DE102011078680B3

DE102011078680B3 - Magnetfeldunempfindliche CEST-Bildgebung

Info

Publication number: DE102011078680B3
Application number: DE201110078680
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Fautz; Dominik Paul
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2031-07-06
Also published as: US20130009640A1; CN102866371A; US9097779B2; CN102866371B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur verbesserten und beschleunigten CEST-Bildgebung in der Magnetresonanztomographie. Dabei werden über mehrere Sendespulen HF-Pulse zur Sättigung der Protonen der darzustellenden Substanz ausgesendet. Die Form dieser HF-Pulse wird dabei über ein Optimierungsverfahren so berechnet, dass eine gewichtete Summe minimiert wird, die mindestens zwei der der folgenden Normen aufweist:
die Norm (240) der Magnetisierung von freien Wasserprotonen in jedem Raumpunkt,
die Norm (250) der Abweichung der Magnetisierung der gebundenen Protonen von einer invertierten Magnetisierung in jedem Raumpunkt, und
die Norm (260) der Magnetisierung von Protonen mit einer gegenüber der vorgegebenen Frequenzverschiebung invertierten Verschiebung in jedem Raumpunkt.
Weiterhin kann auch die Form der HF-Pulse zur anschließenden Anregung der freien Wasserprotonen durch ein entsprechendes Optimierungsverfahren errechnet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechend ausgestaltete Vorrichtung, um die Empfindlichkeit der CEST-Bildgebung bei Magnetresonanztomographie-Systemen gegenüber Inhomogenitäten des Grundfeldes und des HF-Feldes zu reduzieren.
Neben der Verwendung von klinischen Magnetresonanztomographie-Systemen (MRT-Systemen) für morphologische Bildgebung, bei der Kontraste zwischen Geweben auf Basis der magnetischen Eigenschaften von Protonen freier Wassermoleküle erzeugt werden, ist es durch Entwicklung neuer Methoden in den letzten Jahren zunehmend möglich, an klinischen Tomographen auch physiologische Parameter zu bestimmen.
Im Jahre 1990 wurde die Idee vorgestellt, den Chemischen Austausch von Protonen, die labil an bestimmte Moleküle gebunden sind, mit freien Wassermolekülen zu nutzen, um Informationen über die chemische Umgebung dieser bestimmten Moleküle und über diese Moleküle selbst zu erhalten. Dabei können Protonen bestimmter niedrig konzentrierter Moleküle über diesen chemischen Übertrag auf freie Wassermoleküle übertragen werden. Hierdurch kann spezifische Information dieser bestimmten Moleküle auf Basis des Wassersignals räumlich hochaufgelöst dargestellt werden. Dieses Verfahren wird als CEST-Verfahren (Chemical Exchange Saturation Transfer) bezeichnet. Das CEST-Verfahren macht sich insbesondere die Chemische Verschiebung, die Sättigung und den Chemischen Austausch von Protonen zunutze:
Unter Chemischer Verschiebung (chemical shift) versteht man in der NMR-Spektroskopie den Abstand einer Resonanzlinie der Probe (d. h. beispielsweise die Resonanz- bzw. Larmorfrequenz bestimmter Protonen in einem bestimmten Molekül) von der Resonanzlinie eines willkürlich gewählten Standards, der die Chemische Verschiebung 0 zugewiesen wird. Die von der Magnetfeldstärke des verwendeten Spektrometers unabhängige Chemische Verschiebung wird in ppm angegeben. Ursache der Chemischen Verschiebung ist die magnetische Suszeptibilität der Elektronen, die den jeweiligen Atomkern umgeben. Diese führt zu einer teilweisen Abschirmung des externen Magnetfeldes durch die Elektronen. Ist das Atom Teil eines Moleküls, so wird die Elektronendichte und damit die Abschirmwirkung durch die Nachbaratome beeinflusst. Daher sind auch die Spektrallinien der Protonen in den bestimmten Molekülen von der Spektrallinie von Wasserprotonen um eine gewisse Frequenz verschoben. Diese Verschiebung liegt meist im Bereich zwischen 1 ppm und 50 ppm. Daher können beispielsweise durch eine selektive Anregung durch ein schmalbandiges HF-Feld gezielt nur die ausgewählten Protonen des bestimmten Moleküls, nicht aber die des Wassers angeregt werden.
Unter Sättigung versteht man in der NMR-Bildgebung die Möglichkeit, bestimmte Kerne über HF-Pulse entsprechender Frequenz (Sättigungspuls) so anzuregen, dass sich eine maximale Anzahl von Spins des jeweilige Kern-Spin-Systems im angeregten Zustand befindet. Dies kann beispielsweise über eine genügend lange Einstrahlung der anregenden Hochfrequenz auf ein bestimmtes Spinsystem erfolgen. Hierdurch nähern sich die Besetzungen der Zustände einem Gleichgewicht an, bei dem die Zahl der Spins im angeregten Zustand gleich der im Grundzustand ist. Dieses Verschwinden des Besetzungszahlunterschiedes wird als Sättigung bezeichnet und führt dazu, dass bei einer nachfolgenden Hochfrequenz-Anregung kein NMR-Signal mehr detektiert werden kann.
Als Chemischen Austausch (CE für Chemical Exchange) bezeichnet man alle Prozesse, in denen ein isolierter Kernspin zwischen zwei chemischen Umgebungen ausgetauscht wird, wodurch seine NMR-Parameter (z. B. Chemische Verschiebung, Relaxationszeiten etc.) verändert werden. Dieser Chemische Austausch findet beispielsweise durch Austausch von Protonen zwischen freien Wassermolekülen und den Protonen von darin gelösten Stoffen statt. Die Austauschraten solcher Protonen liegen in der Größenordnung von 10 Hz und 1000 Hz. Entsprechend dieser Austauschraten kann auch eine Bindungszeit (Austauschzeit) von 1 ms bis 100 ms definiert werden. Die Geschwindigkeit des Austausches wird insbesondere durch den pH-Wert der chemischen Umgebung sowie deren Temperatur beeinflusst.
CEST kann durch Nutzung dieser Effekte bei der Magnetresonanztomographie unterschiedliche Signale von Protonen verschiedener Moleküle auflösen. Hierfür wird ein bestimmtes Protonensignal (von Protonen des zu untersuchenden Moleküls, also der CEST-Substanz) selektiv so angeregt, dass deren Magnetisierung sättigt. Bedingt durch den freien Chemischen Austausch der gesättigten Protonen dieses Moleküls mit den umgebenden Wasserprotonen wird das Kernresonanzsignal von den Protonen der unmittelbaren umgebenden Wassermoleküle abgeschwächt. MRT-Bilder, welche mit und ohne entsprechende Sättigungspulse aufgenommen werden, zeigen daher die räumliche Verteilung der entsprechenden CEST-Substanzen. Bei diesen CEST-Substanzen handelt es sich oft um Verbindungen, welche sich mit den üblichen Verfahren der NMR-Bildgebung nicht darstellen lassen, weil beispielsweise ihre zugehörigen T2-Zeiten zu klein sind oder die Konzentration der Subtanzen so gering ist, dass ein erzeugten Resonanzsignal zu schwach für eine Bildgebung ist. Für die CEST-Bildgebung sollte die Geschwindigkeit des Chemische Austausches in einem bestimmten Bereich liegen, so dass sie einerseits schnell genug erfolgt um das Wassersignal zu sättigen, andererseits sollte sie so langsam erfolgen, dass eine ausreichende Differenz der Chemischen Verschiebung zwischen den ausgetauschten Protonen und den Wasser-Protonen entsteht. Die Größe des CEST-Effektes hängt daher sowohl von der Austauschrate als auch von der Anzahl der austauschbaren Protonen ab. Da die Rate des Chemischen Austausches vom pH-Wert abhängig ist, kann mit CEST eine pH-gewichtete Bildgebung durchgeführt werden.
Dargestellt wird mit dem CEST-Verfahren die Verteilung der durch den Chemischen Austausch erzeugten gesättigten freien Wasserprotonen. Diese Wasserprotonen erzeugen nahezu kein Resonanzsignal (Abschwächung) im Gegensatz zu ungesättigten Wasserprotonen, wenn mit HF-Pulsen mit der Frequenz der Wasserprotonen angeregt wird. Insbesondere kann eine bildliche Darstellung der Verteilung der CEST-Substanzen durch Vergleich zweier Aufnahmen gewonnen werden. Bei der ersten Aufnahme wird die Abschwächung des Signals der Wasserprotonen gemessen, wie oben beschrieben, während bei der zweiten Aufnahme eine Signalverteilung ohne vorherige Sättigung aufgenommen wird. Als Anregungsfrequenz für die zweite Aufnahme kann dabei entweder die Resonanzfrequenz der freien Wasserprotonen gewählt werden oder es wird mit einer Frequenz angeregt, die gegenüber der Wasserfrequenz um den negativen Wert der Chemischen Verschiebung verschoben ist.
Der auf CEST basierende Kontrastmechanismus hat prinzipiell das Potential, vitale Funktionen wie beispielsweise Stoffwechsel-Prozesse darzustellen oder den pH-Wert von Gewebe in vivo zu messen. Die Kontrastverstärkung kann dabei Werte von 10² bis 10⁶ relativ zu den natürlichen Vorkommen der interessierenden Moleküle erreichen.
Allerdings ist die CEST-Bildgebung aufgrund der sehr schmalbandigen Sättigungs-Anregung äußerst empfindlich auf räumliche Variation des magnetischen Grundfeldes (B₀-Feld), da sich eine räumliche Abweichung des magnetischen Feldes direkt als eine Abweichung der jeweiligen Resonanzfrequenz auswirkt.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Quantifizierung des Sättigungseffektes ein räumlich konstantes HF-Feld (B₁-Feld) voraussetzt, damit die Verkippung des Spins der anzuregenden Protonen (Sättigungs-Flipwinkel) über das betreffende Volumen konstant ist.
Nach dem Stand der Technik werden daher folgende Maßnahmen getroffen um mögliche Störungen der Bildqualität der CEST-Bildgebung durch ungleichmäßige Verteilung der magnetischen Felder zu reduzieren:

– Verbesserung der räumlichen Homogenität durch optimierten B₀-Shim. Für das Shimming werden entweder spezielle Eisenbleche in der Bohrung des Magnet-Resonanz-Tomographen platziert oder besonders geformte zusätzliche Spulen im MR-Tomographen so angesteuert, dass Feldinhomogenitäten des Grundfeldes weitgehend unterdrückt werden.
– Aufnahme eines Sättigungsspektrums. Dabei wird eine Serie von Messungen mit unterschiedlichen Frequenzen der Sättigungspulse durchgeführt. Aus dem Sättigungsspektrum wird dann diejenige Messung extrahiert, bei der die Sättigungsfrequenz genau dem Wert entspricht, der sich aus der Summe der Chemischen Resonanzverschiebung und der Verschiebung durch die räumliche lokale Variation des B₀-Feldes ergibt. Die für einen bestimmten Raumpunkt optimale Sättigungsfrequenz kann aus einer zusätzlich aufgenommenen B₀-Feldkarte (d. h. einer Kartierung welche die räumliche Feldverteilung des magnetischen Grundfeldes darstellt, auch als B₀ field map bezeichnet) bestimmt werden.
– Weiterhin kann sich das Sättigungsspektrum (d. h. die Frequenzverteilung des Sättigungspulses) mit dem Spektrum der Anregung spektral überlappen. Hierdurch entsteht die Möglichkeit einer Falschberechnung des CEST-Effektes. Dies kann vermieden werden, wenn das Sättigungsspektrum symmetrisch um das Protonen-Anregungsspektrum aufgenommen wird, d. h. mit einer Frequenzverschiebung, die um den negativen Wert der Chemischen Verschiebung gegenüber der Wasserfrequenz verschoben ist. Hierdurch subtrahieren sich Effekte zu Null, die aufgrund direkter Sättigung der Wasserstoffprotonen während der CEST-Präparation entstehen, wenn man die Differenz von positivem und negativem Sättigungsspektrum ermittelt.

Allerdings macht die Notwendigkeit einer Aufnahme des Sättigungsspektrums die bisherige CEST-Methode sehr ineffizient, da pro Raumpunkt nur wenige (Frequenz-)Punkte ausgewertet werden, die zur Signal-zu-Rausch-Gewinnung beitragen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte und beschleunigte CEST-Bildgebung auch bei räumlichen Variationen des B₀- und oder des B₁-Feldes zu ermöglichen. Weiterhin sollen durch die vorliegende Erfindung innerhalb der Austauschzeiten der betreffenden Protonen hohe Flipwinkel erreicht werden, ohne dabei an systembedingte Leistungsgrenzen zu stoßen oder zulässige spezifische Absoprtionsraten (SAR) im Körpergewebe zu überschreiten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur magnetfeld-unempfindlichen CEST-Bildgebung in der Magnetresonanztomographie nach Anspruch 1 und durch eine Magnetresonanzanlage zur Erstellung magnetfeld-unempfindlicher CEST-Bilder gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur magnetfeld-unempfindlichen CEST-Bildgebung in der Magnetresonanztomographie, bei der eine Vielzahl von Sendespulen zur Detektion von MR-Signalen von gebundenen Protonen einer Substanz jeweils mindestens einen HF-Puls zur Sättigung und mindestens einen HF-Puls zur Anregung abgeben, bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

1. Darstellung einer durch HF-Pulse von den Sendespulen erzeugten Magnetisierung in jedem Raumpunkt als eine Funktion der räumlichen Verteilung eines Grundfeldes, der räumlichen Verteilung des von den Sendespulen erzeugten HF-Feldes, des zeitlichen Verlaufes eines Feldgradienten während der Anregung, der zeitlichen Hüllfunktion eines HF-Pulses und einer vorgegebenen Frequenzverschiebung.
2. Bestimmung der Form des mindestens einen HF-Pulses zur Sättigung für jede der Sendespulen über eine Lösung eines Minimierungsproblems, bei dem eine gewichtete Summe minimiert wird, die zumindest zwei der folgenden drei Normen aufweist: der Norm der Magnetisierung von freien Wasserprotonen in jedem Raumpunkt, der Norm der Abweichung der Magnetisierung der gebundenen Protonen von einer invertierten Magnetisierung in jedem Raumpunkt, und der Norm der Magnetisierung von Protonen mit einer gegenüber der vorgegebenen Frequenzverschiebung invertierten Verschiebung in jedem Raumpunkt. Mit Norm ist dabei die mathematische Definition des Begriffes gemeint, bei der die einzelnen Magnetisierungswerte entsprechend potenziert werden. Beispielsweise errechnet sich für eine Potenzierung mit dem Faktor 1 die Betragssummennorm als Summe der Beträge der Einzelwerte. Entsprechend ergibt sich für eine Potenzierung mit dem Faktor 2 die Euklidische Norm, welche sich über die Quadratwurzel aus der Summe der jeweils quadrierten Einzelwerte errechnet. Die vorgegebene Frequenzverschiebung ist dabei vorzugsweise die Chemische Verschiebung der Protonen der Substanz gegenüber der Resonanzfrequenz der freien Wasserprotonen. Sowohl die räumliche Verteilung des magnetischen Grundfeldes als auch die räumliche Verteilung des von den Sendespulen erzeugten HF-Feldes kann vorzugsweise über eine Aufnahme einer B₀-Karte bzw. einer B₁-Karte bestimmt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Sättigung der Magnetisierung (d. h. der MR-Signale) bei zwei Frequenzen erfolgen, wobei die erste Frequenz, gegenüber der Resonanzfrequenz von freien Wasserprotonen um die vorgegebene Frequenzverschiebung verschoben ist und die zweite Frequenz gegenüber der Resonanzfrequenz von freien Wasserprotonen entgegen der vorgegebenen Frequenzverschiebung verschoben ist.
3. Zusätzlich kann auch die Form des mindestens einen HF-Pulses zur Anregung für jede der Sendespulen über eine Lösung eines Minimierungsproblems bestimmt werden, bei dem eine gewichtete Summe minimiert wird, die zumindest zwei der folgenden drei Normen aufweist: der Norm der Abweichung der erzeugten Magnetisierung von einer idealen Magnetisierung der freien Wasserprotonen in jedem Raumpunkt, der Norm für die Magnetisierung der gebundenen Protonen in jedem Raumpunkt, und der Norm für die Magnetisierung von Protonen, deren Resonanzfrequenz um den negativen Wert gegenüber der vorgegebenen Frequenzverschiebung verschoben ist.

In einer weiteren Ausführungsform können sowohl die HF-Pulse zur Sättigung als auch die HF-Pulse zur Anregung jeweils in eine Abfolge mehrer Subpulse unterteilt werden, wobei jeder der Subpulse zu einem definierten Zeitpunkt appliziert wird, so dass bei der Bestimmung der Form des HF-Pulses von einer festgelegten Frequenz ausgegangen werden kann.
Weiterhin kann das Sättigungsverhalten für die Chemische Verschiebung für beide Frequenzverschiebungen, der vorgegebenen Frequenzverschiebung und einer zur vorgegebenen Frequenzverschiebung invertierten Verschiebung berechnet und zur Korrektur eines CEST-Effektes verwendet werden.
Die auszusendenden Sättigungs- und Anregungspulse werden daher zunächst durch ein Rechenverfahren ermittelt. Dabei werden die Verteilung des Grundfeldes (B₀-Feld) und die Verteilungen der von den einzelnen Sendespulen erzeugten HF-Feldes (B₁-Feld) zu Grunde gelegt, die beispielsweise durch eine vorher durchgeführte Aufnahme von B₁- und B₀-Karten ermittelt werden kann. Damit kann eine erzeugte Magnetisierung in jedem Raumpunkt dargestellt werden, als Funktion der B₁- und B₀-Karten, des zeitlichen Gradientenverlaufes während der Anregung, des zeitlichen Verlaufes der Hüllfunktion des anregenden HF-Pulses und einer vorgegebenen Frequenzverschiebung, wobei sich die vorgegebene Frequenzverschiebung aus der Chemischen Verschiebung ergibt. Die Berechnung der Magnetisierung kann beispielsweise mit Hilfe der nicht-linearen Blochgleichungen erfolgen oder aber durch eine lineare Näherung.
Das Rechenverfahren zur Ermittlung optimaler Sättigungspulse wird dabei als Minimierungsproblem formuliert und kann beispielsweise mit Hilfe von iterativen Näherungsverfahren gelöst werden. Dabei müssen drei gemittelte Werte der Magnetisierung berücksichtigt werden:

1. Für freie Wasserprotonen (deren Verteilung der lokalen Larmorfrequenz sich aus der B₀-Karte ergibt) soll die erzeugte Magnetisierung in jedem Raumpunkt möglichst klein sein. Da sich diese erzeugte Magnetisierung über eine Mittelung vieler Einzel-Magnetisierungen ergibt, sollte hierbei die Norm der Magnetisierung minimal sein.
2. Für die gebundenen Protonen, d. h. die Protonen der CEST-Substanz (deren Larmorfrequenz mit einer entsprechenden Chemischen Verschiebung Delta relativ zu den freien Wasserprotonen verschoben ist), soll die Magnetisierung invertiert werden. Daher soll die Norm der Abweichung der erzeugten Magnetisierung von einer invertierten Magnetisierung (unter Berücksichtigung der B₀-Karte) minimal sein.
3. Ebenso soll die Sättigung von Protonen optimiert werden, deren Resonanzfrequenz gegenüber der Resonanzfrequenz freier Wasserprotonen um -Delta verschoben ist (d. h. deren Resonanzfrequenz um den negativen Wert der Chemischen Verschiebung gegenüber der Wasserfrequenz verschoben ist).

Das iterative Näherungsverfahren errechnet dabei die Pulse so, dass entweder die Summe aller drei beschriebenen Normen oder von zwei ausgewählten der drei beschriebenen Normen unter Berücksichtigung der Feldverteilung minimiert wird.
Analog zur Ermittlung der optimalen Sättigungspulse wird auch ein iteratives Verfahren zur Ermittlung optimaler Anregungspulse als Minimierungsproblem formuliert. Allerdings sollen hier die freien Wasserprotonen optimal angeregt werden, so dass die Norm der Abweichung der erzeugten Magnetisierung von einer idealen Magnetisierung gebildet wird. Weiterhin werden die Normen für die Magnetisierung der gebundenen Protonen und für die Magnetisierung von Protonen, deren Resonanzfrequenz um den negativen Wert der Chemischen Verschiebung gegenüber der Wasserfrequenz verschoben ist, gebildet.
Auch hier werden über das iterative Näherungsverfahren Pulse so berechnet, dass entweder die Summe aller drei beschriebenen Normen oder von zwei ausgewählten der drei beschriebenen Normen minimiert wird.
Zur Erfassung der für die Bildgebung relevanten Daten werden über mehrere Sendespulen innerhalb des Tomographen die Spins der gebundenen Protonen, d. h. der Protonen der zu untersuchenden Substanz, mit Hilfe der optimierten Pulse gesättigt. Dabei geben die einzelnen Sendespulen zeitgleich oder zeitlich versetzt jeweils einen oder mehrere HF-Sättigungspulse ab, wobei die Pulse entsprechend dem Pulsdesignproblem vorher durch die entsprechende Optimierung berechnet wurden. Anschließend werden über die mehreren Sendespulen ein oder mehrere optimierte Anregungspulse erzeugt, um die Wasser-Protonen anzuregen. Dabei geben die einzelnen Sendespulen zeitgleich oder zeitlich versetzt jeweils einen HF-Anregungspuls oder eine Serie einzelner HF-Anregungs-Subpulse ab, wobei die Pulse entsprechend dem Pulsdesignproblem vorher durch die entsprechende Optimierung berechnet wurde.
Vorzugsweise wird für die Bildaufnahme eine Sättigung der Protonen für beide Richtungen der Frequenzverschiebung um den Wert der Chemischen Verschiebung relativ zur Resonanzfrequenz der freien Wasserprotonen durchgeführt.
Aus den gewonnenen Messdaten wird das Sättigungsverhalten für die Chemischen Verschiebungen in beiden Richtungen relativ zur Resonanzfrequenz der freien Wasserprotonen berechnet und gegebenenfalls zur Korrektur des CEST-Effektes verwendet.
Die Schritte zur Darstellung der Magnetisierung und das Rechenverfahren zur Ermittlung optimaler Sättigungs- bzw. Anregungspulse kann alternativ auch über den folgenden Ansatz bestimmt werden, der eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Hierfür geht man davon aus, dass ein HF-Puls (zur Anregung oder zur Sättigung) in eine Abfolge von n Subpulsen P₁, P₂, ... P_n aufgeteilt werden kann, wobei die einzelnen Subpulse zu den jeweiligen Zeitpunkten t₁, t₂, ... t_n appliziert werden. Die Phasenlage der einzelnen Subpulse, welche über die jeweilige Pulsform und den Zeitpunkt der Applikation festgelegt ist, kann so festgelegt werden, dass sie die zeitliche Phasenentwicklung der Magnetisierung der jeweiligen Protonen abbildet (welche auf Grund der lokalen Variationen des Larmorfrequenz räumlich variiert). Damit können räumliche Variationen der Larmorfrequenz mit der Vorgabe einer Zielphase berücksichtigt werden, und die Ermittlung eines optimalen Pulsdesigns reduziert sich auf eine Magnetisierung mit unverschobener Larmorfrequenz. Durch geeignete Wahl des Impulsabstandes kann eine Anregung und eine Nicht-Anregung auf verschiedenen Frequenzen gleichzeitig berücksichtigt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch eine Magnetresonanzanlage zur Erstellung magnetfeld-unempfindlicher CEST-Bilder bereitgestellt. Dabei umfasst diese Magnetresonanzanlage eine Vielzahl von Sendespulen zur Detektion von MR-Signalen von gebundenen Protonen einer Substanz, wobei über die Sendespulen sowohl HF-Pulse zur Sättigung als auch HF-Pulse zur Anregung abgeben werden können. Weiterhin umfasst die Magnetresonanzanlage eine Einheit, welche eine durch HF-Pulse von den Sendespulen erzeugte Magnetisierung in jedem Raumpunkt als eine Funktion der räumlichen Verteilung eines Grundfeldes, der räumlichen Verteilung des von den Sendespulen erzeugten HF-Feldes, des zeitlichen Verlaufes eines Feldgradienten während der Anregung, der zeitlichen Hüllfunktion der HF-Pulse und einer vorgegebenen Frequenzverschiebung bestimmen kann, und eine Recheneinheit, welche die Form der HF-Pulse zur Sättigung für jede der Sendespulen über eine Lösung eines Minimierungsproblems bestimmen kann, bei dem eine gewichtete Summe minimiert wird, die zumindest zwei der folgenden drei Normen aufweist:

die Norm der Magnetisierung von freien Wasserprotonen in jedem Raumpunkt,
die Norm der Abweichung der Magnetisierung der gebundenen Protonen von einer invertierten Magnetisierung in jedem Raumpunkt, und
die Norm der Magnetisierung von Protonen mit einer gegenüber der vorgegebenen Frequenzverschiebung invertierten Verschiebung um diesen Betrag in jedem Raumpunkt.

Die Recheneinheit kann weiterhin so ausgeführt sein, dass sie die Form der HF-Pulse zur Anregung für jede der Sendespulen über eine Lösung eines Minimierungsproblems bestimmen kann, bei dem eine gewichtete Summe minimiert wird, die zumindest zwei der folgenden drei Normen aufweist:

die Norm der Abweichung der erzeugten Magnetisierung von einer idealen Magnetisierung der freien Wasserprotonen in jedem Raumpunkt,
die Norm für die Magnetisierung der gebundenen Protonen in jedem Raumpunkt, und
die Norm für die Magnetisierung von Protonen, deren Resonanzfrequenz um den negativen Wert gegenüber der vorgegebenen Frequenzverschiebung verschoben ist.

Vorzugsweise verfügt die Magnetresonanzanlage über ein System zur Erfassung der räumlichen Verteilung des Grundfeldes und der räumlichen Verteilung des von den Sendespulen erzeugten HF-Feldes als Aufnahme einer B₀-Karte und einer B₁-Karte.
In einer weiteren Ausführungsform können die von der Recheneinheit bestimmten HF-Pulse zur Sättigung wie auch zur Anregung jeweils in eine Abfolge mehrer Subpulse unterteilt sein, wobei jeder der Subpulse zu einem definierten Zeitpunkt appliziert wird, so dass die Recheneinheit bei der Bestimmung der Form der HF-Pulse von einer festgelegten Frequenz ausgehen kann.
Vorzugsweise werden die HF-Pulse zur Sättigung und zur Anregung der MR-Signale von einer geeigneten Sendeeinheit erzeugt, welche MR-Signale mit der von der Recheneinheit bestimmten Form erzeugt und an die Vielzahl von Sendespulen weiterleitet.
Die Frequenz der HF-Pulse zur Anregung der MR-Signale liegt vorzugsweise bei der Frequenz freier Wasserprotonen, während die Frequenz zur Sättigung der MR-Signale vorzugsweise bei einer Frequenz liegt, die gegenüber der Resonanzfrequenz von freien Wasserprotonen um eine Chemische Verschiebung der CEST-Substanz verschoben ist.
Alternativ können die HF-Pulse zur Sättigung von der Sendeeinheit auch bei zwei Frequenzen erzeugt werden, wobei die erste Frequenz gegenüber der Resonanzfrequenz von freien Wasserprotonen um die Chemische Verschiebung der Substanz verschoben ist und die zweite Frequenz gegenüber der Resonanzfrequenz von freien Wasserprotonen um diesen Betrag entgegen der Chemischen Verschiebung der Substanz verschoben ist.
Die vorliegende Erfindung bietet folgende Vorteile:

• Es können unabhängig vom Ort und der lokalen Larmorfrequenz definierte Flipwinkel der betreffenden Protonen-Spins erreicht werden.
• Durch das parallele Senden mit mehreren Sendespulen können innerhalb der Austauschzeiten der betreffenden Protonen hohe Flipwinkel erreicht werden, ohne dabei an systembedingte Leistungsgrenzen zu stoßen oder zulässige spezifische Absoprtionsraten (SAR) im Körpergewebe zu überschreiten.
• Auch durch die Wiederholung von Sättigungspulsen vor der Anregung bzw. die Unterteilung von Sättigungs- und Anregungspuls in mehrere Subpulse erreicht man einerseits hohe Flipwinkel bei andererseits gleichzeitiger Reduktion der erforderlichen Sendeleistung bzw. der SAR-Belastung.
• Die Sättigungspulse werden so berechnet, dass sie symmetrisch bezüglich der Chemischen Verschiebung sind, d. h. ihre Frequenz ist gegenüber der Wasserfrequenz um den negativen Wert der Chemischen Verschiebung verschoben. Wahlweise oder zusätzlich kann ein unsymmetrisches Sättigungsverhalten simuliert und zur Korrektur verwendet werden.
• Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen B₀- und B₁-insensitiven Sättigungspulse wird die Aufnahme eines Sättigungsspektrums überflüssig. Daher genügt es, zwei Punkte des Spektrums aufzunehmen. Hierdurch kann die Messzeit für die CEST-Bildgebung um mindestens eine Größenordnung reduziert werden.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail beschrieben.
In 1 ist schematisch eine an sich bekannte Magnetresonanzanlage dargestellt.
2 stellt ein Flussablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur magnetfeld-unempfindlichen CEST-Bildgebung in der Magnetresonanztomographie dar.
In 3 ist schematisch eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage zur Erstellung magnetfeld-unempfindlicher CEST-Bilder dargestellt.
In 4 sind aus einzelnen Subpulsen bestehende Sättigungspulse, ein Anregungspuls sowie ein Echosignal dargestellt.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Magnetresonanzanlage 5 und einer zentralen Steuereinheit 10, wie sie sowohl für bildgebende Kernresonanztomographie als auch für Magnetresonanzspektroskopie eingesetzt werden kann. Dabei erzeugt ein Grundfeldmagnet 1 ein zeitlich konstantes starkes Magnetfeld B₀ zur Polarisation bzw. Ausrichtung der Kernspins in einem Untersuchungsbereich eines Objekts O, wie z. B. eines zu untersuchenden Teils eines menschlichen Körpers, welcher auf einem Tisch 23 liegend in die Magnetresonanzanlage 5 geschoben wird. Die für die Kernspinresonanzmessung erforderliche hohe Homogenität des Grundmagnetfelds ist in einem Messvolumen M definiert. Zur Unterstützung der Homogenitätsanforderungen und insbesondere zur Eliminierung zeitlich invariabler Einflüsse werden an geeigneter Stelle so genannte Shim-Bleche aus ferromagnetischem Material angebracht. Zeitlich variable Einflüsse werden durch Shim-Spulen 2 eliminiert.
In den Grundfeldmagneten 1 ist ein zylinderförmiges Gradientenspulensystem 3 eingesetzt, welches aus drei Teilwicklungen besteht. Jede Teilwicklung wird von einem Verstärker mit Strom zur Erzeugung eines linearen (auch zeitlich veränderbaren) Gradientenfeldes in die jeweilige Richtung des kartesischen Koordinatensystems versorgt. Die erste Teilwicklung des Gradientenfeldsystems 3 erzeugt dabei einen Gradienten Gx in x-Richtung, die zweite Teilwicklung einen Gradienten Gy in y-Richtung und die dritte Teilwicklung einen Gradienten Gz in z-Richtung. Der Verstärker umfasst einen Digital-Analog-Wandler, welcher von einer Sequenzsteuerung 18 zum zeitrichtigen Erzeugen von Gradientenpulsen angesteuert wird.
Innerhalb des Gradientenfeldsystems 3 befindet sich eine (oder mehrere) Hochfrequenzantennen 4, welche die von einem Hochfrequenzleistungsverstärker abgegebenen Hochfrequenzpulse in ein magnetisches Wechselfeld zur Anregung der Kerne und Ausrichtung der Kernspins des zu untersuchenden Objekts O bzw. des zu untersuchenden Bereiches des Objekts O umsetzen. Jede Hochfrequenzantenne 4 besteht aus einer oder mehreren HF-Sendespulen und einer oder mehreren HF-Empfangsspulen in Form einer ringförmigen vorzugsweise linearen oder matrixförmigen Anordnung von Komponentenspulen. Von den HF-Empfangsspulen der jeweiligen Hochfrequenzantenne 4 wird auch das von den präzedierenden Kernspins ausgehende Wechselfeld, d. h. in der Regel die von einer Pulssequenz aus einem oder mehreren Hochfrequenzpulsen und einem oder mehreren Gradientenpulsen hervorgerufenen Kernspinechosignale, in eine Spannung (ein Messsignal) umgesetzt, welche über einen Verstärker 7 einem Hochfrequenz-Empfangskanal 8 eines Hochfrequenzsystems 22 zugeführt wird. Das Hochfrequenzsystem 22 umfasst weiterhin einen Sendekanal 9, in welchem die Hochfrequenzpulse für die Anregung der magnetischen Kernresonanz erzeugt werden. Dabei werden die jeweiligen Hochfrequenzpulse aufgrund einer vom Anlagerechner 20 vorgegebenen Pulssequenz in der Sequenzsteuerung 18 digital als Folge komplexer Zahlen dargestellt. Diese Zahlenfolge wird als Real- und als Imaginärteil über jeweils einen Eingang 12 einem Digital-Analog-Wandler im Hochfrequenzsystem 22 und von diesem einen Sendekanal 9 zugeführt. Im Sendekanal 9 werden die Pulssequenzen einem Hochfrequenz-Trägersignal aufmoduliert, dessen Basisfrequenz der Resonanzfrequenz der Kernspins im Messvolumen entspricht.
Die Umschaltung von Sende- auf Empfangsbetrieb erfolgt über eine. Sende-/Empfangsweiche 6. Die HF-Sendespulen der Hochfrequenzantenne(n) 4 strahlt/en die Hochfrequenzpulse zur Anregung der Kernspins in das Messvolumen M ein und resultierende Echosignale werden über die HF-Empfangsspule(n) abgetastet. Die entsprechend gewonnenen Kernresonanzsignale werden im Empfangskanal 8' (erster Demodulator) des Hochfrequenzsystems 22 phasenempfindlich auf eine Zwischenfrequenz demoduliert und im Analog-Digital-Wandler (ADC) digitalisiert. Dieses Signal wird noch auf die Frequenz 0 demoduliert. Die Demodulation auf die Frequenz 0 und die Trennung in Real- und Imaginärteil 11 findet nach der Digitalisierung in der digitalen Domäne in einem zweiten Demodulator 8 statt. Durch einen Bildrechner 17 wird aus den dergestalt gewonnenen Messdaten ein MR-Bild rekonstruiert. Die Verwaltung der Messdaten, der Bilddaten und der Steuerprogramme erfolgt über den Anlagenrechner 20. Aufgrund einer Vorgabe mit Steuerprogrammen kontrolliert die Sequenzsteuerung 18 die Erzeugung der jeweils gewünschten Pulssequenzen und das entsprechende Abtasten des k-Raumes. Insbesondere steuert die Sequenzsteuerung 18 dabei das zeitrichtige Schalten der Gradienten, das Aussenden der Hochfrequenzpulse mit definierter Phasenamplitude sowie den Empfang der Kernresonanzsignale. Die Zeitbasis für das Hochfrequenzsystem 22 und die Sequenzsteuerung 18 wird von einem Synthesizer 19 zur Verfügung gestellt. Die Auswahl entsprechender Steuerprogramme zur Erzeugung eines MR-Bildes, welche z. B. auf einer DVD 21 gespeichert sind, sowie die Darstellung des erzeugten MR-Bildes erfolgt über ein Terminal 13, welches eine Tastatur 15, eine Maus 16 und einen Bildschirm 14 umfasst.
2 zeigt ein Flussdiagramm für das erfindungsgemäße Verfahren zur magnetfeld-unempfindlichen CEST-Bildgebung in der. Magnetresonanztomographie. Dabei werden über bei der eine Vielzahl von Sendespulen jeweils mindestens ein HF-Puls zur Sättigung der MR-Signale von gebundenen Protonen einer Substanz (Protonen der CEST-Substanz) und mindestens ein HF-Puls zur Anregung der MR-Signale von freien Wasserprotonen abgeben, um MR-Signale zur Darstellung der Verteilung der CEST-Substanz zu erhalten.
Dabei wird eine durch HF-Pulse von den Sendespulen erzeugte Magnetisierung in jedem Raumpunkt als eine Funktion einer räumlichen Verteilung eines Grundfeldes, der räumlichen Verteilung des von den Sendespulen erzeugten HF-Feldes, des zeitlichen Verlaufes eines Feldgradienten während der Anregung, der zeitlichen Hüllfunktion eines HF-Pulses und einer vorgegebenen Frequenzverschiebung dargestellt (210).
Durch eine entsprechende Berechnung wird die optimale Form des mindestens eines HF-Pulses zur Sättigung der MR-Signale für jede der Sendespulen ermittelt. Dabei wird die Lösung eines Minimierungsproblems bestimmt, bei dem eine gewichtete Summe minimiert wird (220), die zumindest zwei der folgenden drei Normen aufweist:

die Norm (240) der Magnetisierung von freien Wasserprotonen in jedem Raumpunkt,
die Norm (250) der Abweichung der Magnetisierung der gebundenen Protonen von einer invertierten Magnetisierung in jedem Raumpunkt, und
die Norm (260) der Magnetisierung von Protonen mit einer gegenüber der vorgegebenen Frequenzverschiebung invertierten Verschiebung um diesen Betrag in jedem Raumpunkt.

Aus der Lösung des Minimierungsproblems kann direkt der optimierte HF-Puls zur Sättigung ermittelt werden (230).
Zusätzlich kann auch die Form des mindestens eines HF-Pulses zur Anregung der MR-Signale für jede der Sendespulen ermittelt werden. Dabei wird die Lösung Minimierungsproblems bestimmt, bei dem eine gewichtete Summe minimiert wird (225), die zumindest zwei der folgenden drei Normen aufweist:

die Norm (245) der Abweichung der erzeugten Magnetisierung von einer idealen Magnetisierung der freien Wasserprotonen in jedem Raumpunkt,
die Norm (255) für die Magnetisierung der gebundenen Protonen in jedem Raumpunkt, und
die Norm (265) für die Magnetisierung von Protonen, deren Resonanzfrequenz um den negativen Wert gegenüber der vorgegebenen Frequenzverschiebung verschoben ist.

Aus der Lösung des Minimierungsproblems kann direkt der optimierte HF-Puls zur Anregung ermittelt werden (235).
3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzanlage 300, wie sie zur Erstellung magnetfeld-unempfindlicher CEST-Bilder verwendet werden kann. Die Sättigung der Magnetisierung der Protonen (d. h. der MR-Signale) der zu untersuchenden CEST-Substanz, sowie die Anregung der Magnetisierung der freien Wasserprotonen (d. h. ihrer MR-Signale) erfolgt dabei durch entsprechende HF-Pulse, welche von den Sendespulen 350 abgegeben werden.
Die Einheit 320 stellt dabei die durch von den Sendespulen 350 abgegebene HF-Pulse erzeugte Magnetisierung in jedem Raumpunkt als eine Funktion einer räumlichen Verteilung eines Grundfeldes, der räumlichen Verteilung des von den Sendespulen 350 erzeugten HF-Feldes, des zeitlichen Verlaufes eines Feldgradienten während der Anregung, der zeitlichen Hüllfunktion der HF-Pulse und einer vorgegebenen Frequenzverschiebung dar.
Dabei wird die räumliche Verteilung des Grundfeldes B₀ des Spulensystems 310 vorzugsweise über die Aufnahme einer B₀-Karte 370 ausgewertet und die räumliche Verteilung des von den Sendespulen 350 erzeugten HF-Feldes B₁ vorzugsweise über die Aufnahme einer B₁-Karte 380 ausgewertet. Die Erfassung des Grundfeldes B₀ und des HF-Feldes B₁ in Form einer B₀-Karte 370 und einer B₁-Karte 380 kann dabei beispielsweise über ein hierfür vorgesehenes System 360 zur Erfassung dieser Felder erfolgen. Alternativ kann die Erfassung der Felder und die Erstellung der B₀-Karte 370 und der B₁-Karte 380 auch von einem System erfasst worden sein, welches unabhängig von der Magnetresonanzanlage 300 arbeitet.
Die Recheneinheit 330 bestimmt durch ein mathematisches Optimierungsverfahren die unter Berücksichtigung der von der Einheit 320 dargestellten Magnetisierung, die Form der HF-Pulse zur Sättigung der MR-Signale von gebundenen Protonen, welche in der CEST-Substanz enthalten sind. Dabei wird für jede der Sendespulen eine Lösung eines Minimierungsproblems bestimmt, bei dem eine gewichtete Summe minimiert wird, die zumindest zwei der folgenden drei Normen aufweist:

die Norm 240 der Magnetisierung von freien Wasserprotonen in jedem Raumpunkt,
die Norm 250 der Abweichung der Magnetisierung der gebundenen Protonen von einer invertierten Magnetisierung in jedem Raumpunkt, und
die Norm 260 der Magnetisierung von Protonen mit einer gegenüber der vorgegebenen Frequenzverschiebung invertierten Verschiebung um diesen Betrag in jedem Raumpunkt.

Weiterhin kann die Recheneinheit 330 auch unter Berücksichtigung der von der Einheit 320 dargestellten Magnetisierung, zur Bestimmung der Form von HF-Pulsen zur Anregung der MR-Signale für freie Wasser-Protonen verwendet werden. Diese Protonen haben auf Grund der Chemischen Verschiebung eine Resonanzfrequenz, welche bezüglich der Resonanzfrequenz freier Wasserprotonen um eine vorgegebene Frequenzverschiebung verschoben ist. Dabei wird für jede der Sendespulen eine Lösung eines Minimierungsproblems bestimmt, bei dem eine gewichtete Summe minimiert wird, die zumindest zwei der folgenden drei Normen aufweist:

die Norm 245 der Abweichung der erzeugten Magnetisierung von einer idealen Magnetisierung der freien Wasserprotonen in jedem Raumpunkt,
die Norm 255 für die Magnetisierung der gebundenen Protonen in jedem Raumpunkt, und
die Norm 265 für die Magnetisierung von Protonen, deren Resonanzfrequenz um den negativen Wert gegenüber der vorgegebenen Frequenzverschiebung verschoben ist.

Die von der Recheneinheit 330 bezüglich ihrer Form ermittelten HF-Pulse werden beispielsweise von der Sendeeinheit 340 erzeugt und an die Sendespulen 350 geleitet, um so in der Magnetresonanzanlage 300 die entsprechenden MR-Signale anzuregen bzw. zu sättigen.
4 zeigt die zeitliche Abfolge von Signalen zur erfindungsgemäßen CEST-Bildgebung. Zunächst werden ein oder mehrere Sättigungspulse 410 ausgesendet, um die Protonen der CEST-Substanz zu sättigen. Da diese Protonen auf Grund ihrer Chemischen Verschiebung mit einer anderen Frequenz angeregt werden können, ist es möglich, die Sättigung dieser Protonen unabhängig von den Protonen des freien Wassers anzuregen.
In einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird jeder dieser Sättigungspulse 410 in n verschiedene Subpulse 415 unterteilt. In 4 ist beispielhaft die Unterteilung in vier Subpulse dargestellt. Die räumliche Variation der Larmorfrequenz kann dann z. B. direkt über die Vorgabe der Phasenverteilungen der Subpulse berücksichtigt werden. D. h. die Phasenverteilungen der Zielmagnetisierungen für jeden Subpuls entwickeln sich von Subpuls zu Subpuls so, dass sie die Phasenentwicklung der Magnetisierung auf Grund lokaler Variationen der Larmorfrequenz abbilden. Damit werden räumliche Variationen der Larmorfrequenz mit der Vorgabe einer Zielphase berücksichtigt und das Pulsdesign reduziert sich auf eine Magnetisierung mit unverschobener Larmorfrequenz. Durch geeignete Wahl des zeitlichen Abstandes zwischen den Subpulsen können Anregung und Nicht-Anregung auf verschiedenen Frequenzen gleichzeitig optimiert werden.
Auf den Sättigungspuls folgt der Anregungspuls 420, der auf die freien Wasserprotonen abgestimmt ist.
Infolge des Chemischen Austausches können gesättigte Protonen der CEST-Substanz mit angeregten freien Wasserprotonen ihre Plätze tauschen, so dass ein Echosignal 430 vom Ort der CEST-Substanz detektiert werden kann. Die Dauer eines Sättigungspulses sollte dabei kurzer als die Längsrelaxationszeit der freien Wasserprotonen sein.

Claims

Verfahren zur magnetfeld-unempfindlichen CEST-Bildgebung in der Magnetresonanztomographie, bei der eine Vielzahl von Sendespulen zur Detektion von MR-Signalen von gebundenen Protonen einer Substanz jeweils mindestens einen HF-Puls zur Sättigung der MR-Signale und mindestens einen HF-Puls zur Anregung der MR-Signale abgeben, wobei eine durch HF-Pulse von den Sendespulen erzeugte Magnetisierung in jedem Raumpunkt als eine Funktion der räumlichen Verteilung eines Grundfeldes, der räumlichen Verteilung des von den Sendespulen erzeugten HF-Feldes, des zeitlichen Verlaufes eines Feldgradienten während der Anregung, der zeitlichen Hüllfunktion eines HF-Pulses und einer vorgegebenen Frequenzverschiebung dargestellt wird (210), und wobei die Form des mindestens eines HF-Pulses zur Sättigung der MR-Signale für jede der Sendespulen über eine Lösung eines Minimierungsproblems bestimmt wird (230), bei dem eine gewichtete Summe minimiert wird (220), die zumindest zwei der folgenden drei Normen aufweist: die Norm (240) der Magnetisierung von freien Wasserprotonen in jedem Raumpunkt, die Norm (250) der Abweichung der Magnetisierung der gebundenen Protonen von einer invertierten Magnetisierung in jedem Raumpunkt, und die Norm (260) der Magnetisierung von Protonen mit einer gegenüber der vorgegebenen Frequenzverschiebung um diesen Betrag invertierten Verschiebung in jedem Raumpunkt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der HF-Puls zur Sättigung der MR-Signale wiederholt vor der Abgabe des HF-Pulses zur Anregung der MR-Signale abgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vorgegebene Frequenzverschiebung der Chemischen Verschiebung der Substanz gegenüber der Resonanzfrequenz von freien Wasserprotonen entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die räumliche Verteilung des Grundfeldes und die räumliche Verteilung des von den Sendespulen erzeugten HF-Feldes über die Aufnahme einer B₀-Karte und einer B₁-Karte bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufnahme für die CEST-Bildgebung bei zwei Frequenzen zur Sättigung von MR-Signalen erfolgt, wobei die erste Frequenz gegenüber der Resonanzfrequenz von freien Wasserprotonen um die vorgegebene Frequenzverschiebung verschoben ist und die zweite Frequenz gegenüber der Resonanzfrequenz von freien Wasserprotonen entgegen der vorgegebenen Frequenzverschiebung verschoben ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des mindestens eines HF-Pulses zur Anregung der MR-Signale für jede der Sendespulen über eine Lösung eines Minimierungsproblems bestimmt wird (235), wobei eine gewichtete Summe minimiert wird (225), die zumindest zwei der folgenden drei Normen aufweist: die Norm (245) der Abweichung der erzeugten Magnetisierung von einer idealen Magnetisierung der freien Wasserprotonen in jedem Raumpunkt, die Norm (255) für die Magnetisierung der gebundenen Protonen in jedem Raumpunkt, und die Norm (265) für die Magnetisierung von Protonen, deren Resonanzfrequenz um den negativen Wert gegenüber der vorgegebenen Frequenzverschiebung verschoben ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der mindestens eine HF-Puls zur Sättigung (410) der MR-Signale als auch der mindestens eine HF-Puls zur Anregung (420) der MR-Signale jeweils in eine Abfolge mehrer Subpulse (415) unterteilt wird, wobei jeder der Subpulse (415) zu einem definierten Zeitpunkt appliziert wird, so dass bei der Bestimmung der Form des HF-Pulses von einer festgelegten Frequenz ausgegangen werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sättigungsverhalten für die Chemische Verschiebung für beide Frequenzverschiebungen, der vorgegebenen Frequenzverschiebung und einer zur vorgegebenen Frequenzverschiebung invertierten Verschiebung, berechnet und zur Korrektur eines CEST-Effektes verwendet wird.
Magnetresonanzanlage (300) zur Erstellung magnetfeld-unempfindlicher CEST-Bilder, umfassend eine Vielzahl von Sendespulen (350) zur Detektion von MR-Signalen von gebundenen Protonen einer Substanz, wobei über die Sendespulen sowohl HF-Pulse zur Sättigung von MR-Signalen als auch HF-Pulse zur Anregung von MR-Signalen abgeben werden können, eine Einheit (320), welche eine durch HF-Pulse von den Sendespulen erzeugte Magnetisierung in jedem Raumpunkt als eine Funktion der räumlichen Verteilung eines Grundfeldes, der räumlichen. Verteilung des von den Sendespulen erzeugten HF-Feldes, des zeitlichen Verlaufes eines Feldgradienten während der Anregung, der zeitlichen Hüllfunktion der HF-Pulse und einer vorgegebenen Frequenzverschiebung bestimmen kann, und eine Recheneinheit (330), welche die Form der HF-Pulse zur Sättigung der MR-Signale für jede der Sendespulen über eine Lösung eines Minimierungsproblems bestimmen kann, bei dem eine gewichtete Summe minimiert wird, die zumindest zwei der folgenden drei Normen aufweist: die Norm der Magnetisierung von freien Wasserprotonen in jedem Raumpunkt, die Norm der Abweichung der Magnetisierung der gebundenen Protonen von einer invertierten Magnetisierung in jedem Raumpunkt, und die Norm der Magnetisierung von Protonen mit einer gegenüber der vorgegebenen Frequenzverschiebung invertierten Verschiebung in jedem Raumpunkt.
Magnetresonanzanlage (300) nach Anspruch 9, weiterhin umfassend ein System (360) zur Erfassung der räumlichen Verteilung des Grundfeldes und der räumlichen Verteilung des von den Sendespulen erzeugten HF-Feldes als Aufnahme einer B₀-Karte (370) und einer B₁-Karte (380).
Magnetresonanzanlage (300) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (330) die Form der HF-Pulse zur Anregung der MR-Signale für jede der Sendespulen (350) über eine Lösung eines Minimierungsproblems bestimmen kann, bei dem eine gewichtete Summe minimiert wird, die zumindest zwei der folgenden drei Normen aufweist: die Norm der Abweichung der erzeugten Magnetisierung von einer idealen Magnetisierung der freien Wasserprotonen in jedem Raumpunkt, die Norm für die Magnetisierung der gebundenen Protonen in jedem Raumpunkt, und die Norm für die Magnetisierung von Protonen, deren Resonanzfrequenz um den negativen Wert gegenüber der vorgegebenen Frequenzverschiebung verschoben ist.
Magnetresonanzanlage (300) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (330) sowohl die HF-Pulse zur Sättigung der MR-Signale als auch die HF-Pulse zur Anregung der MR-Signale jeweils in eine Abfolge mehrer Subpulse unterteilt, wobei jeder der Subpulse zu einem definierten Zeitpunkt appliziert wird, so dass die Recheneinheit bei der Bestimmung der Form der HF-Pulse von einer festgelegten Frequenz ausgehen kann.
Magnetresonanzanlage (300) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, weiterhin umfassend ein Sendeeinheit (340), welche die HF-Pulse zur Sättigung und Anregung der MR-Signale mit der von der Recheneinheit (330) bestimmten Form erzeugt und an die Vielzahl von Sendespulen (350) weiterleitet.
Magnetresonanzanlage (300) nach Anspruch 13, wobei die Sendeeinheit (340) HF-Pulse zur Anregung der MR-Signale bei der Resonanzfrequenz freier Wasserprotonen erzeugt und HF-Pulse zur Sättigung der MR-Signale bei einer Frequenz erzeugt, die gegenüber der Resonanzfrequenz von freien Wasserprotonen um eine Chemische Verschiebung der Substanz verschoben ist.
Magnetresonanzanlage (300) nach Anspruch 14, wobei die Sendeeinheit (340) HF-Pulse zur Sättigung von MR-Signalen bei zwei Frequenzen erzeugt, wobei die erste Frequenz gegenüber der Resonanzfrequenz von freien Wasserprotonen um die Chemische Verschiebung der Substanz verschoben ist und die zweite Frequenz gegenüber der Resonanzfrequenz von freien Wasserprotonen entgegen der Chemischen Verschiebung der Substanz verschoben ist.
Computerprogrammprodukt, welches ein Programm umfasst und direkt in einen Speicher einer programmierbaren Steuereinrichtung einer Magnetresonanzanlage (300) ladbar ist, mit Programm-Mitteln, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–8 auszuführen, wenn das Programm in der Steuereinrichtung der Magnetresonanzanlage (300) ausgeführt wird.
Elektronisch lesbarer Datenträger mit darauf gespeicherten elektronisch lesbaren Steuerinformationen, welche derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung eines Datenträgers in einer Steuereinrichtung einer Magnetresonanzanlage (300) ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8 durchführen.