DE10219770A1

DE10219770A1 - Verfahren zum Gestalten eines selektiven HF-Pulses und selektiver HF-Puls

Info

Publication number: DE10219770A1
Application number: DE10219770A
Authority: DE
Inventors: Oliver Heid
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2002-05-02
Filing date: 2002-05-02
Publication date: 2003-11-27
Also published as: US20030206014A1

Abstract

Ein Verfahren zum Gestalten eines selektiven HF-Pulses für ein Magnetresonanzgerät beinhaltet folgende Schritte: DOLLAR A - Ein gewünschtes Anregespektrum des HF-Pulses wird vorgegeben, DOLLAR A - eine Zeitfunktion wird durch Fouriertransformieren des Anregespektrums gebildet, DOLLAR A - aus der Zeitfunktion wird ein Teil ausgewählt, der, ausgehend von einem Bereich um den Nullpunkt des Fouriertransformierens herum, sich in eine Richtung erstreckt, und DOLLAR A - der ausgewählte Teil wird wenigstens in dem Bereich wenigstens stetig zu Null übergehend gestaltet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gestalten eines selektiven HF-Pulses und einen selektiven HF-Puls.
Die Magnetresonanztechnik ist eine bekannte Technik unter anderem zum Gewinnen von Bildern eines Körperinneren eines Untersuchungsobjekts. Dazu werden in einem Magnetresonanzgerät einem statischen Grundmagnetfeld, das von einem Grundfeldmagneten erzeugt wird, schnell geschaltete Gradientenfelder überlagert, die von einem Gradientenspulensystem erzeugt werden. Ferner umfasst das Magnetresonanzgerät ein Hochfrequenz(HF)system, das zum Auslösen von Magnetresonanzsignalen HF-Pulse in das Untersuchungsobjekt einstrahlt und die erzeugten Magnetresonanzsignale aufnimmt, auf deren Basis Magnetresonanzbilder erstellt werden.
Ist dabei das Untersuchungsobjekt dem statischen, homogenen Grundmagnetfeld ausgesetzt, so weisen diejenigen Atomkerne des Untersuchungsobjekts, die ein magnetisches Moment besitzen, eine zur Stärke des Grundmagnetfelds direkt proportionale Resonanzfrequenz auf. Würde man die Atomkerne eines vorgebbaren Isotops, das in einer vorgebbaren chemischen Bindung gebunden ist, beispielsweise ¹H in H₂O, mit einem HF-Puls anregen, der die gleiche Frequenz aufweist wie die Resonanzfrequenz der derart gebundenen Atomkerne, so würden alle diese Atomkerne gleichartige Resonanz zeigen und ein undifferenziertes Magnetresonanzsignal abgeben, das keine Ortsinformation hinsichtlich der Verteilung der Atomkerne im Untersuchungsobjekt beinhalten würde.
Für ein räumlich spezifisches Magnetresonanzsignal ist daher eine übliche Methode, dem statischen Grundmagnetfeld beim Anregen mit HF-Pulsen ein magnetisches Gradientenfeld zu überlagern. Dadurch spüren vorgenannte Atomkerne an unterschiedlichen Orten längs des Gradienten des Gradientenfeldes unterschiedliche Magnetfeldstärken und zeigen daher bei verschiedenen Frequenzen Resonanz. Mit einem "monochromatischen" HF-Puls, der also nur eine einzige der Resonanzfrequenzen besitzt, würde man eine Schicht ohne jede Dicke anregen. Als Schicht ist aber beispielsweise ein dünner, dreidimensionaler Quader erwünscht, so dass der anregende HF-Puls um seine Mittenfrequenz herum eine bestimmte Bandbreite von Nachbarfrequenzen besitzen muss, damit er den gewünschten schmalen räumlichen Bereich der Schichtdicke längs des Gradienten anregen kann.
Für eine nähere Untersuchung eines selektiven HF-Pulses kann man für kleine Anregungswinkel von HF-Pulsen die Blochschen Gleichungen linearisieren. Dabei ergibt sich, dass die Ortsabhängigkeit der Quermagnetisierung entlang der Richtung des zur Selektion angelegten Gradienten im Wesentlichen der Fouriertransformierten des selektiven HF-Pulses folgt. Um eine möglichst rechteckförmige Verteilung der Quermagnetisierung über die Schichtdicke zu erhalten, wird man dem anregenden HF-Puls eine zeitliche Abhängigkeit entsprechend der sinc- Funktion aufprägen, das heißt, man moduliert die sinc- Funktion mit der Hochfrequenz des HF-Pulses. Die damit erreichbare Selektivität wird unter anderem dadurch beeinträchtigt, dass zum Senden des HF-Pulses keine unendlich lange Zeitdauer zur Verfügung steht, so dass man sich im Zeitbereich den unendlich langen, selektiven HF-Puls mit einer Rechteckfensterfunktion multipliziert vorstellen darf, was Einbußen hinsichtlich der spektralen Selektivität hervorruft. Üblicherweise wird ein Intervall des HF-Pulses gesendet, das sich beiderseits des Mittelpunktes der sinc-Funktion gleich weit erstreckt. Damit ist die spektrale Auflösung und damit die erreichbare Selektivität invers zur Zeitdauer des HF- Pulses.
In dem Abstract von C. T. Mizumoto "A New Type of Asymmetric RF Waveforms Based on Bessel Functions", Society of Magnetic Resonance in Medicine, August 1993, Seite 1184, ist des Weiteren ein auf einer Bessel-Funktion basierender, asymmetrischer HF-Puls beschrieben. Damit können scharf definierte, rechteckförmige Schichtprofile erzeugt werden.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Gestalten eines selektiven HF-Pulses anzugeben, bei dem für ein beliebig vorgebbares Schichtprofil bei kurzer Dauer des HF- Pulses eine hohe spektrale Selektivität erzielbar ist.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Gemäß Anspruch 1 beinhaltet ein Verfahren zum Gestalten eines selektiven HF-Pulses für ein Magnetresonanzgerät folgende Schritte:

- Ein gewünschtes Anregespektrum des HF-Pulses wird vorgegeben,
- eine Zeitfunktion wird durch Fouriertransformieren des Anregespektrums gebildet,
- aus der Zeitfunktion wird ein Teil ausgewählt, der ausgehend von einem Bereich um den Nullpunkt des Fouriertransformieren herum sich in eine Richtung erstreckt, und
- der ausgewählte Teil wird wenigstens in dem Bereich wenigstens stetig zu Null übergehend gestaltet.

Gegenüber einem vergleichbaren, symmetrisch um einen Nullpunkt des Fouriertransformierens gestalteten HF-Puls gleicher Zeitdauer weist der HF-Puls gemäß Anspruch 1 mit Vorteil eine vergrößerte spektrale Selektivität auf. Unter der Voraussetzung einer gleichbleibenden spektralen Selektivität kommt der HF-Puls gemäß Anspruch 1 mit Vorteil mit einer in etwa halb so langen Zeitdauer aus, so dass für Pulssequenzen mehr Variationsmöglichkeiten hinsichtlich einer Echozeit ermöglicht werden und für eine Rephasierung nur ein kleines Gradientenzeitintegral notwendig ist. Damit ist das Gestalten des HF- Pulses entsprechend der Erfindung hinsichtlich den erzielten Wirkungen und Vorteilen mit den bei der Akquisition von Magnetresonanzsignalen angewandten Halbfouriertechniken vergleichbar.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein rechteckförmiges Anregespektrum eines HF-Pulses,
Fig. 2 eine zum Anregespektrum der Fig. 1 zugehörige, unmodulierte sinc-Zeitfunktion,
Fig. 3 eine unmodulierte Zeitfunktion für einen HF-Puls gemäß dem Stand der Technik und eine Rechteckfensterfunktion und
Fig. 4 eine unmodulierte Zeitfunktion als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und eine Fensterfunktion.
Die Fig. 1 zeigt ein rechteckförmiges Anregespektrum 11 eines HF-Pulses mit den Grenzfrequenzen ω₁ und ω₂ und der Mittenfrequenz ω₀ über der Frequenz ω. Der HF-Puls mit dem dargestellten Anregespektrum 11 kann dabei zum ortsselektiven Anregen einer bestimmten, in einer vorgebbaren chemischen Bindung befindlichen Atomkernart innerhalb einer Schicht gleichmäßiger Dicke eines in einem Magnetresonanzgerät gelagerten Untersuchungsobjekts genutzt werden. Dabei wird mit dem Magnetresonanzgerät ein statisches, homogenes Grundmagnetfeld erzeugt, dem zum Erreichen der ortsselektiven Anregung in Form der Schicht gleichmäßiger Dicke ein magnetisches Gradientenfeld überlagert wird. Dabei werden nur diejenigen der vorgenannten Atomkerne angeregt, die bezüglich einer, durch den Gradienten des Gradientenfeldes vorgegebenen Raumrichtung eine derartige räumliche Position einnehmen, dass ihre Resonanzfrequenz zwischen den Grenzfrequenzen ω₁ und ω₂ liegt.
Ein HF-Puls mit dem dargestellten Anregespektrum 11 kann auch zum ortsunselektiven Anregen von unterschiedlichen Atomkernarten oder einer Atomkernart in unterschiedlichen chemischen Bindungen innerhalb eines größeren Volumens genutzt werden, wobei bei ausschließlicher Präsenz des Grundmagnetfeldes ohne ein Gradientenfeld nur diejenigen Atomkerne angeregt werden, deren Resonanzfrequenzen zwischen den Grenzfrequenzen ω₁ und ω₂ des Anregespektrums 11 liegen.
Die Fig. 2 zeigt eine zum Anregespektrum 11 der Fig. 1 zugehörige sinc-Zeitfunktion 21 über der Zeit t, die sich durch Fouriertransformieren des Anregespektrums 11 ergibt, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit die Modulation mit der Mittenfrequenz ω₀ nicht dargestellt ist. Dabei entspricht der Punkt 0 dem Nullpunkt der Fouriertransformation.
Die Fig. 3 zeigt eine unmodulierte Zeitfunktion 31 für einen HF-Puls gemäß dem Stand der Technik zum Anregen eines in etwa rechteckförmigen Schichtprofils. Dabei darf man sich die Zeitfunktion 31 der Fig. 3 aus der sinc-Zeitfunktion 21 der Fig. 2 durch Multiplikation der sinc-Zeitfunktion 21 mit einer Rechteckfensterfunktion 35 entstanden vorstellen, das mit dem Faktor Eins skaliert und bezüglich des Nullpunkts 0 des Fouriertransformierens symmetrisch ist. Die dadurch entstehende, zeitliche Beschränkung des anregenden HF-Pulses ist notwendig, da beim Betrieb des Magnetresonanzgeräts zum Erzielen vernünftiger Magnetresonanzdaten und Untersuchungszeiten die zur Verfügung stehende Zeitdauer für den anregenden HF-Puls beschränkt ist.
Die Fig. 4 zeigt als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Zeitfunktion 41 für einen HF-Puls zum Anregen eines rechteckförmigen Schichtprofils. Dabei darf man sich die Zeitfunktion 41 der Fig. 4 aus der sinc-Zeitfunktion 21 der Fig. 2 derart entstanden vorstellen, dass die sinc- Zeitfunktion 21 mit einer Fensterfunktion 45 multipliziert wird, die in ihrem waagerecht verlaufenden Teil, der Nebennocken der sinc-Zeitfunktion 21 zugeordnet ist, einen Skalierungsfaktor Zwei aufweist, und die im Bereich ihrer Flanke, die dem Hauptnocken der sinc-Zeitfunktion 21 zugeordnet ist, von dem Skalierungsfaktor Zwei auf den Faktor Null abfallend ist.
Ein auf der Zeitfunktion 41 der Fig. 4 basierender HF-Puls weist gegenüber einem auf der Zeitfunktion 31 der Fig. 3 basierenden HF-Puls bei einer gleichen Zeitdauer eine in etwa doppelt so hohe, spektrale Selektivität auf. Ursächlich dafür ist, dass die spektrale Selektivität dem größeren der beiden Abstände direkt proportional ist, die sich zwischen dem Nullpunkt 0 des Fouriertransformierens und dem Beginn derjenigen Bereiche erstrecken, in denen die Zeitfunktionen 31 und 41 dauerhaft Null sind.
Um für den HF-Puls der Fig. 4 gegenüber dem HF-Puls der Fig. 3 eine in etwa gleiche spektrale Leistungsdichte zu erzielen, ist zum Erzeugen der Zeitfunktion 41 der Fig. 4 die Fensterfunktion 45 eingesetzt, die gegenüber der Rechteckfensterfunktion 35 der Fig. 3 in ihrem überwiegenden Teil eine doppelt so starke Wichtung der sinc-Zeitfunktion 21 bewirkt. Gegenüber dem HF-Puls der Fig. 3 bleibt aber bei dem HF-Puls der Fig. 4 die erforderliche Spitzensendeleistung und die HF-Pulsenergie im Wesentlichen unverändert.
Durch die linear abfallende Flanke der Fensterfunktion 45 wird ein sanfter Übergang des Hauptnocken der Zeitfunktion 41 nach Null hin erzielt, so dass Sprungartefakte vermieden werden. Dabei sind anstelle der mit durchgezogener Linie dargestellten, linear abfallenden Flanke auch andere Nyquist- Flanken, beispielsweise die mit gestrichelter Linie dargestellte, bei der Fensterfunktion 45 einsetzbar.

Claims

1. Verfahren zum Gestalten eines selektiven HF-Pulses für ein Magnetresonanzgerät, beinhaltend folgende Schritte:

- Ein gewünschtes Anregespektrum des HF-Pulses wird vorgegeben,

- eine Zeitfunktion wird durch Fouriertransformieren des Anregespektrums gebildet,

- aus der Zeitfunktion wird ein Teil ausgewählt, der ausgehend von einem Bereich um den Nullpunkt des Fouriertransformieren herum sich in eine Richtung erstreckt, und

- der ausgewählte Teil wird wenigstens in dem Bereich wenigstens stetig zu Null übergehend gestaltet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich der Bereich zwischen zwei, dem Nullpunkt nächstgelegenen Nullstellen der Zeitfunktion erstreckt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei sich der Bereich symmetrisch um den Nullpunkt erstreckt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Teil bezüglich dem Nullpunkt in negativer Richtung hin ausgewählt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der ausgewählte Teil in dem Bereich wenigstens einmal differenzierbar zu Null übergehend gestaltet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Gestalten des Bereichs durch ein Multiplizieren der Zeitfunktion in dem Bereich mit einer Nyquist-Flanke durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Nyquist-Flanke eine linear abfallende Flanke ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der ausgewählte Teil der Zeitfunktion in seiner Amplitude skaliert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Anregespektrum rechteckförmig ist und die zugehörige Zeitfunktion eine modulierte sinc-Zeitfunktion ist.

10. Selektiver HF-Puls für ein Magnetresonanzgerät, der nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 gestaltet ist.