarbeitet und in zwei- oder mehrdimensionalen Datensätzen abgespeichert worden sind. Typischerweise enthält die verwendete Pulssequenz eine Abfolge von Messabläufen, auch als Ortskodierschritte bezeichnet, in denen die Gradientenpulse gemäß dem gewählten Lokalisierungsverfahren entsprechend dem verwendeten Kodierschema variiert werden. Ein Ortskodierschritt umfasst dabei die Anregung von Kernseins, eine Ortskodierung und die Aufnahme von den MR-Signalen.
  • Eine wesentliche Voraussetzung für eine ortsgetreue Abbildung der Magnetresonanzsignale des Untersuchungsobjektes ist, dass die technischen Imperfektionen des MR-Messsystems vernachlässigbar oder die Abweichungen von dem idealen Verhalten bekannt sind und entsprechend korrigiert werden können.
  • In der Magnetresonanzbildgebung und der ortsaufgelösten Magnetresonanzspektroskopie wird üblicherweise die räumliche Lokalisierung dadurch erzielt, dass entweder eine Fourier-Kodierung oder eine ortsselektive Anregung vorgenommen wird [7, 8].
  • Bei der Fourier-Kodierung werden die zu untersuchenden Kernseins im gesamten Untersuchungsvolumen gleichzeitig angeregt und ihre räumliche Lokalisierung durch Aufprägung einer ortabhängigen Phasen- und/oder Frequenzkodierung ihrer Präzessionsbewegung realisiert. Diese Aufprägung der Ortskodierung erfolgt mittels Gradientenpulsen, d. h. zeitlichen Variationen der Magnetfeldstärke einer oder mehrerer Ausprägungen der durch das Gradientensystem erzeugten Zusatzmagnetfelder. In der klassischen MR-Bildgebung erfolgt diese Aufprägung einerseits durch Anlegen eines sog. Phasen(kodier)gradienten in einer der HF-Anregung zeitlich nachgelagerten Phasenkodierperiode, in der eine ortsabhängige Phasenänderung der Präzessionsbewegung erfolgt, andererseits während des Signalauslesens durch Anlegen eines sog. Auslesegradienten, wodurch eine ortsabhängige Modulation der Präzessionsfrequenz erfolgt. Beide Kodierungen erfolgen üblicherweise nach einem Kodierschema, welches die Bestimmung der räumlichen Verteilung der Magnetresonanzsignale mittels einer Fourier-Transformation gestattet.
  • In der Projektionsbildgebung (Backprojection Imaging) erfolgt die Ortskodierung in zwei oder drei Dimensionen allein durch Frequenzkodierung, indem in jedem Kodierschritt die Orientierung des Auslesegradienten variiert wird.
  • Die räumlich-selektive Anregung ist eine in der Magnetresonanzbildgebung weit verbreitete Technik, welche dazu genutzt wird, die bei der Anregung erzeugte Transversalmagnetisierung räumlich einzuschränken und/oder deren Amplitude und Phase im Anregungsvolumen räumlich zu variieren. Bei der Schichtselektion, dem häufigsten Fall der selektiven Anregung, wird das Anregungsvolumen auf eine vorgegebene Schicht reduziert. Auch in der volumen-selektiven MR-Spektroskopie (Volume-Selective Spectroscopy VSS) basiert die Selektion eines – in der Regel in Relation zum Untersuchungsobjekt kleinen – Untersuchungsgebiets üblicherweise auf schicht-selektiven Anregungs- und Refokussierungspulsen, wobei die räumliche Selektion sukzessive jeweils nur in einer Raumrichtung mittels eines entsprechenden Gradientenpulses erfolgt.
  • Zur Beschleunigung von Mehrschichtaufnahmen wurden auch MRI- und MRS-Verfahren entwickelt, bei denen in mehreren Phasenkodierschritten gleichzeitig mehrere im Wesentlichen parallele Schichten mit unterschiedlicher Phasenkodierung angeregt und deren Magnetresonanzsignale aufgenommen werden und durch geeignete Datenrekonstruktion, z. B. eine Hadamard-Transformation, eine Zuordnung der Signale zu der jeweiligen Anregungsschicht vorgenommen wird [9].
  • Die mehrdimensionale selektive Anregung mittels multi-dimensionaler HF-Pulse [10, 11, 12] bei welcher das Anregungsvolumen in mehr als einer Richtung eingeschränkt bzw. die Anregung in mehr als einer Richtung moduliert wird, hat ebenfalls zahlreiche Anwendungen hervorgebracht. Zu nennen sind hier die Anregung eines kleinen dreidimensionalen Volumens oder auch gleichzeitig mehrerer Volumina innerhalb eines wesentlich größeren Untersuchungsobjektes für lokalisierte Spektroskopie, die Abbildung einer selektiv angeregten „Region of Interest” (ROI) mit reduziertem Sichtfeld (FOV: Field of View) zwecks Messzeitverkürzung, die Anregung spezieller, an Strukturen des Untersuchungsobjekts angepasster Volumina oder auch die echo-planare Bildgebung mit reduzierten Echozuglängen. Weiterhin kann die Amplituden- und Phasenmodulation bei der Anregung auch dazu genutzt werden, um nachteilige Effekte eines inhomogenen B1-Feldes der zum Senden verwendeten HF-Antennen zu kompensieren. Dies ist eine Anwendung, welche heutzutage aufgrund der starken Zunahme von Hochfeld-MRI-Systemen immens an Bedeutung gewonnen hat [12, 13].
  • Ebenso sind MRI- und MRS-Verfahren bekannt, bei denen Kernseins innerhalb eines oder mehrerer räumlich separierter Untersuchungsgebiete mittels mehrdimensionaler HF-Anregung simultan selektiv angeregt werden und bei dieser Anregung mittels eines geeigneten Kodierschemas den Magnetresonanzsignalen eine Phasenkodierung aufgeprägt wird, die bei simultaner Aufnahme der Magnetresonanzsignale aller Untersuchungsgebiete eine Separierung der Signale bzgl. ihres Ursprungsgebietes und/oder die Bestimmung ihrer räumlichen Verteilung innerhalb dieser Gebiete ermöglicht [14, 15, 16].
  • Für den praktischen Einsatz von multi-dimensionalen HF-Pulsen hat sich ein weiterer Aspekt des technischen Fortschritts der vergangenen Jahre als vorteilhaft erwiesen, welcher in [12] ausführlich beschrieben ist. Im Regelfall wurde die räumlich selektive Anregung in der Vergangenheit mittels einer einzelnen HF-Sendeantenne mit einem im Wesentlichen homogenen Sendefeld (B1-Feld) in Kombination mit dem Gradientensystem durchgeführt. Inspiriert durch den Erfolg der Parallelen Bildgebung, bei welcher die Signalaufnahme mit einer Anordnung von mehreren HF-Empfangsantennen, in der Fachliteratur auch als Antennenarray bezeichnet, durchgeführt wird, ist man inzwischen dazu übergegangen auch bei der selektiven Anregung solche Arrays zum Senden einzusetzen. Damit ist man in der Lage, die Ortskodierung der Anregungsorte, welche bei der selektiven Anregung in Analogie zur Akquisition durch Variation von Gradientenfeldern realisiert wird, partiell durch sog. Sensitivitätskodierung zu ersetzen und damit die Länge der Anregungspulse zu reduzieren. Dies bedeutet, dass man die Information ausnutzt, welche in den unterschiedlichen räumlichen Variationen der Sendefelder der einzelnen Arrayelemente, im Folgenden auch als Sendeprofile bezeichnet, enthalten ist. [17, 18]
  • Eine der Grundfragen beim Einsatz räumlich selektiver Anregung ist die Bestimmung der HF-Pulse, welche von der Sendeantenneneinrichtung abgespielt wer den müssen, um in Kombination mit der gradientenerzeugten k-Raum-Trajektorie das gewünschte Anregungsmuster zu generieren. In [10] beschreiben Pauly et al. ein Verfahren für die einkanalige räumlich-selektive Anregung, mit welchem die gesuchte Pulsform B1(t) aufgrund einer mathematischen Analogie der selektiven Anregung mit der Fourier-Bildgebung im Wesentlichen durch Fourier-Transformation des gewünschten Anregungsmuster und Abtastung der Fourier-Transformierten entlang der vorgegebenen k-Raum-Trajektorie berechnet werden kann. Katscher et al. erweiterten dieses Berechnungsverfahren für den Fall eines Antennenarrays mit mehreren unabhängigen Sendekanälen [17].
  • Neben diesen Verfahren der selektiven Anregung, welche dadurch charakterisiert sind, dass während der Anregung der Kernseins durch HF-Pulse gleichzeitig Gradientenpulse mit ortskodierender Wirkung appliziert werden, sind auch Techniken entwickelt worden, bei den ohne zusätzliches Einwirken von Gradientenfeldern eine räumliche Amplituden- und/oder Phasenmodulation der Transversalmagnetisierung durch reine Superposition entsprechend ausgelegter HF-Pulse, die gleichzeitig mit mindestens 2 Sendeantennenelementen eingestrahlt werden, erzielt wird [19, 20, 21].
  • Üblicherweise werden in der Magnetresonanzbildgebung sowie in der ortsaufgelösten Magnetresonanzspektroskopie zur Ortskodierung der Magnetresonanzsignale Gradientenfelder verwendet, welche im gesamten Untersuchungsvolumen der Kernresonanzapparatur jeweils in einer Raumrichtung monoton ansteigen oder abfallen. Aufgrund dieser Eigenschaft, das gesamte Untersuchungsvolumen abzudecken, werden diese Gradientenfelder als globale Gradienten bezeichnet, die erzeugende Systemkomponente als globales Gradientensystem. Ferner wird im Folgenden zur Vereinfachung der Darstellung davon ausgegangen, dass das Grundfeld in z-Richtung eines magnetgebundenen Koordinatensystems orientiert ist und dass die Gradientenfelder in drei Ausprägungen Ggx, Ggy und Ggz geschaltet werden können, deren z-Komponenten in zueinander orthogonalen Richtungen im wesentlichen linear mit einstellbarer Stärke ansteigen [7, 8].
  • Dabei bietet die Anwendung möglichst starker Gradienten, d. h. die Ausbildung einer möglichst großen Magnetfelddifferenz zwischen den Rändern des Abbildungsgebietes, wesentliche Vorteile, von denen die Realisierung einer sehr hohen Ortsauflösung genannt sei. Ebenso ist ein möglichst schnelles Schaltverhalten beim An- und Ausschalten dieser Gradienten sowie beim Einstellen der Gradientenstärke vorteilhaft, z. B. zur Verkürzung des gesamten Messvorgangs.
  • Nachteilig beim Einsatz von globalen Gradienten ist, dass die für typische Anwendungen erforderlichen Gradientenstärken erheblichen Magnetfeldunterschieden zwischen den Rändern des Abbildungsgebietes entsprechen. Einerseits stößt deren Realisierung an technische Limitierungen bei der Konstruktion von Gradientenspulen und bei der Auslegung der Gradientenverstärker bzgl. der Größe und des Schaltverhaltens der zu generierenden elektrischen Ströme durch die Gradientenspulen. Andererseits treten beim schnellen Schalten dieser Magnetfelder schnell veränderliche Lorentzkräfte auf, die nachteilig zu sehr großen mechanischen Beanspruchungen der Kernresonanzapparatur und zu übermäßigen Lärmemissionen führen können. Eine weitere Limitierung stellen neuronale Stimulationen lebender Untersuchungsobjekte durch schnell veränderliche große Magnetfeldstärken dar, so dass in vielen Fällen die prinzipiell technisch erreichbare Bildqualität durch physiologische Einschränkungen bzgl. akustischer Belastung und Nervenstimulation nicht realisiert werden kann.
  • Zur Vermeidung dieser Limitierungen globaler Gradienten wurden sog. lokale Gradienten eingeführt, die in der Regel mit einem zusätzlich zu dem globalen Gradientensystem in die Apparatur eingebrachten lokalen Gradientensystem erzeugt werden. Mit einem solchen lokalen Gradientensystem werden ebenfalls der Ortskodierung dienende Zusatzmagnetfelder erzeugt, wobei für jede zu kodierende räumliche Dimension eine entsprechende Ausprägung des Zusatzmagnetfeldes mit jeweils unterschiedlichen lokalen Gradienten (∂Bz(x,y,z)/∂x, ∂Bz(x,y,z)/∂y, ∂Bz(x,y,z)/∂z)ihrer z-Komponenten Bz(x,y,z) realisiert wird. Ebenso wie bei globalen Gradienten hat auch bei lokalen Gradienten in der Regel jede dieser Ausprägungen des ortskodierenden Zusatzmagnetfeldes die Eigenschaft, dass ihre z-Komponente Bz(x,y,z) im gesamten Untersuchungsvolumen bis zu einer maximalen Stärke homogen skalierbar ist. Im Gegensatz zu globalen Gradienten ist bei lokalen Gradienten jedoch die z-Komponente Bz(x,y,z) jeder einzelnen Ausprägung des Zusatzmagnetfeld nur innerhalb einer oder innerhalb mehrerer ausgedehnter und in sich zusammenhängender Teilregionen des Untersuchungsvolumens entlang der Feldlinien ihres Gradientenfeldes (∂Bz(x,y,z)/∂x, ∂Bz(x,y,z)/∂y, ∂Bz(x,y,z)/∂z) jeweils entweder monoton steigend oder monoton fallend. Im gesamten Untersuchungsvolumen liegt jedoch kein durchgängiger monotoner Verlauf entlang dieser Feldlinien vor. Mit einer Ausprägung eines solchen lokalen Zusatzmagnetfeldes kann eine eindimensionale Ortsbestimmung entlang der genannten Feldlinien vorgenommen werden und Komponenten der aufgenommenen Magnetresonanzsignale können einzelnen Isoflächen der z-Komponenten Bz(x,y,z) der entsprechenden Ausprägung des Zusatzmagnetfeldes zugeordnet werden. Diese Isomagnetfeldflächen stehen lokal senkrecht auf den Feldlinien und müssen für die Ortsrekonstruktion aus den Magnetresonanzsignalen prinzipiell bekannt sein. Soll die Ortsbestimmung der Magnetresonanzsignale in mehreren räumlichen Dimensionen erfolgen, sind entsprechend viele geeignete Ausprägungen des Zusatzmagnetfeldes, im folgenden mit GI1, GI2, ... bezeichnet, erforderlich, die je nach Kodierverfahren auch gleichzeitig wirksam sein können. Bei mehrdimensionaler Ortskodierung mittels des lokalen Gradientensystems kann eine eindeutige Ortskodierung nur in den Regionen erfolgen, in denen alle dafür verwendeten Ausprägungen des Zusatzmagnetfeldes einen monotonen Verlauf in dem oben beschriebenen Sinn besitzen. Diese Regionen, in denen eine eindeutige Ortskodierung für alle gewünschten Dimension vorgenommen werden kann, werden im Folgenden als MSEM-Regionen bezeichnet.
  • Der Vorteil, der mit Hilfe solcher lokaler Gradienten gewonnen werden kann, ist, dass innerhalb jeder dieser MSEM-Regionen ein ortskodierendes Magnetfeld mit einem sehr steilen Anstieg und einem schnellen Schaltverhalten erzeugt wird, was u. a. für eine Erhöhung der Ortsauflösung und/oder eine Verkürzung des Messvorgangs genutzt werden kann. Da dabei die Magnetfelddifferenz zwischen den Rändern einer MSEM-Region und damit auch die Magnetfeldvariation innerhalb des gesamten Untersuchungsvolumens wesentlich kleiner als im Falte globaler Gradienten gehalten werden kann, können die oben erwähnten Nachteile großer, zeitlich veränderlicher Magnetfeldvariationen innerhalb der Kernresonanzapparatur wesentlich reduziert bzw. vermieden werden.
  • Werden Magnetresonanzsignale aus dem gesamten Untersuchungsvolumen mit Hilfe eines solchen lokalen Gradientensystems ortskodiert, kann im Falle einer nicht-ortsselektiven Signalerzeugung oder -aufnahme i. allg. keine global eindeutige räumliche Zuordnung auf der Basis dieser Ortskodierung getroffen werden. Im Falle einer einzigen MSEM-Region kann nicht festgestellt werden, welcher Signalanteil aus dieser Region und welcher von außerhalb stammt, im Falle mehrerer MSEM-Regionen kann darüber hinaus i. allg. nicht differenziert werden, welche Signalanteile aus welcher dieser MSEM-Regionen stammen. Im Falle einer einzigen MSEM-Region wird dieses Problem üblicherweise dadurch gelöst, dass Anregungs- und/oder Empfangsantennen mit eingeschränkter räumlicher Sensitivität, insbesondere sog. Oberflächenspulen, eingesetzt werden, sodass nur Magnetresonanzsignale innerhalb dieser MSEM-Region angeregt und/oder gemessen werden. Im Falle von lokalen Gradientensystemen, die mehrere MSEM-Regionen besitzen, erfolgt die eindeutige Zuordnung der Signale dadurch, dass durch Einsatz eines Antennen-Arrays mit mindestens ebenso vielen, geeignet angeordneten Elementen unterschiedlicher Sensitivität eine eindeutige Zuordnung getroffen werden kann, wie in [1] bis [6] beschrieben. U. U. ist dafür ein komplexes Rekonstruktionsverfahren, z. B. eine SENSE-ähnliche Rekonstruktion, erforderlich [3] bis [6].
  • Nachteilig an diesem Stand der Technik ist zunächst die Notwendigkeit des Einsatzes von HF-Spulen bzw. Spulen-Arrays mit eingeschränkten Sensitivitätsprofilen, wobei mit der Anzahl der MSEM-Regionen entsprechend die Anzahl der Empfangselemente und -Kanäle steigt und dies den apparativen Aufwand we sentlich erhöht. Außerdem ist das Bildrekonstruktionsverfahren sehr komplex und kann unter nicht-idealen Messbedingungen zu Bildartefakten führen. Da die verwendeten Spulen prinzipiell für oberflächennahe Objektbereiche eine besonders hohe, für tief liegende Bereiche eine stark reduzierte Sensitivität besitzen, sind die nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren ungeeignet für die Selektion von oberflächenfernen MSEM-Regionen.
  • Will man diese Verfahren in Kombination mit Techniken der Parallelen Bildgebung [7] einsetzen, ergibt sich der Nachteil, dass das Potential der eingesetzten mehr-elementigen Empfangsspulen zur Verkürzung der Messzeit nur eingeschränkt genutzt werden kann, weil ein Teil der zusätzlichen Messinformation zunächst für die Identifizierung der signalerzeugenden MSEM-Region verwendet werden muss. Dieser Nachteil kann nur durch eine entsprechende Erhöhung der Anzahl der Empfangselemente und -kanäle, d. h. durch höheren apparativen Aufwand, kompensiert werden.
  • Es ist demgemäß die Aufgabe der Erfindung, ein Mess- und Rekonstruktionsverfahren bereitzustellen, die beim Einsatz von lokalen Gradientensystemen mit einer deutlich weniger aufwändigen HF-Empfangsanordnung eine eindeutige Bestimmung der räumlichen Verteilung der Magnetresonanzsignale im gesamten Abbildungsgebiet ermöglichen, insbesondere auch für die Abbildung von oberflächenfernen MSEM-Regionen geeignet sind und in effektiver Weise in Kombination mit parallelen Bildgebungstechniken eingesetzt werden können.
  • Diese Aufgabe wir durch ein Verfahren gemäß Patenanspruch 1 gelöst, wobei im Vorbereitungsschritt für eine Phasenkodierung der N MSEM-Regionen ein Phasenkodierschema A mit I Phasenkodierschritten festgelegt wird, wobei I ≥ N ≥ 1, für jeden dieser Phasenkodierschritte gemäß Phasenkodierschema A ein räumliches, komplexes Anregungsmuster der transversalen Magnetisierung der Kernseins definiert wird, wobei für eine Amplitudenmodulation die Amplituden innerhalb des Abbildungsgebietes einer vorgegebenen Verteilung entsprechend für jeden Phasenkodierschritt identisch, für eine räumliche Selektion die Amplituden außerhalb des Abbildungsgebiets auf Null und für eine Phasenmodulation die Phasen innerhalb der MSEM-Regionen des Abbildungsgebietes dem festgelegten Phasenkodierschema A gemäß gesetzt werden, wobei an allen Orten innerhalb einer einzelnen MSEM-Region jeweils dieselbe Phase vorgegeben wird, und für jedes definierte komplexe Anregungsmuster der Phasenkodierschritte gemäß Phasenkodierschema A und für jedes Sendeelement der Sendeantenneneinrichtung die Berechnung des zeitlichen Amplituden- und Phasenverlaufs der zur Anregung der Kernseins einzustrahlenden HF-Pulse erfolgt. Im Ausführungsschritt wird erfindungsgemäß jeder Kodierschritt, welcher gemäß Ortskodierschema P ausgeführt wird, I mal gemäß Phasenkodierschema A wiederholt, wobei zu der Anregung der Kernseins für jeden Phasenkodierschritt gemäß Phasenkodierschema A der oder die dafür berechneten HF-Pulse appliziert werden, so dass die Selektion des Abbildungsgebietes sowie die Amplitudenmodulation und Phasenkodierung gemäß Phasenkodierschema A innerhalb des Abbildungsgebiets während der Anregung der Kernseins erfolgen, wobei für den Fall eines einzigen Phasenkodierschritts, d. h. I = N = 1, gleichzeitig mit der HF-Pulseinstrahlung auch Gradienten appliziert werden. Im Rekonstruktionsschritt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die räumliche Verteilung der Magnetresonanzsignale für jede der N MSEM-Regionen getrennt bestimmt, und im Darstellungsschritt erfolgt die Darstellung der Ergebnisse der Rekonstruktion für jede der N MSEM-Regionen getrennt und/oder integriert bezüglich eines gemeinsamen Referenzsystems.
  • Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Verteilung von Magnetresonanzsignalen aus einem Abbildungsgebiet innerhalb des Untersuchungsvolumens einer Kernresonanzapparatur, wobei die Ortskodierung in mindestens einer Dimension mittels eines lokalen Gradientensystems vorgenommen wird und das damit erzeugte Zusatzmagnetfeld nur innerhalb einer oder mehrerer eingeschränkter Regionen, den sog. MSEM-Regionen (MSEM = monotonic spatially encoding magnetic field = monotones räumlich kodierendes Magnetfeld), eine jeweils eindeutige Ortskodierung der Magnetresonanzsignale in dieser oder diesen Dimensionen nach bekannten Verfahren erlaubt, aber weder gestattet, alle Magnetresonanzsignale von außerhalb dieser Regionen eindeutig zu markieren noch zwischen gleichartig kodierten Magnetresonanzsignalen aus verschiedenen MSEM-Regionen zu differenzieren. Dabei ist im Falle mehrerer MSEM-Regionen bzgl. ihrer Festlegung zu beachten, dass es für jede MSEM-Region mindestens eine weitere mit mindestens partiell identischer lokaler Ortskodierung, d. h. Ortskodierung mittels des lokalen Gradientensystems, gibt.
  • Die Grundidee der Erfindung ist,
    • • die Anregung der Magnetresonanzsignale mittels räumlich selektiver Anregungspulse auf ein alle MSEM-Regionen und nur diese umfassendes Abbildungsgebiet oder darüber hinaus auf ein innerhalb dieser MSEM-Regionen liegendes Abbildungsgebiet einzuschränken und dort einer vorgegebenen räumlichen Verteilung entsprechend bzgl. der Amplitude der damit erzeugten transversalen Magnetisierung zu modulieren, wobei z. B. die experimentelle Zielsetzung, eine Verkürzung der Messdauer und/oder die zu erzielende Abbildungsqualität Kriterien für diese weitergehende Einschränkung des Abbildungsgebietes darstellen,
    • • im Falle der Verteilung des Abbildungsgebietes auf mehrere MSEM-Regionen, in denen mittels des lokalen Gradientensystems mindestens teilweise gleichartige Ortskodierungen bewirkt werden, in mehreren Phasenkodierschritten während ihrer HF-Anregung eine ortsabhängige Phasenkodierung der Magnetresonanzsignale durchzuführen, diese Kodierungsinformation zur Zerlegung der aufgenommenen Magnetresonanzsignale in Signalkomponenten zu verwenden, die jeweils genau einer dieser MSEM-Regionen zugeordnet werden können (d. h. jeder MSEM-Region wird eine unterschiedliche Phasenkodierung aufgeprägt), und getrennt für jede dieser Signalkomponenten nach bekannten Rekonstruktionsverfahren die räumliche Verteilung der Magnetresonanzsignale innerhalb jeder MSEM-Regionen zu berechnen und für das gesamte Abbildungsgebiet zusammenzufassen.
  • Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren [1–6], welche die zur Bestimmung der MSEM-Regionen erforderlichen Informationen aus den Ortsabhängigkeiten der Empfangssensitivitäten der Empfangselemente gewinnen und diese Informationen den Magnetresonanzsignalen prinzipiell in der Signalausleseperiode aufprägen, benutzt das erfindungsgemäße Verfahren für denselben Zweck die Ortsabhängigkeiten der Sendeprofile der HF-Sendeelemente und/oder der globalen Gradientenfelder und prägt die damit verbundene Ortsinformationen den Kernsein bereits in der Anregungsperiode auf.
  • Da sich beide Verfahrensweisen in keiner Weise ausschließen, sondern komplementäre Funktionalitäten der Apparatur nutzen, ist auch ihre direkte Kombination prinzipiell möglich. Je nach apparativer Ausstattung der Kernresonanzapparatur kann eine solche Kombination vorteilhaft zur Magnetresonanzbildgebung eingesetzt werden.
  • Weitere Varianten sowie weitere vorteilhafte Eigenschaften und Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Vorzugsweise erfolgt die Anregung der Kernseins mittels einer Sendeantenneneinrichtung mit mindestens zwei Sendeelementen. Je größer die Anzahl der verwendeten Antennenelemente ist, umso höher ist in der Regel die damit erzielbare Ortsdefinition der räumlichen Amplituden- und/oder Phasenmodulation der transversalen Magnetisierung. Bei Verwendung für multidimensionale HF-Pulse wird durch Erhöhung der Anzahl der Sendeantennenelemente ein stärkeres Undersampling der k-Raum-Trajektorie ermöglicht, wodurch die Dauer der eingestrahlten HF-Pulse verkürzt wird, was besonders vorteilhaft für die Unterdrückung von Offresonanz-bedingten Messfehlern und die Vergrößerung der bei der Messung zugänglichen spektralen Information ist.
  • Eine besonders vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass durch das Zusatzmagnetfeld des globalen Gradientensystems in jeder der L abzubildenden Dimensionen im gesamten Untersuchungsvolumen eine eindeutige Ortskodierung erfolgt, dass im Vorbereitungsschritt für die Phasenkodierung nach Phasenkodierschema A eine k-Raum-Trajektorie gewählt wird, welche mittels Gradientenpulsen, die mit dem globalen Gradientensystem er zeugt werden, festgelegt wird, und die Berechnung des zeitlichen Amplituden- und Phasenverlaufs des oder der zur Anregung der Kernseins einzustrahlenden HF-Pulse für die gewählte k-Raum-Trajektorie erfolgt, und im Ausführungsschritt der oder die berechneten HF-Pulse während des Durchlaufens der gewählten k-Raum-Trajektorie appliziert werden. Die HF-Pulse werden also während des Durchlaufens einer k-Raum-Trajektorie, d. h. bei gleichzeitig wirkenden Gradientenpulsen, appliziert. Diese Gradientenpulse werden mit dem globalen Gradientensystem erzeugt und realisieren eine k-Raum-Trajektorie, die im Vorbereitungsschritt vorgegeben wird und für welche die Berechnung des zeitlichen Amplituden- und Phasenverlaufs des oder der zur Anregung der Kernseins einzustrahlenden HF-Pulse für jeden Phasenkodierschritt erfolgt. Bei dieser Variante kann, insbesondere bei Messung mit mehreren HF-Empfangselementen, eine besonders gute Ortsdefinition der Phasenkodierung und Amplitudenmodulation während der Anregung erzielt werden.
  • Liegt nur eine MSEM-Region vor oder soll das Abbildungsgebiet auf eine einzige zusammenhängende Region beschränkt werden, ist es vorteilhaft eine rein räumlich selektive Anregung unter Gradientenwirkung, insbesondere unter Verwendung multi-dimensionaler HF-Pulse vorzunehmen, da in diesem Fall keine Differenzierung zwischen verschiedenen Regionen erforderlich ist, also eine Ortskodierung bei der Anregung entfallen kann.
  • Im Falle mehrdimensionaler Anordnungen von MSEM-Regionen ist es vorteilhaft, wenn die Anregung der Kernseins mit einem mehrdimensionalen HF-Puls erfolgt. Z. B. können zweidimensionale HF-Pulse für die Kodierung der MSEM-Regionen angewendet werden, wenn das lokale Gradientensystem für eine zweidimensionale Ortskodierung ausgelegt ist.
  • Eine für den praktischen Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders bevorzugte Variante ist, die Messungen mit einer 1-elementigen Sendeantenneneinrichtung, insbesondere einem Volumenresonator, auszuführen, da diese apparative Voraussetzung bei allen üblichen Kernresonanzapparaturen erfüllt ist.
  • Im Falle des Einsatzes mehrdimensionaler HF-Anregungspulse erfolgt die Anregung der Kernseins vorzugsweise mittels einer Sendeantenneneinrichtung mit mindestens zwei Sendeelementen. Dadurch wird eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht, bei der ein Undersampling der k-Raum-Trajektorie erfolgt, welche bei der Anregung durchlaufen wird, was wiederum zu dem entscheidenden Vorteil verkürzter Dauern der eingestrahlten HF-Pulse verhilft. U. a. erlaubt dies die Unterdrückung von durch Offresonanzen bedingten Messfehlern und die Vergrößerung der bei der Messung zugänglichen spektralen Information.
  • Eine für den praktischen Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders bevorzugte Variante ist, die Messungen der MR-Signale mit einer 1-elementigen Empfangsantenneneinrichtung, insbesondere einem Volumenresonator, auszuführen, da dies den apparativen Aufwand wesentlich reduziert.
  • Vorteilhaft bzgl. der erzielten Bildqualität und einer Verkürzung der Messzeit kann der Einsatz von mehreren HF-Empfangselementen zum Empfang der MR-Signale sein. Insbesondere können diese Vorteile durch den Einsatz Paralleler Bildgebungstechniken (parallel imaging) genutzt werden.
  • Es ist vorteilhaft, u. a. bzgl. der technischen Anforderungen an das globale Gradientensystem, wenn die verwendete k-Raum-Trajektorie mindestens einen spiralförmigen Teil umfasst, der von außen nach innen oder von innen nach außen durchlaufen wird.
  • Eine Weiterbildung dieser Variante sieht vor, dass die verwendete k-Raum-Trajektorie mehrere spiralförmige Teile umfasst, die alternierend von außen nach innen und von innen nach außen durchlaufen werden. Vorteilhaft ist dabei die Zeitersparnis beim Übergang zwischen den spiralförmigen Teilen.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn mit Beendigung der Einstrahlung des HF-Pulses die verwendete k-Raum-Trajektorie im Zentrum des k-Raums oder in dessen Nähe endet und/oder die dabei verwendeten Gradientenpulse sehr kleine oder verschwindende Amplituden erreichen. Hierdurch wird ein Beginn der Datenaufnahme ermöglicht, der nur minimal verzögert ist.
  • Bei einer weiteren sehr wichtigen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Abbildungsgebiet an anatomische, morphologische oder funktionelle Gegebenheiten des Untersuchungsobjekts angepasst, so dass auf diese Weise u. a. bestimmte Regionen des Untersuchungsobjektes, die zu Störungen der Messung führen können, von der Anregung ausgeschlossen werden können. Vorteilhaft ist es auch, wenn das Abbildungsbiet auf eine für die Messaufgabe minimale erforderliche Größe reduziert werden kann, wodurch i. allg. die Messzeit verkürzt wird.
  • Ferner kann es außerordentlich vorteilhaft für die erzielte Bildqualität sein, wenn das Abbildungsgebiet an die MSEM-Regionsbereiche mit besonderen Abbildungseigenschaften, z. B. mit besonders hoher Gradientenstärke, angepasst wird.
  • Eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass ein zweidimensionaler HF-Puls zur Anregung verwendet wird und eine räumliche Selektion in einer dazu linear unabhängigen Raumrichtung durch eine schichtselektive Phasenrefokussierung mittels eines globalen Gradienten erfolgt. Dies erlaubt eine zweidimensionale Bildgebung mit einem zweidimensional ausgelegten lokalen Gradientensystem.
  • Alternativ hierzu kann ein zweidimensionaler HF-Puls zur Anregung verwendet werden und die Ortskodierung und/oder eine räumliche Selektion in einer dazu linear unabhängigen Raumrichtung über Frequenzkodierung durch Einwirkung eines globalen Gradienten in dieser Richtung während der Datenaufnahme erfolgen. Dies erlaubt eine dreidimensionale Bildgebung mit einem zweidimensional ausgelegten lokalen Gradientensystem.
  • Erfindungsgemäß kann die Ortskodierung in einer räumlichen Dimension mittels des lokalen Gradientensystems und die Ortskodierung gemäß Ortskodierschema P in zwei davon verschiedenen Raumrichtungen durch das globale Gradientensystem erfolgen.
  • Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass die Ortskodierung in zwei räumlichen Dimensionen mittels des lokalen Gradientensystems und die Ortskodierung in einer davon linear unabhängigen Raumrichtung durch das globale Gradientensystem erfolgt.
  • Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass für jede Anzahl der durch das lokale Gradientensystem ortskodierten Dimensionen und für jede räumliche Anordnung der MSEM-Regionen eine entsprechende optimale Wahl des Kodierschemas A getroffen werden kann. Prinzipiell kann in jedem Fall ein eindimensionales Kodierschema A verwendet werden. Für den Fall einer zweidimensionalen Ortskodierung mittels lokaler Gradienten kann jedoch ein zweidimensionales Kodierschema A vorteilhafter sein.
  • Darüber hinaus ist es auch möglich, dass die Ortskodierung in drei räumlichen Dimensionen mittels des lokalen Gradientensystems erfolgt. In diesem Fall kann je nach Anordnung der MSEM-Bereiche auch ein zwei- oder dreidimensionales Kodierschema A bevorzugt verwendet werden.
  • Spezielle Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen vor, dass die Bestimmung der Zuordnung der Magnetresonanzsignale zu MSEM-Regionen mittels ein-, zwei- oder dreidimensionaler Fourier-Transformation oder Hadamard-Transformation oder Wavelet-Transformation durchgeführt wird.
  • Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, die Anregungsamplituden innerhalb des Abbildungsgebiets einer Gleichverteilung entsprechend vorzugeben. Dadurch kann eine Verfälschung des aufgenommenen Bildes aufgrund der Sendecharakteristik der Sendeantenneneinrichtung, z. B. in Form von lokalen Aufhellungen und Abschattungen, unterdrückt werden.
  • Es kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn vor Ausführung der Phasenkodierschritte das Kernspinsystem durch wiederholtes Durchlaufen des Anregungszyklus des Ausführungsschritts ohne Datenaufnahme oder -verwertung in einen Steady State versetzt wird.
  • Vorteilhaft bzgl. der Bildqualität kann es auch sein, wenn in jedem Phasenkodierschritt Spoiler-Gradienten zur Dephasierung störender residueller transversaler Magnetisierung angewandt werden.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Verlaufsschema des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Wiederholung jedes einzelnen Anregungsphasenkodierschrittes in einer äußeren Schleife;
  • 2 ein Verlaufsschema des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Wiederholung jedes einzelnen Anregungsphasenkodierschrittes in einer inneren Schleife;
  • 3 eine schematische Darstellung eines MR-Messsystems, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist;
  • 4a–c schematische Diagramme der Isomagnetfeldlinien und MSEMs eines oktogonalen Gradientensystems;
  • 5 eine schematische Darstellung zur Festlegung des Abbildungsgebietes und des Phasenkodierschemas aus 1;
  • 6 eine schematische Darstellung einer für die Anregung vorteilhaften spiralförmigen k-Raum-Trajektorie; und
  • 7 eine schematische Darstellung einer zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Anregungsphasenkodierschritts geeigneten Messsequenz.
  • In 1 sind die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte gezeigt, die im Folgenden näher beschrieben werden:
    Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst das Abbildungsgebiet festgelegt. Als maximale Ausdehnung dieses Abbildungsgebiets wird aufgrund der Kenntnis der Eigenschaften des verwendeten lokalen Gradientensystems die Vereinigung aller N MSEM-Regionen angeboten. Dieses maximal mögliche Abbildungsgebiet kann dann eingeschränkt werden, z. B. durch Benutzerinteraktionen auf der Basis eines konventionell aufgenommenen MR-Pilotbildes, auf dem die MSEM-Regionen gekennzeichnet sind, oder durch automatisierte Vorgaben. Wesentliches Kriterium für diese Einschränkung ist die Zielsetzung der Untersuchung, d. h. es genügt, nur die Regionen abzubilden, die für die Fragestellung der Untersuchung von Bedeutung sind. Da bei vorgegebener gewünschter Ortsauflösung die Messdauer durch Reduktion des Abbildungsgebietes verkürzt werden kann, ist diese Möglichkeit dieser Fokussierung ein wesentlicher Vorteil der Erfindung. Weil in der Regel aufgrund des nicht-linearen Verlaufs der Magnetfelder GI1, GI2, ... in den MSEM-Regionen dort eine inhomogene Ortsauflösung erreicht wird, kann durch die Einschränkung des Abbildungsgebietes die Messung auf die Gebiete höchster Auflösung eingeschränkt werden, was z. B. bei den in [4] und [5] beschriebenen lokalen Gradientensystemen sehr vorteilhaft ist.
  • In einem Vorbereitungsschritt wird für dieses Abbildungsgebiet ein Ortskodierschema P mit M Kodierschritten, M ≥ 1, festgelegt, welches auf Gradientenpulsen basiert, die mit dem lokalen und/oder dem globalen Gradientensystem erzeugt werden können, jedoch in mindestens einer Dimension mittels lokaler Gradienten. Z. B. kann es sich dabei um eines der bekannten Kodierschemata der klassische Spin-Warp-Bildgebung, der schnellen Bildgebung mit Echozügen (echo train imaging), der Projektionsbildgebung (projection imaging) oder der Parallelen Bildgebung (parallel imaging) handeln [7]. Zur Phasenkodierung der MSEM-Regionen während der Anregung wird in diesem Vorbereitungsschritt ein Phasenkodierschema A mit I Phasenkodierschritten, I ≥ N ≥ 1 festgelegt. Für jeden dieser Phasenkodierschritte wird ein räumliches, komplexes Anregungsmuster der transversalen Magnetisierung bestimmt, bei dem die Amplituden innerhalb des definierten Abbildungsgebietes einer vorgegebenen Verteilung, z. B. einer Gleichverteilung entsprechend, für jeden Phasenkodierschritt identisch und die Amplituden außerhalb des Abbildungsgebietes auf Null gesetzt werden. Die Phasen der transversalen Magnetisierung werden innerhalb des Abbildungsgebiets dem Phasenkodierschema A entsprechend so gesetzt, dass alle Orte innerhalb derselben MSEM-Region dieselbe Phasenkodierung erhalten. Zum Abschluss dieses Vorbereitungsschritts wird für jedes komplexe Anregungsmuster der Phasenkodierschritte des Phasenkodierschemas A für jedes Sendeelement der Sendeantenneneinrichtung der zeitliche Amplituden- und Phasenverlauf der zur Anregung einzustrahlenden HF-Pulse berechnet.
  • Im Ausführungsschritt werden alle Ortskodierschritte des Ortskodierschemas P durchlaufen und dieser Ablauf, wie in 1 beschrieben, für alle Phasenkodierschritte des Phasenkodierschemas A wiederholt. Alternativ können diese Ausführungsschleifen auch umgekehrt verschachtelt durchlaufen werden, wie in 2 dargelegt. Die einzelnen Phasenkodierschritte des Phasenkodierschemas A unterscheiden sich dadurch, dass in der Anregungsperiode die für den jeweiligen Phasenkodierschritt berechneten HF-Pulse appliziert werden. Nach der HF-Anregung erfolgt in jedem Kodierschritt, d. h. bei jedem Durchlauf der inneren Schleife, eine Ortskodierung mittels des lokalen und/oder globalen Gradientensystems, jedoch in mindestens einer Dimension mittels lokaler Gradienten, und die Aufnahme der Magnetresonanzsignale mit der HF-Empfangsantenneneinrichtung.
  • Bei Verwendung eines mehrdimensionalen Phasenkodierschemas A, bei dem im Ausführungsschritt die I Kodierschritte in entsprechend vielen ineinander verschachtelten Schleifen durchlaufen werden, kann die Ausführung auch in gegenüber 1 und 2 wesentlich komplexeren Ablaufstrukturen des Durchlaufens aller M·I Kodierschritte realisiert werden. Analog gilt dies auch für multidimensionale Kodierschemata P und insbesondere wenn Phasenkodierschema A und Ortskodierschema P beide multidimensional ausgelegt sind. Dem Magnetresonanz-Fachmann sind die Gestaltungsmöglichkeiten solcher Ablaufstrukturen bekannt.
  • Im Rekonstruktionsschritt werden, z. B. durch Fourier-Transformation, die aufgenommenen Signale in Komponenten zerlegt, die jeweils genau einer MSEM-Region zugeordnet werden, und für jede MSEM-Region wird die Ortsverteilung der Magnetresonanzsignale für das gewählte Ortskodierschema P nach bekannten Verfahren, wie z. B. in [7] beschrieben, ermittelt, wobei es i. Allg. nicht auf die Reihenfolge dieser Ortszuweisungen ankommt. Insbesondere bei Verwendung eines mehrdimensionalen Phasenkodierschemas A für die Anregungskodierung kann die Zuordnung der MSEM-Region sowie die Berechnung der räumlichen Verteilung für die einzelnen Dimensionen ineinander verschachtelt erfolgen.
  • Falls mehrere Empfangselemente für eine Parallele Datenaufnahme verwendet werden, können auch die bekannten Rekonstruktionstechniken der Parallelen Bildgebung [7] innerhalb der einzelnen MSEM-Regionen zur Anwendung kommen.
  • In einem Darstellungsschritt werden schließlich die Ergebnisse der Rekonstruktion und/oder daraus abgeleitete Größen abgespeichert und dargestellt. Vorzugsweise werden zwei- oder dreidimensionale Bilder, die bestimmte Eigenschaften der Magnetresonanzsignale wiedergeben, farb- oder grauwertkodiert dargestellt. Von besonderem Interesse ist eine integrierte Darstellung aller MSEM-Regionen in Bezug auf ein gemeinsames Referenzsystem.
  • Von besonderem Interesse ist das erfindungsgemäße Verfahren für den Fall mehrerer MSEM-Regionen, d. h. für N ≥ 2, somit auch mehrerer Phasenkodierschritte, d. h. I ≥ 2, da diese Variante beim Einsatz komplexer lokaler Gradientensysteme sehr vorteilhaft zur hochaufgelösten Bildgebung ausgedehnter Strukturen verwendet werden kann.
  • Im Folgenden soll noch etwas detaillierter auf einige wichtige Aspekte und Varianten bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren und besondere Vorteile eingegangen werden.
  • Eine sehr wichtige Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht auf dem Prinzip, den Kernseins mittels eines mehrdimensionalen HF-Pulses während der Anregung neben einer räumlichen Selektion und Amplitudenmodulation auch eine räumliche Phasenverteilung aufzuprägen. Bei der Umsetzung dieser Variante ist folgende Vorgehensweise vorteilhaft [15]:
    • • Zur Definition der Messung werden ein Anregungsgebiet, das das Untersuchungsobjekt abdeckt (Field of Excitation = FOX), ein prinzipiell beliebiges diesem Anregungsgebiet einbeschriebenes Auflösungsraster und eine darauf abgestimmte k-Raum-Trajektorie festgelegt (siehe 5). Bevorzugte k-Raum-Trajektorien sind dabei zweidimensionale Spiralen, die von innen nach außen oder umgekehrt durchlaufen werden, und Stapel parallel orientierter Spiralen. Vorteilhaft sind dabei Trajektorien, die mit Beendigung der Einstrahlung des HF-Pulses im oder in der Nähe des k-Raum-Zentrums enden und/oder für die die dabei angelegten Gradientenpulse dann sehr kleine oder verschwindende Amplituden erreichen. In diesen Fällen ist die Möglichkeit eines minimal verzögerten Beginns der anschießenden Ortskodierung gegeben.
    • • Innerhalb des vorgegebenen Auflösungsrasters wird zunächst das gewünschte Abbildungsgebiet festgelegt und diesem Abbildungsgebiet entsprechend werden die sog. Kodierzellen festgelegt, für die eine bestimmte Phasenkodierung erfolgen soll. Eine solche Kodierzelle entspricht allen Zellen des Auflösungsrasters, welche sich innerhalb einer MSEM-Region und innerhalb des Abbildungsgebiets befinden.
    • • Auf der Basis dieser Vorgaben wird für die Kodierzellen das Phasenkodierschema A festgelegt, wobei das Phasenkodierschema A u. a. festlegt, welche Phase die jeweiligen Kodierzellen in den verschiedenen Phasenkodierschritten haben sollen. Für die bevorzugten Rekonstruktionsverfahren wird die Anzahl der Phasenkodierschritte der Anzahl der Kodierzellen entsprechend gewählt. Für jeden Phasenkodierschritt und für jede Kodierzelle wird eine relative Anregungsphase dem gewählten Phasenkodierschema A entsprechend definiert. Darauf aufbauend wird für jeden Phasenkodierschritt ein komplexes Anregungsmuster festgelegt, d. h. für jede Zelle des Auflösungsrasters innerhalb des Anregungsgebiets werden Amplitude und Phase festgelegt. Im einfachsten Fall erhalten die Anregungszellen die für den jeweiligen Phasenkodierschritt festgelegten Phasen und eine konstante, auf den zu erzeugenden Flipwinkel abgestimmte Amplitude. Für die restlichen Auflösungsraster-Zellen wird innerhalb des Anregungsmusters für alle Phasenkodierschritte die Amplitude 0 gesetzt. Sollen während der Anregung räumliche Modulationen der Amplitude der zu erzielenden transversalen Magnetisierung aufgeprägt werden, z. B. bekannte B1-Inhomogenitäten der Antennensendefelder kompensiert werden, ist eine entsprechende Amplitudenverteilung in den Auflösungsraster-Zellen vorzugeben, die für alle Phasenkodierschritte identisch beibehalten wird.
    • • Für die gewählte k-Raum-Trajektorie, für jedes definierte komplexe Anregungsmuster, nach welchem während eines Phasenkodierschrittes angeregt wird, und für jedes Sendeelement der Sendeantenneneinrichtung werden der zeitliche Amplituden- und Phasenverlauf der über das jeweilige Sendeelement einzustrahlenden Hochfrequenz nach bekannten Berechnungsverfahren, z. B. gemäß [22] oder [23], ermittelt und die der gewählten k-Raum-Trajektorie entsprechenden magnetischen Gradientenpulse bestimmt. Dabei bietet die Verwendung einer mehrelementigen Sendeantenneneinrichtung im Zusammenhang mit der gleichzeitigen Einstrahlung i. A. unterschiedlicher HF-Pulswellenformen über die verschiedenen Sendeelemente, wodurch eine Verkürzung der k-Raum-Trajektorie durch Undersampling realisiert wird, den Vorteil, dass die Anregungsdauer entsprechend verringert wird und dadurch u. a. durch Offresonanzen bedingte Messartefakte signifikant unterdrückt werden können. Ebenso wird dadurch die Bandbreite der HF-Pulse und entsprechend die damit der Messung zugängliche spektrale Information vergrößert.
    • • Bei der Ausführung der Magnetresonanzmessung wird eine Folge von Phasenkodierschritten ausgeführt, wobei in jedem Phasenkodierschritt zunächst während des Durchlaufens der vorgegebenen k-Raum-Trajektorie ein multidimensionaler HF-Puls eingestrahlt wird. Die k-Raum-Trajektorie wird durch Abspielen der dafür berechneten globalen Gradientenpulse durchlaufen, während gleichzeitig über alle Sendeelemente der Sendeantenneneinrichtung die Hochfrequenz mit den entsprechenden vorberechneten Amplituden- und Phasenverläufen eingestrahlt wird. Damit wird die Kernmagnetisierung in dem Auflösungsraster, dem Anregungsmuster des jeweiligen Phasenkodierschritts entsprechend, angeregt und dabei innerhalb des Abbildungsgebietes, dem Phasenkodierschema entsprechend, ortskodiert. Das so kodierte Signal wird nach anschließender weiterer Kodierung gemäß dem Ortskodierschema P mit einer Empfangsantenneneinrichtung aufgenommen.
  • Bei der Auswahl des Phasenkodierschemas A ist darauf zu achten, dass es unter den realen experimentellen Bedingungen eine für den speziellen Anwendungsfall hinreichende räumliche Abbildungstreue und Auflösung gestattet. So bestehen insbesondere bezüglich der Dimensionalität des verwendeten Phasenkodierschemas A bestimmte Wahlmöglichkeiten. Ein dreidimensionales Abbildungsgebiet kann mit einem drei-, zwei- oder eindimensionalen Phasenkodierschema A, ein zweidimensionales Abbildungsgebiet mit einem zwei- oder eindi mensionalen Phasenkodierschema A kodiert und entsprechend rekonstruiert werden. Bevorzugt wird aber ein Phasenkodierschema A, dessen Dimension der MSEM-Struktur entspricht und bei dem vermieden wird, dass kleine Abweichungen in der Phasendefinition bei der Anregung zu sprunghaften Änderungen der aus den tatsächlich realisierten Phasenwerten rekonstruierten Orte führen.
  • Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, dass das Abbildungsgebiet sehr gut dem oder den Gebieten angepasst werden kann, die für eine ortsaufgelöste Untersuchung innerhalb des Untersuchungsobjektes interessant sind, z. B. aufgrund anatomischer, morphologischer oder funktioneller Gegebenheiten. Diese Anpassungsmöglichkeit erlaubt auch den Ausschluss bestimmter Regionen des Untersuchungsobjektes, die zu Störungen der Messung führen können, z. B. pulsierender Blutgefäße im Falle von In-vivo-Untersuchungen.
  • Darüber hinaus kann die Einschränkung der Ortskodierung auf das Abbildungsgebiet aufgrund der damit verbundenen Reduktion der Anzahl von Kodierschritten des Ortskodierschemas P vorteilhaft bzgl. der aufzuwendenden Messzeit sein, insbesondere dann, wenn dieses Abbildungsgebiet sehr klein im Vergleich zu den Ausmaßen des Untersuchungsobjektes ist und mit hoher Ortsauflösung untersucht werden soll. D. h. das erfindungsgemäße Verfahren eröffnet die Möglichkeit, in effizienter Weise Magnetresonanz-Mikroskopie innerer Strukturen eines ausgedehnten Untersuchungsobjektes durchzuführen.
  • In 3 ist schematisch ein MR-Messsystem dargestellt, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Das System enthält einen Hauptmagneten M, mit welchen das in einem Untersuchungsvolumen V im Wesentlichen homogene und statische Grundmagnetfeld erzeugt wird. Dieses Untersuchungsvolumen V umgebend, sind in die Bohrung des Hauptmagneten M ein globales Gradientensystem, bestehend aus drei Sätzen von Gradientenspulen GX, GY und GZ, sowie ein lokales Gradientensystem eingebracht, mit welchem durch Schalten von in der Regel mehreren Spulen zu Spulenkombinationen G1, G2 verschiedene Ausprägungen von lokalen Zusatzfeldern, den lokalen Gradienten, realisiert werden können. Globales und lokales Gradientensystem müssen nicht als getrennte Instrumente realisiert sein, sondern können unter Umständen auf gemeinsame Gradientenspulen zurückgreifen. In 3 sind beispielhaft zwei solcher Spulenkombinationen, G1 und G2, dargestellt. Mit beiden Gradientensystemen können zusätzliche Magnetfelder kontrollierbarer Dauer und Stärke dem Grundfeld überlagert werden. Mit Gradientenverstärkern AX, AY, AZ, A1 und A2, die von einer Sequenzsteuereinheit SEQ zur zeitrichtigen Erzeugung von Gradientenpulsen angesteuert werden, werden die Gradientenspulensätze GX, GY, GZ, G1 und G2 mit elektrischem Strom zur Erzeugung der Zusatzfelder versorgt.
  • Innerhalb des Gradientenfeldsystems befinden sich mehrere Sendeelemente TA1 bis TAn, die in ihrer Gesamtheit auch als Sendeantenneneinrichtung bezeichnet werden. Sie umgeben ein Untersuchungsobjekt O und werden von mehreren unabhängigen HF-Leistungssendern TX1 ... TXn gespeist. Die von diesen HF-Leistungssendern TX1 ... TXn erzeugten HF-Pulse werden von der Sequenzsteuereinheit SEQ bestimmt und zeitrichtig ausgelöst. Mit den Sendeelementen TA1 bis TAn werden HF-Pulse auf das im Untersuchungsvolumen V befindliche Untersuchungsobjekt O eingestrahlt und bewirken dort eine Anregung von Kernseins. Die dadurch hervorgerufenen Magnetresonanzsignale werden mit einer oder mehreren HF-Empfangselementen RA1, ..., RAm in elektrische Spannungssignale umgesetzt, die dann in eine entsprechende Anzahl von Empfangseinheiten RX1, ..., RXm eingespeist werden. Die Empfangselemente RA1, ..., RAm werden in ihrer Gesamtheit auch als Empfangsantenneneinrichtung, bestehend aus m Empfangselementen RA1, ..., RAm, bezeichnet. Sie befinden sich ebenfalls innerhalb der Gradientenspulen GX, GY, GZ und umgeben das Untersuchungsobjekt O. Zur Verringerung des apparativen Aufwandes können die Sende- und Empfangsantenneneinrichtungen auch so ausgelegt und angeschlossen werden, dass ein oder mehrere der Sendeelemente TA1 bis TAn auch zum Empfang der Magnetresonanzsignale genutzt werden. In einem solchen Fall, der in 3 nicht berücksichtigt ist, wird mittels einer bzw. mehrerer von der Sequenzsteuereinheit SEQ kontrollierter elektronischer Sende-Empfangsweichen für eine Umschaltung zwischen Sende- und Empfangsbetrieb gesorgt, d. h. dass während der HF-Sende-Phasen der ausgeführten Pulssequenz diese Antenne(n) mit dem bzw. den entsprechenden HF-Leistungssendern verbunden und von dem bzw. den zugeordneten Empfangskanälen getrennt ist/sind, während für die Empfangsphasen eine Senderabtrennung und eine Empfangskanalverbindung vorgenommen wird. Mit den in 3 dargestellten Empfangseinheiten RX1 bis RXm werden die empfangenen Signale verstärkt, unter Verwendung bekannter Signalverarbeitungsverfahren in digitale Signale gewandelt und an ein elektronisches Rechnersystem COMP weiterleitet. Neben der Rekonstruktion von Bildern und Spektren und abgeleiteter Größen aus den empfangenen Messdaten dient das Steuerrechnersystem COMP dazu, das gesamte MR-Messsystem zu bedienen und die Ausführung der Pulssequenzen durch entsprechende Kommunikation mit der Sequenzsteuereinheit SEQ zu initiieren. Die benutzergeführte oder automatische Ausführung von Programmen zur Justage der Messsystemeigenschaften und/oder zur Erzeugung von Magnetresonanzbildern erfolgt ebenso auf diesem Steuerrechnersystem COMP wie die Darstellung der rekonstruierten Bilder und die Speicherung und Verwaltung der Mess- und Bilddaten und der Steuerprogramme. Für diese Aufgaben ist dieses Rechnersystem mindestens mit einem Prozessor, einem Arbeitsspeicher, einer Computertastatur KB, einem Zeigeinstrument PNTR, z. B. einer Computermaus, einem Bildschirm MON und einer externen digitalen Speichereinheit DSK ausgerüstet.
  • Anhand der 4 bis 7 wird im Folgenden ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel erläutert. Hierbei handelt es sich um die Aufnahme eines zweidimensionalen Bildes der Magnetresonanzsignale einer dünnen Schicht eines Untersuchungsobjekts. Dabei erfolgt die zweidimensionale Ortskodierung innerhalb dieser Schicht durch Anregung mit zweidimensionalen HF-Pulsen und anschließender Phasen- und Frequenzkodierung mittels lokaler Gradienten und die Schichtselektion mittels Refokussierungspulsen unter Einwirkung eines zu dieser Schicht orthogonalen globalen Gradienten.
  • 4 zeigt zunächst den Feldverlauf des für dieses Beispiel verwendeten lokalen Gradientensystems und die dadurch vorgegebenen MSEM-Regionen. Dabei handelt es sich um das in [5] beschriebene oktogonale Gradientensystem, mit welchem zwei Ausprägungen eines 4-poligen Magnetfeldes erzeugt werden können. In 4a sind die Isofeldlinien der zur Phasenkodierung verwendeten Ausprägung, in 4b die der zur Frequenzkodierung verwendeten Ausprägung schematisch dargestellt. Beide Felder fallen betragsmäßig zum Zentrum hin ab, wo ein flacher Feldverlauf mit schlechten Ortkodiereigenschaften vorliegt. Die Höhenlinie für positive Werte der Feldkomponenten Bz sind durchgezogen, die für negative Werte gepunktet dargestellt. In 4c sind diese Bz-Höhenlinien beider Ausprägungen überlagert dargestellt und die daraus resultierenden 4 MSEM-Regionen gekennzeichnet, die jeweils einem Quadranten im Querschnitt des Untersuchungsvolumens entsprechen. Diese Regionen sind zur Illustration des weiteren Vorgehens nochmals in 5 zusammen mit dem Gradientenrohr der lokalen Gradienten und 4 Sendeantennen, mit denen die HF-Pulse eingestrahlt werden, schematisch skizziert. Ansonsten entspricht die Messapparatur der in 3 beschriebenen Anordnung.
  • Zur Planung der Messung wird zunächst ein Pilotbild eines Schnittes durch das Untersuchungsobjekt mit einer konventionellen Magnetresonanz-Bildgebungstechnik aufgenommen. Anhand dieses Pilotbildes wird ein Anregungsgebiet FOX (field of excitation) gewählt, welches das gesamte Untersuchungsobjekt O abdeckt, wie in 5 eingezeichnet. Dem Anregungsgebiet FOX wird ein orthogonales Auflösungsraster mit 8 × 8 quadratischen Auflösungsraster-Zellen flächendeckend überlagert, siehe 5. Dieses Auflösungsraster entspricht den Zellen des Anregungsmusters der transversalen Magnetisierung, d. h. es legt die räumliche Auflösung fest, mit der dieses Anregungsmusters realisiert werden soll. Innerhalb des Anregungsgebiets FOX wird nun ein Abbildungsgebiet definiert, welches durch das Experiment abgebildet werden soll. Das Abbildungsgebiet ist ein Teilgebiet des Anregungsgebiets FOX und wird in diesem Ausführungsbeispiel durch die in 5 schraffiert eingezeichneten Felder des Auflösungsrasters vorgegeben. In diesem Beispiel sollen vornehmlich die oberflächennahen Bereiche des Objektes O untersucht werden. Daher werden die zentralen Bereiche des Objektes nicht in das Abbildungsgebiet einbezogen. Dadurch werden einerseits bzgl. des Ortskodierschemas P Phasenkodierschritte eingespart und andererseits wird die Messung auf die Bereiche mit starken lokalen Gradienten eingeschränkt.
  • Da ein zweidimensionaler HF-Puls zur MSEM-Kodierung verwendet werden soll, wird bei der Planung des Experiments eine dem Problem angepasste k-Raum-Trajektorie gewählt. Für diesen zweidimensionalen Fall eignet sich eine spiralförmige k-Raum-Trajektorie, wie in 6 schematisch dargestellt, die beim Experiment durch entsprechendes Schalten von globalen Gradientenpulsen von außen nach innen durchlaufen wird.
  • Im folgenden Definitionsschritt wird das Phasenkodierschema A für die Ortskodierung während der Anregung festgelegt. Von den innerhalb des Abbildungsgebietes befindlichen Auflösungsraster-Zellen des Auflösungsrasters werden im vorliegenden Beispiel jeweils alle in derselben MSEM-Region befindlichen Zellen zu einer sog. Kodierzelle zusammengefasst, wobei alle Auflösungsraster-Zellen einer Kodierzelle bei der Anregungskodierung A in jedem Phasenkodierschritt jeweils dieselbe Phasenkodierung erhalten. Für diese Kodierzellen wird ein eindimensionales Phasenkodierschema mit 4 Phasenkodierschritten festgelegt, welches später eine MSEM-Regionszuordnung mittels einer eindimensionalen Fourier-Transformation erlaubt. Für jeden Phasenkodierschritt ist ein komplexes Anregungsmuster zu definieren, d. h. für jede der 8 × 8 Auflösungsraster-Zellen sind Amplitude und Phase vorzugeben. Alle Auflösungsraster-Zellen außerhalb des Abbildungsgebiets, d. h. die nicht schraffierten Felder in 5, erhalten einen Amplitudenwert von 0 für alle Phasenkodierschritte, während alle im Abbildungsgebiet befindlichen Auflösungsraster-Zellen, d. h. die schraffierten Felder in 5, dieselbe und für alle Phasenkodierschritte identische Amplitude erhalten, die aus dem für den Anregungspuls gewünschten Flipwinkel nach bekannten Verfahren berechnet wird [7]. Die der k-ten Kodierzelle zugeordneten Auflö sungsraster-Zellen erhalten für den i-ten (von I) Phasenkodierschritten folgenden Phasenwert: φki = 2π·(k·iI )wobei k = 0, ...,(I-1) und i = 0, ...,(I-1). I bezeichnet die Anzahl der Phasenkodierschritte, mit I = 4 im beschriebenen Ausführungsbeispiel.
  • Zur Vorbereitung des Experiments werden die zu applizierenden Gradienten- und HF-Pulse berechnet. Die Bestimmung der Gradientenpulse erfolgt nach bekannten Verfahren, wie z. B. in Abschnitt 17.6 in [7] beschrieben ist. 5 zeigt das Untersuchungsobjekt O, welches von einer Sendeantenneneinrichtung mit vier Sendeelementen TA1, TA2, TA3, TA4 und einem Gradientensystem G umgeben ist. Für jeden Phasenkodierschritt wird aus dem entsprechenden Anregungsmuster für jeden der vier Sendekanäle eine komplexe HF-Pulswellenform berechnet. Dabei wird die Methode von Yip [22] bzw. von Grissom [23] angewandt. D. h. durch Lösung einer Matrixgleichung, die die Anregungspulse mit dem Anregungsmuster über eine Übergangsmatrix verbindet, welche u. a. von den ermittelten Sendeprofilen der Sendeelemente TA1, TA2, TA3, TA4 und der gewählte k-Raum-Trajektorie abhängt, werden die Amplituden- und Phasenverläufe der vier simultan zu applizierenden HF-Pulswellenformen berechnet.
  • Beim Ausführen des Experiments wird gemäß dem in 1 beschriebene Verlaufsschema eine Folge von 4 Phasenkodierschritten für die Anregungskodierung ausgeführt. Wie in der Messsequenzdarstellung in 7 beschrieben, erfolgt nach Einstrahlung der für den jeweiligen Phasenkodierschritt berechneten HF-Pulswellenformen des HF-Pulses HFA über die vier Sendeelemente TA1, TA2, TA3 und TA4 bei simultaner Wirkung globaler Gradientenpulse Ggx, Ggy, die die vorgegebene k-Raum-Trajektorie realisieren, mit einer zeitlichen Verzögerung TE/2 eine schichtselektive Refokussierung mittels eines 180° HF-Pulses HFR während der Wirkung eines globalen Schichtselektionsgradienten Ggz, der orthogonal zu den Gradientenpulsen Ggx, Ggy des zweidimensionalen HF-Pulses angelegt wird. Danach erfolgt eine Phasenkodierung mittels des lokalen Phasengradienten GI2 und anschließend, nach einer zeitlichen Verzögerung TE nach dem Ende des Anregungspulses, wird ein Echosignal E unter Anlegen des lokalen Lesegradienten GI1 ausgelesen.
  • Bei der Ausführung des Experiments werden für jeden Kodierschritt des Kodierschemas P jeweils 4 Datensätze aufgenommen, die den 4 Phasenkodierschritten des Phasenkodierschemas A entsprechen. Für jedes 4-Tupel jeweils korrespondierender komplexer Datenpunkte innerhalb dieser Datensätze wird eine eindimensionale diskrete Fouriertransformation vorgenommen und es werden damit jeweils 4 neue Datensätze komplexer Datenpunkte generiert. Die Daten eines solchen rekonstruierten Datensatzes beschreiben nun den Anteil der gemessenen 4 Magnetresonanzsignale, der genau einer der 4 MSEM-Regionen zugeordnet werden kann. Führt man eine derartige Rekonstruktion für alle aufgenommen Daten durch, erhält man 4 vollständige Bild-Rohdatensätze, aus denen dem verwendeten Kodierschema P entsprechend nach bekannten Methoden für jede MSEM-Region genau ein Bild der aufgenommenen Magnetresonanzsignale berechnet wird. In dem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine konventionelle Spin-Echo Aufnahme mit einer Phasenkodierung in der ersten Dimension und einer Frequenzkodierung in der zweiten Dimension, für die mit einer zweidimensionalen Fouriertransformation eine räumliche Verteilung der Magnetresonanzsignale berechnet wird. Den Besonderheiten der gekrümmten Feldlinien und der nichtlinearen Kodierfelder des eingesetzten lokalen Gradientensystems ist bei der Rekonstruktion der Bilder Rechnung zu tragen, um die erforderliche Abbildungstreue zu erzielen [3–5]. Zur Visualisierung des Ergebnisses wird eine integrierte Darstellung der MSEM-Einzelbilder erzeugt, indem der bekannte relative geometrische Bezug der MSEM-Regionen ausgewertet wird.
  • Zusammenfassend umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Verteilung von Magnetresonanz(MR)signalen aus einem Abbildungsgebiet innerhalb von MSEM-Regionen eines lokalen Gradientensystems, wobei in einem Vorbereitungsschritt ein Ortskodierschema festgelegt wird; in einem Ausführungsschritt wiederholt Kernseins mit HF-Pulsen angeregt, danach gemäß dem Ortskodierschema ortskodiert werden, dabei in mindestens einer Dimension mittels des lokalen Gradientensystems, und MR-Signale aufgenommen werden; aus denen deren räumliche Verteilung berechnet, dargestellt und/oder gespeichert werden, wobei im Vorbereitungsschritt ein Phasenkodierschema mit I Phasenkodierschritten festgelegt wird, für jeden Phasenkodierschritt gemäß Phasenkodierschema ein Anregungsmuster der transversalen Magnetisierung definiert wird und zu dessen Realisierung einzustrahlende HF-Pulse berechnet werden, wobei an allen Orten des Abbildungsgebiets innerhalb einer MSEM-Region dieselbe Phase vorgegeben wird, und im Ausführungsschritt jeder Kodierschritt gemäß Ortskodierschema I mal gemäß Phasenkodierschema wiederholt wird, wobei eine Selektion des Abbildungsgebietes, eine Amplitudenmodulation und eine Phasenkodierung während der Anregung der Kernseins mit den berechneten HF-Pulsen erfolgen. Hierdurch wird beim Einsatz von lokalen Gradientensystemen eine eindeutige Bestimmung der räumlichen Verteilung der Magnetresonanzsignale mit einer einfachen HF-Empfangsanordnung realisiert.
    • AX, AY, AZ
    Gradientenverstärker für x-, y-, z-Gradienten
    A1, A2
    Gradientenverstärker für 2 Ausprägungen der lokalen Gradienten
    COMP
    Rechnersystem
    DSK
    digitale Speichereinheit
    FOX
    Anregungsgebiet, Field of Excitation
    GX, GY, GZ
    Gradientenspulensätze für globale x-, y-, z-Gradienten
    G1, G2
    Gradientenspulenkombinationen für 2 Ausprägungen der loka
    len
    Gradienten
    Ggx, Ggy Ggz
    mit GX, GY, GZ, G1 bzw. G2 erzeugte Gradientenfelder bzw.
    GI1, GI2
    Pulse
    HFA
    HF-Anregungspuls
    HFR
    HF-Refokussierungspuls
    KB
    Computertastatur
    M
    Hauptmagnet
    MON
    Bildschirm
    O
    Untersuchungsobjekt
    PNTR
    Zeigeinstrument
    RA1, ..., RAm,
    Empfangselemente
    RX1, ... RXm
    Empfangseinheiten
    SEQ
    Sequenzsteuereinheit
    TA1 ... TAn
    Sendeelemente
    TX1 ... TXn
    HF-Leistungssender
    V
    Untersuchungsvolumen
  • Referenzen
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Claims (28)

  1. Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Verteilung von Magnetresonanzsignalen aus einem vorgegebenen Abbildungsgebiet, welches von N MSEM-Regionen innerhalb eines Untersuchungsvolumens einer Magnetresonanzapparatur vollkommen überdeckt wird, mit N ≥ 1, wobei – in einem Vorbereitungsschritt ein Ortskodierschema P mit M Kodierschritten, M ≥ 1, zur Ortskodierung in L räumlichen Dimensionen innerhalb des Abbildungsgebietes festgelegt wird; – in einem Ausführungsschritt bei jedem Kodierschritt des Ortskodierschemas P • Kernspins innerhalb des Untersuchungsvolumens durch mindestens einen HF-Puls mittels einer HF-Sendeantenneneinrichtung mit mindestens einem Sendeelement angeregt werden, • nach dieser HF-Anregung eine Ortskodierung nach dem Ortskodierschema P mittels zeitlich und räumlich veränderlicher Zusatzmagnetfelder eines globalen und/oder lokalen Gradientensystems erfolgt, wobei die Ortskodierung in mindestens einer räumlichen Dimension mittels des lokalen Gradientensystems erfolgt und jeweils innerhalb jeder der N zueinander disjunkten MSEM-Regionen, nicht jedoch für mehrere MSEM-Regionen und nicht im gesamten Untersuchungsvolumen eindeutig ist, und wobei die durch das globale Gradientensystem erfolgte Ortskodierung bzgl. jeder der damit abzubildenden Dimension im gesamten Untersuchungsvolumen eindeutig ist, und • von den angeregten Kernspins hervorgerufene Magnetresonanzsignale mittels einer HF-Empfangsantenneneinrichtung mit mindestens einem Empfangselement aufgenommen werden, – in einem Rekonstruktionsschritt aus den in allen Kodierschritten gemäß Ortskodierschema P aufgenommenen Magnetresonanzsignalen eine oder mehrere räumliche Verteilungen der Magnetresonanzsignale oder daraus abgeleiteter Größen berechnet werden, und – in einem Darstellungsschritt die Ergebnisse der Rekonstruktion und/oder eine oder mehrere daraus abgeleitete Größen gespeichert und/oder dargestellt werden, dadurch gekennzeichnet, – dass im Vorbereitungsschritt für eine Phasenkodierung der N MSEM-Regionen ein Phasenkodierschema A mit I Phasenkodierschritten festgelegt wird, wobei I ≥ N ≥ 1, für jeden dieser Phasenkodierschritte gemäß Phasenkodierschema A ein räumliches, komplexes Anregungsmuster der transversalen Magnetisierung der Kernseins definiert wird, wobei für eine Amplitudenmoduation die Amplituden innerhalb des Abbildungsgebietes einer vorgegebenen Verteilung entsprechend für jeden Phasenkodierschritt identisch, für eine räumliche Selektion die Amplituden außerhalb des Abbildungsgebiets auf Null und für eine Phasenmodulation die Phasen innerhalb der MSEM-Regionen des Abbildungsgebietes dem festgelegten Phasenkodierschema A gemäß gesetzt werden, wobei an allen Orten innerhalb einer einzelnen MSEM-Region jeweils dieselbe Phase vorgegeben wird, und für jedes definierte komplexe Anregungsmuster der Phasenkodierschritte gemäß Phasenkodierschema A und für jedes Sendeelement der Sendeantenneneinrichtung die Berechnung des zeitlichen Amplituden- und Phasenverlaufs der zur Anregung der Kernseins einzustrahlenden HF-Pulse erfolgt, – dass im Ausführungsschritt jeder Kodierschritt, welcher gemäß Ortskodierschema P ausgeführt wird, I mal gemäß Phasenkodierschema A wiederholt wird, wobei zur der Anregung der Kernseins für jeden Phasenkodierschritt gemäß Phasenkodierschema A der oder die dafür berechneten HF-Pulse appliziert werden, so dass die Selektion des Abbildungsgebietes sowie die Amplitudenmodulation und Phasenkodierung gemäß Phasenkodier schema A innerhalb des Abbildungsgebiets während der Anregung der Kernseins erfolgen, wobei für den Fall eines einzigen Phasenkodierschritts, d. h. I = N = 1, gleichzeitig mit der HF-Pulseinstrahlung auch Gradienten appliziert werden; – dass im Rekonstruktionsschritt die räumliche Verteilung der Magnetresonanzsignale für jede der N MSEM-Regionen getrennt bestimmt wird; und – dass im Darstellungsschritt die Darstellung der Ergebnisse der Rekonstruktion für jede der N MSEM-Regionen getrennt und/oder integriert bezüglich eines gemeinsamen Referenzsystems erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung der Kernseins mittels mindestens zwei Sendeelementen erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Zusatzmagnetfeld des globalen Gradientensystems in jeder der L abzubildenden Dimensionen im gesamten Untersuchungsvolumen eine eindeutige Ortskodierung erfolgt, dass im Vorbereitungsschritt für die Phasenkodierung nach Phasenkodierschema A eine k-Raum-Trajektorie gewählt wird, welche mittels Gradientenpulsen, die mit dem globalen Gradientensystem erzeugt werden, festgelegt wird, und die Berechnung des zeitlichen Amplituden- und Phasenverlaufs des oder der zur Anregung der Kernseins einzustrahlenden HF-Pulse für die gewählte k-Raum-Trajektorie erfolgt, und im Ausführungsschritt der oder die berechneten HF-Pulse während des Durchlaufens der gewählten k-Raum-Trajektorie appliziert werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass genau ein Phasenkodierschritt gemäß Phasenkodierschema A erfolgt, d. h. I = 1.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung der Kernseins mit einem mehrdimensionalen HF-Puls erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung der Kernseins mittels eines einzigen Sendeelements, insbesondere mittels eines Volumenresonators, erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Undersampling der k-Raum-Trajektorie erfolgt, welche bei der Anregung durchlaufen wird.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfang der Magnetresonanzsignale mittels eines einzigen Empfangselements, insbesondere eines Volumenresonators, erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet dass der Empfang der Magnetresonanzsignale mittels mindestens zwei Empfangselementen erfolgt.
  10. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Parallele Bildgebungstechniken eingesetzt werden, insbesondere zur Verkürzung der Messzeit und/oder zur Erhöhung der Ortsauflösung.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete k-Raum-Trajektorie mindestens einen spiralförmigen Teil umfasst, der von außen nach innen oder von innen nach außen durchlaufen wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete k-Raum-Trajektorie mehrere spiralförmige Teile umfasst, die alternierend von außen nach innen und von innen nach außen durchlaufen werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mit Beendigung der Einstrahlung des HF-Pulses die verwendete k-Raum-Trajektorie im Zentrum des k-Raums oder in dessen Nähe endet und/oder die dabei verwendeten Gradientenpulse sehr kleine oder verschwindende Amplituden erreichen.
  14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbildungsgebiet an anatomische, morphologische oder funktionelle Gegebenheiten des Untersuchungsobjekts angepasst wird.
  15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbildungsgebiet auf die für die Messaufgabe unbedingt erforderliche Größe eingeschränkt wird.
  16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbildungsgebiet aufgrund der lokalen Bildgebungseigenschaften des lokalen Gradientensystems angepasst wird, insbesondere auf Bereiche mit besonders hoher Gradientenstärke der Zusatzmagnetfelder eingeschränkt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweidimensionaler HF-Puls zur Anregung verwendet wird und eine räumliche Selektion in der dritten Raumrichtung durch eine schichtselektive Phasenrefokussierung mittels Einwirkung eines globalen Gradienten erfolgt.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweidimensionaler HF-Puls zur Anregung verwendet wird und eine Ortskodierung und/oder eine räumliche Selektion in einer dazu linear unabhängigen Raumrichtung über Frequenzkodierung durch Einwirkung eines globalen Gradienten in dieser Richtung während der Datenaufnahme erfolgt.
  19. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ortskodierung in einer räumlichen Dimension mittels des lokalen Gradientensystems und die Ortskodierung gemäß Ortskodierschema P in zwei davon verschiedenen Raumrichtungen durch das globale Gradientensystem erfolgt.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Ortskodierung in zwei räumlichen Dimensionen mittels des lokalen Gradientensystems und die Ortskodierung in einer davon linear unabhängigen Raumrichtung durch das globale Gradientensystem erfolgt.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Phasenkodierschema A um ein zweidimensionales Kodierschema handelt.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Ortskodierung in drei räumlichen Dimensionen mittels des lokalen Gradientensystems erfolgt.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Phasenkodierschema A um ein zwei- oder dreidimensionales Kodierschema handelt.
  24. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Zuordnung von Magnetresonanzsignalkomponenten zu einer der N MSEM-Regionen unter Zuhilfenahme von Fourier-Transformation oder Hadamard-Transformation oder Wavelet-Transformation durchgeführt wird.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Zuordnung von Magnetresonanzsignalkomponenten zu einer der N MSEM-Regionen mittels einer ein-, zwei- oder dreidimensionalen Fourier-Transformation durchgeführt wird.
  26. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsamplituden innerhalb der Abbildungsregion einer Gleichverteilung entsprechend vorgegeben werden.
  27. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor Ausführung der Phasenkodierschritte das Kernspinsystem durch wiederholtes Durchlaufen des Anregungszyklus des Ausführungsschritts ohne Datenaufnahme oder -verwertung in einen Steady State versetzt wird.
  28. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Phasenkodierschritt Spoiler-Gradienten zur Dephasierung störender residueller transversaler Magnetisierung angewandt werden.
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