Kernspintomographieverfahren erfordern in der überwiegenden Mehrzahl der Anwendungen die Untersuchung eines durch die jeweilige Fragestellung definierten drei-dimensionalen Zielvolumens eines Untersuchungsobjekts. Das zu untersuchende Zielvolumen kann dabei ein Organ, beispielsweise das Herz oder das Gehirn, ein Organgebiet, wie beispielsweise der Thorax, das Abdomen oder der Pelvis, oder auch der gesamte Körper eines Menschen oder Tieres sein (sogenannte Ganzkörperuntersuchung). In der Praxis werden dazu in der Regel sog. Multisiice-Techniken eingesetzt, bei welchen das Zielvolumen schichtweise durch ein Paket von i.a. parallelen, zweidimensionalen Schichten abgebildet wird (sogenanntes 2D-MS Verfahren).

Als Alternative werden sogenannte 3D-Verfahren eingesetzt, bei welchen während der Aufnahme eine dreidimensionale Ortskodierung erfolgt. Bei beiden Messprinzipien werden die Messdaten durch Ortskodierung mittels Gradientenfeldern als sogenannte k-Raum Daten aufgenommen. Aus den k- Raum Daten ergeben sich die Bild-(oder 3D-) Daten durch eine durch die Art der Ortskodierung bestimmte Bildrekonstruktion. Die k-Raum-Daten und die Bilddaten sind bekanntlich durch eine Fourierbeziehung miteinander verknüpft.

Die Messung erfolgt in den meisten Fällen sowohl bei 2D-MS- wie auch bei SD- Techniken durch sequenzielle Multianregungsverfahren, bei welchen pro Anregung des Spinsystems jeweils nur ein Teil der zur Rekonstruktion benötigten k-Raum-Daten gemessen wird. Eine Vervollständigung der k-Raum Daten erfolgt durch mehrfache Anregung des Spinsystems mit jeweils unterschiedlicher Ortskodierung .

Für schnelle Bildgebungstechniken wie echo planar imaging (EPI) oder Single shot TSE (HASTE) kann die Messung auch zumindest für 2D-MS Verfahren mit nur einer Anregung pro Schicht erfolgen. Es sind darüber hinaus Verfahren bekannt, bei welchen in einer sogenannten „single-shot"-Technik der gesamte 3D-Datensatz mit einer einzigen Anregung aufgenommen wird. Zu diesen Verfahren zählen beispielsweise das sogenannte echo volumar imaging ( = EVI; Zwaag 2006), 3D-GRASE (Oshio 1991) oder sogenannte Single shot 3D-Turbo Spin Echoverfahren (ss3DTSE, SPACE).

Bei der Bildgebung eines vorgegebenen Zielvoiumens mit vorgegebener Auflösung und Matrixgröße ist die zu erfassende Datenmenge bei einem 2D-MS Verfahren im Prinzip gleich groß wie bei einem 3D-Verfahren. Unterschiede ergeben sich aber durch das jeweilige Signalverhalten. Bei 2D-Verfahren mit sequenzieller Abfolge der Messungen der einzelnen Schichten des Zielvolumens ermöglicht die sequezielle Aufnahme die Realisierung einer größere Erholzeit TR zwischen der Anregung jeweils identischer Schichten ohne Einschränkung der Effizienz der Messung. Dies erlaubt die Verwendung von Messverfahren wie Spin- Echo Techniken oder Turbo-Spin-Echo-Verfahren, welche auf Grund ihres Signalverhaltens ein TR im Bereich mehrerer 100 ms bis zu einigen Sekunden verlangen, um einen durch Signalsättigung bedingten Verlust von Signal-zuRausch (SNR) sowie ungünstige Bildkontraste zu vermeiden.

3D-Verfahren sind demgegenüber im Sinne der Sampling-Effizienz prinzipiell effizienter im Vergleich zu 2D-MS Verfahren, da bei jedem Aufnahmeschritt alle untersuchten Spins zum gemessenen Signal beitragen.

Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf die Aufnahme eines SD- Datensatzes der Größe ndl * nd2 * nd3 in drei als dl, d2 und d3 bezeichneten orthogonalen Raumrichtungen, wobei das durch dl, d2, d3 definierte Koordinatensystem gegenüber den kartesischen Raumrichtungen x, y, und z beliebig gedreht sein kann.

Unter Vernachlässigung von Relaxationseffekten, die zur Signalsättigung führen, ergibt sich aus der Signaltheorie im Vergleich zu einer 2D-MS-Messung von nd3 Schichten mit jeweils ndl * nd2 Datenpunkten ein Signalgewinn um einen Faktor, welcher mit der Wurzel der Zahl nd3 der Schichten skaliert:

Durch relaxationsbedingte Sättigung wird dieser Faktor reduziert. Da die relaxationsbedingten T1,T2-Effekte gewebeabhängig sind, ergeben sich bei 3D vs. 2D-MS Techniken Unterschiede im Kontrastverhalten.

Durch Verfahren der parallelen Bildgebung lassen sich sowohl 2D-MS wie auch 3D-Aufnahmen beschleunigen. Bei 2D-MS-Verfahren erfolgt eine Beschleunigung in den meisten Fällen nur innerhalb der einzelnen Schichtebene. Es sind jedoch auch Verfahren bekannt („CAIPIRI HA"; Breuer 2006) bei welchen mittels - - paralleler Bildgebung auch eine Beschleunigung senkrecht zur Bildebene erfolgt. Bei diesen Bildgebungsverfahren werden Hochfrequenzpulse eingesetzt, welche jeweils mehr als eine Schicht des Zielvoiumens simultan anregen. Diese Anregungsimpulse werden als Multiband-Hochfrequenzpulse bezeichnet. Bei einer nachfolgenden 2D-Ortskodierung ergeben sich überlappende Bilder der angeregten Schichten. Bei Messungen mit komplexen Spulenarrays mit mehreren Einzelspulen, welche entlang der nd3-Richtung unterschiedliche Sensitivitätsprofile aufweisen, können die Überlappungen beseitigt und jeweils überlappungsfreie Bilder der einzelnen Schichten erzeugt werden (Moeller 2009). Im Prinzip lassen sich mit solchen Verfahren alle Schichten simultan anregen und damit eine Aufnahmeeffizienz entsprechend einer single-shot 3D-Aufnahme erzielen. Allerdings lassen sich schon aus prinzipiellen Gründen Spulenprofile, welche eine ausreichende Trennschärfe zur Unterscheidung von Signalen aus unterschiedlichen Positionen aufweisen, nur bedingt realisieren. Aus praktischen wie auch prinzipiellen Gründen ist die Beschleunigung auf einen Faktor von max. 3-4 begrenzt, da sich bei stärkerer Beschleunigung sogenannte „leakage"- Artefakte zwischen den einzelnen Schichten ergeben. Als Konsequenz ergibt sich, dass 2D-MS Verfahren die Aufnahme von Bildern guter Qualität innerhalb der primären dl,d2-Bildebene erlauben, bei starker Einschränkung in d3-Richtung, welche durch wiederholte Aufnahmen ergänzt werden müssen.

Bei Verwendung von 3D-single shot Techniken ist die nach Anregung messbare Datenmenge durch den Signalzerfall begrenzt. Beim EVI-Imaging als „prototypisches" 3D-single shot-Verfahren ist der Signalzerfall durch T2* bestimmt. Bei Anwendungen am Gehirn und bei 1.5-3T liegt T2* im Bereich von ca. 50 ms, d.h., bei einer Aufnahmedauer von mehr als 100 ms ergeben sich starke Signalverluste und das aufgenommene Signal wird von Rauschen dominiert.

Entsprechend den Grundprinzipien der k-Raum basierten Ortskodierung ergibt sich aus der Larmorgleichung die Aufnahmebandbreite BW (in 1/s) der Aufnahme aus der Gradientenstärke GR und dem gewünschten Aufnahmefeld FOV _R ( = Field of View) entlang der Richtung von GR durch : - -

BW = γ GR FOV _R [2]

Für ein gewünschtes FOV von 30 cm und einer verfügbaren Gradientenstärke von 39.2 mT/m ergibt sich beispielhaft BW=500 kHz. Dies entspricht einer Aufnahmerate von 2 ,us (Mikrosekunden) pro Datenpunkt. Bei einer durch T2* begrenzten Aufnahmedauer von 100 ms lassen sich somit 50.000 Datenpunkte aufnehmen. Für eine isotrope 3D-Aufnahme, wie sie z. B. im Anwendungsfall einer funktionellen Bildgebung des Gehirns angestrebt wird, entspricht dies einer Matrixgröße von 36 x 36 x 36 bei einer (isotropen) Auflösung von ca. 8 mm.

Es sollte angemerkt werden, dass dieses „Gedankenexperiment" lediglich eine Maximalwertschätzung ergibt. Bei einem realen Experiment ist zu berücksichtigen, dass der dreidimensionale k-Raum der Aufnahme durch eine eindimensionale und damit notwendigerweise gekrümmte k-Raumtrajektorie abgetastet wird. Auf Grund technischer Begrenzungen aber auch wegen der bei schnellen Feldänderungen auftretenden peripheren Nervenstimulation ( = PNS) ist die Aufnahme zumindest während eines Teils der Aufnahmezeit durch die maximale Feidänderungsrate, der sogenannten slew rate, begrenzt. Die Zahl der Aufnahmepunkte pro Zeiteinheit wird dadurch weiter reduziert.

Bei der 3D-TSE-Technik erfolgt der Signalzerfall primär mit T2. Durch Verwendung von Refokussierungspulsen mit kleinen Flipwinkeln (Pulswinkeln) kann der Signalzerfall durch sog. stimulierte Echos verzögert werden. Die Aufnahme eines gesamten Echozugs kann dadurch auf mehrere hundert Millisekunden verlängert werden, wobei es allerdings durch die kleinen Flipwinkel zu einer Reduktion der Signalintensität kommt.

Bei beiden dieser Techniken ist eine Aufnahme eines Zielvolumens, wie z. B. des Gehirns, in Single shot Technik möglich, soweit Einschränkungen in der Ortsauflösung bzw. des SNR in Kauf genommen werden. Soll ein größeres Volumen in höherer Auflösung und/oder besserem SNR abgedeckt werden, kann die Aufnahme in unterschiedlicher Weise komplementiert werden. - -

Eine mögliche Strategie ist die Durchführung des bildgebenden Verfahrens als multi-shot Aufnahme, d.h. es wird ein entsprechend vergrößerter 3D~k-Raum- Datensatz in mehreren zeitlich nacheinander durchgeführten Aufnahmeschritten gemessen. Die Bildrekonstruktion erfolgt in einem einzigen Rekonstruktionsschritt des kompletten Datensatzes. Dadurch wird der Vorteil einer hohen Aufnahmeeffizienz bewahrt, da nach wie vor bei jeder Anregung alle Spins gemessen werden. Der Nachteil besteht darin, dass der so generierte einheitliche Datensatz extrem empfindlich gegenüber Signalvariationen zwischen den einzelnen Aufnahmeschritten ist. Solche Signalvariationen sind entweder immanent, beispielsweise durch unterschiedliche Tl/T2-Gewichtung bedingt, soweit die Aufnahme nicht in einem steady State erfolgt. Weitere Signalvariationen können sich z. B. aus Bewegungen der zu untersuchenden Person, durch physiologische Effekte (EKG, Atmung) oder Instabilitäten des eingesetzten Messsystems ergeben.

Eine alternative Strategie ist die sukzessive 3D-Bildgebung von jeweiligen Teilvolumina des zu untersuchenden Zielvolumens. Das gesamte Messvolumen ergibt sich dann durch eine Kombination der jeweiligen 3D-Datensätze. Dies erfolgt entweder blockweise, indem das gesamte Zielvolumen in jeweils zusammenhängende Teilvolumina unterteilt wird, die sukzessive gemessen werden (vgl. Fig. l b) .

Bekannt sind auch sogenannte 3D-multi partition-Verfahren (3D-MP), bei welchen die Anregung des Zielvolumens analog zu 2D-MS Verfahren in mehreren, allerdings dicken, Schichten erfolgt und die Auflösung in nd3-Richtung durch eine 3D-Kodierung innerhalb der Schichten in jeweils gewünschter Weise erhöht wird .

Bei beiden Kernspintomographieverfahren ergibt sich das Problem, dass bei der Selektion der Teilvolumina durch schichtselektive RF-Pulse Signalvariationen über das Schichtprofil hinweg entstehen, da das Anregungsprofil solcher Pulse in praktischen Fällen nie perfekt ist. Dies führt einerseits zu Signalunterscheiden über die gewählte Schicht, zum andern ergeben sich Randeffekte im Bereich außerhalb des eigentlichen Zielvolumens, welche zu Sättigungseffekten bei einer nachfolgenden Messung dieser Bereiche führen kann (vgl, Fig. l b). Insgesamt ergibt sich so eine inhomogene Abbildung über das Zielvolumen nach Rekonstruktion und Kombination der Teilvolumina.

Auf Grund dieser inhärenten Nachteile werden solche Messungen in der, insbesondere klinischen, Praxis nur in Ausnahmefällen durchgeführt. Single shot Techniken werden daher lediglich dann angewendet, wenn die in einer einzelnen Anregung erzeugte Datenmenge für den Untersuchungszweck ausreicht.

In Praxis haben sich vor allem SD-Kernspintomographieverfahren in Gradientenechotechnik (sogenannte GRE Sequenzen) etabliert, die in einem sogenannten Signal-steady State durchgeführt werden und daher in der Größe des aufgenommenen Datensatzes frei skalierbar sind. Auch eine solche Aufnahmetechnik ist im Prinzip anfällig auf Signaländerungen zwischen den einzelnen Aufnahmeschritten. Allerdings sind Gradientenecho-Methoden zum einen robuster gegenüber Instabilitäten im Vergleich zu den für Single shot Aufnahmen eingesetzten Techniken. Zum andern führen stochastische Instabilitäten über sehr viele Aufnahmeschritte, wie diese bei den Gradientenechotechniken eingesetzt werden, nach Rekonstruktion zu einer (i.a. tolerierbaren) Erhöhung des Bildrauschens und nicht zu störenden Bildartefakten.

Bei herkömmlichen Aufnahmeverfahren der dreidimensionalen Ortskodierung in der Kernspintomographie, bei welchen das Zielvolumen der Datenaufnahme durch Anregung mit einem frequenzselektiven RF-Puls in Anwesenheit eines Selektionsgradienten selektiert wird, tritt aufgrund der über das Zielvolumen bei Verwendung von zeitlich begrenzten RF-Pulsen zwangsläufig nicht-konstanten Amplitude des RF-Pulses eine Variation von Signalstärke sowie des Bildkontrastes entlang der Richtung des Schichtselektionsgradienten auf. Dies stellt sich insbesondere bei solchen Aufnahmen als besonders problematisch dar, bei welchen das gesamte Aufnahmevolumen in mehrere Teilvolumina zerlegt wird und die Datenaufnahme sukzessive in den jeweiligen Teilvolumina durchgeführt wird.

Aufgabe der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Kernspintomographieverfahren anzugeben, welches eine Datenaufnahme mit einer über das zu untersuchende Zielvolumen gleichmäßigen Signalintensität und einem gleichmäßigem Bildkontrast erlaubt und zwar auch dann, wenn die Datenaufnahme sequenziell über mehrere Teilvolumina des Zielvolumens erfolgt.

Diese Aufgabe wird durch ein Kernspintomographieverfahren mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Kernspintomographieverfahren wird das abzubildende Zielvoiumen erfindungsgemäß mittels zumindest eines frequenzselektiven Multiband-Hochfrequenzpulses und in Anwesenheit eines Schichtselektionsgradienten Gd3 selektiv angeregt.

Da der Multiband-Hochfrequenzpuls ein Frequenzprofil mit mehreren separaten Frequenzbändern aufweist, werden somit in Verbindung mit dem Schichtselektionsgradienten GD ₃ , der eine bekannte Flankensteilheit aufweist, mehrere Schichten des Zielvolumens im Sinne diskreter Schichtgitter simultan angeregt. Das Schichtgitter weist dabei einen Gitterabstand Änd3 auf. Die Ortskodierung entlang der Ortskoordinate d3 mittels der Magnetfeldgradienten wird erfindungsgemäß mit einer räumlichen Auflösung dnd3 vorgenommen, welche mit dem erzeugten Gitterabstand And3 übereinstimmt. D. h., der Gitterabstand Änd3 des durch den Multiband-Hochfrequenzpuls und des Schichtselektionsgradienten angeregten Schichtgitters des Zielvolumens entspricht der durch die Gradientenkodierung in d3 Richtung bewirkten räumlichen Auflösung. Durch Unterteilung des gesamten Zielvolumens in mehrere Teilgitter, welche entlang der Ortskoordinate d3 jeweils gegeneinander versetzt sind, lässt sich mit diesem Verfahren ohne Verlust der Gleichmäßigkeit der Anregung auch eine sequenzielle Durchführung der Aufnahme in mehreren Teilschritten durchführen. Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Erkenntnis, dass Imperfektionen des Schichtprofils natürlich auch bei Messung in 2D-MS-Technik auftreten. Die gemessenen Signalintensitäten über die jeweils gemessene Schicht stellt einen Mittelwert über das Schichtprofil daher. Diese„Intravoxel"- Mittelung betrifft alle gemessenen Bildpunkte in allen Schichten gleichermaßen, die Konsistenz der Signalintensitäten bleibt damit insgesamt erhalten.

Übertragen auf eine Ortskodierung entsprechend einem 3D-Aufnahmeverfahren bedeutet dieser Ansatz, dass die durch Schichtselektion erzeugten Teilvolumina so gestaltet sein sollten, dass die durch frequenzselektive Hochfrequenzpulse erzeugte jeweilige Schichtdicke And3 ₀ der durch die 3D-Gradientenkodierung bewirkten Auflösung dnd3 ₀ (oder einem ganzzahligen Teiler hiervon) entspricht. D. h., das ausgelesene Teilvolumen des Zielvolumens hat die Struktur eines Schichtgitters mit einem Gitterabstand Änd3 ₀ und einer (bevorzugt- aber nicht zwangsweise über alle Schichten identischen) Dicke ds (mit ds < And3 ₀ ) der Einzelschichten (Fig.2). In diesem Fall wirkt sich das Schichtprofil gleichmäßig über alle Bildpunkte der 3D-Aufnahme aus und die Konsistenz der Aufnahme bleibt erhalten (Fig.2a). Der durch die Gradientenkodierung gegebene dreidimensionale k-Raum der Datenaufnahme (Fig.2b) ist entsprechend den grundsätzlichen Eigenschaften der Ortskodierung durch Magnetfeldgradienten durch eine dreidimensionale Fouriertransformation mit dem Ortsraum verknüpft (Fig.2c).

Entsprechend den Grundeigenschaften der kernspintomographischen Biidgebung gilt bei Aufnahme eines diskreten, rektilinearen Datensatzes der Matrixgröße ndl ₀ *nd2 ₀ *nd3 ₀ für den Abstand dkd3 ₀ zweier benachbarter Gitterpunkte in der kd3-Richtung des k-Raums : dkd3 ₀ = y jGd3 dt = 1/FOV [3]

wobei Gd3 der Stärke des Gradienten entspricht und die Integration über die Wirkdauer von Gd3 zwischen der Aufnahme benachbarter Datenpunkte im k-Raum erfolgt. Für die Verwendung von Gd3 als Phasencodiergradient entspricht dies dem Inkrement des Phasenkodiergradienten zwischen der Aufnahme benachbarter k- Raumpunkte. FOV kennzeichnet die Größe des erfassten Zielvolumens.

Entsprechend gilt für die räumliche Auflösung im Ortsraum dnd3 ₀ = 1/SW = l/(nd3 ₀ * dkd3 ₀ ), [4] wobei SW die Größe des abgetasteten k-Raums kennzeichnet.

Das auf diese Weise definierte Untersuchungsvolumen ( =Zielvolumen) lässt sich ohne weiteres unter Erhalt der Konsistenz der Signalintensitäten in Teilvolumina unterteilen.

In einer einfachen und bevorzugten Weise geschieht das dadurch, dass die Aufnahme in NA Aufnahmeschritten durchgeführt wird. Bei jedem Aufnahmeschritt kann dabei jeweils ein Schichtgitter mit Schichtabstand Änd3 = NA*And3 ₀ erzeugt und die Position des Schichtgitters von einer Aufnahme zur anderen um jeweils And3 ₀ verschoben werden.

Der so erhaltene Datensatz besitzt eine Matrixgröße ndl * nd2 * nd3 = ndl ₀ *nd2 ₀ *nd3 ₀ /NA. - -

Die Gradientencodierung erfolgt hierbei mit einer Auflösung dnd3=dnd3 ₀ *NA. Entsprechend den Grundeigenschaften der Fouriertransformation erfordert die Aufnahme eines Datensatzes der Auflösung dnd3 = dnd3 ₀ *NA die Aufnahme des (im allgemeinen zentralen) NA-ten Teils des gesamten k-Raumvolumens. Diese Aufnahmestrategie ist in Fig.3 für NA=2 dargestellt.

Die zur Erzeugung eines periodischen Schichtgitters eingesetzten Multiband- Hochfrequenzpulse sind in der Literatur bekannt und beschrieben (Norris 2011). Sie lassen sich einfach durch Addition der zur Anregung der einzelnen Gitterebenen benötigten Hochfrequenzpulse erzeugen. Die Addition erfolgt in der Regel numerisch durch Überlagerung der (komplexen) Pulsprofile. Auch sind neben dem in (Norris 2011) beschriebenen Verfahren weitere Verfahren bekannt, wie die bei einfacher Addition sich ergebende hohe Spitzenleistung der Pulse - welche zu technischen Problemen bzgl. der Spannungsfestigkeit der Anregungselektronik oder gar zu einer für die untersuchte Person unzulässig erhöhte RF-Leistung führen kann - auf ein praktikables Maß begrenzt werden kann (Hennig 1992, Johnson 1994).

Als eine generische Implementierung des erfindungsgemäßen Kernspintomographieverfahrens ist in Fig.4 eine EVI-Sequenz dargestellt. Hierbei wird nach einer einzigen Anregung ein vollständiger 3D-Datensatz erzeugt. Die Datenaufnahme erfolgt dabei so, dass durch periodische Inversion eines Lesegradienten GR in Richtung dl des Datensatzes eine periodische Abfolge von Signalen erzeugt wird. Diese werden durch Anwendung von Gradientenblips in den Richtungen d2 und d3 einer Phasenkodierung unterzogen. Als k- Raumtrajektorie ergibt sich ein periodisches Schichtgitter mit einer durch die Gradienten Gdl und Gd2 bewirkten Zick-Zack-Trajektorie in jeder Schicht, die Schichtlage im dreidimensionalen k-Raum ist durch den jeweils vor der Aufnahme der jeweiligen dl,d2-Schicht angewendeten Gradientenblip in d3- Richtung bestimmt. Bei einer Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verbindung mit der EVI-Methode wird entsprechend obiger Beschreibung das angestrebte Zielvolumen der Matrixgröße ndl ₀ * nd2 ₀ * nd3 ₀ entsprechend Fig.3 in NA als Schichtgitter ausgeprägte Teilvolumina mit jeweiliger Matrixgröße ndl ₀ * nd2 ₀ * nd3 ₀ /NA aufgeteilt, die Datenaufnahme erfolgt dann so, dass in einem Aufnahmeschritt der NAte zentrale Teil des dem Zielvolumen zugeordneten Gesamt-k-Raums aufgenommen wird.

Eine weitere bevorzugte Methode zum Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das sogenannte ,Stack-of-Spirals ^l (SOS)- Verfahren (Thedens 1999). Hierbei erfolgt wie bei EVI die Auslesung eines dreidimensionalen Datensatzes nach einer einzigen Anregung. Die zur Ortskodierung verwendete k- Raumtrajektorie besteht aus einer schichtweisen Abfolge von Spiralen (Fig.5). Solche Aufnahmen werden in den in der Literatur beschriebenen Verfahren überwiegend in Mehrfach-Anregungstechnik durchgeführt, eine Durchführung nach einer einzigen Anregung ist jedoch durchaus möglich. Zur Reduktion der Gesamtlänge der Trajektorie (und damit zur Steigerung der Aufnahmeeffizienz) kann hierbei das durch die Spiralschichten abgedeckt k-Raum-Volumen auf das Innere einer Kugel beschränkt werden. Auch dieses Verfahren eignet sich in hervorragender Weise zu einer Implementierung im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Aufnahme erfolgt dann entweder so, dass nur der Teil der dem vollständigen 3D-Datensatz zugeordneten k-Raumtrajektorie ausgelesen wird, der in dem angeregten Teilvolumen entsprechenden zentralen k-Raumbereich liegt. Zusätzlich lässt sich die Aufnahme dadurch beschleunigen, dass die Einhüllende der k-Raumtrajektorie sich in d3-Richtung schneller verjüngt und damit zu einem in dem zentralen k-Raum liegenden gestauchten Parallelellipsoid wird.

Auch Verfahren mit beliebiger nicht-linearer k_Raumtrajektorie wie die concentric shells-Technik (Zahneisen 2011) lassen sich ohne weiteres mit der erfindungsgemäßen Methode der 3D-Kodierung kombinieren. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch auf 3D-single shot Techniken mit Signalauslesung mittels Multiecho-Erzeugung anwendbar. (3D-TSE, GRASE). Insbesondere und vorteilhaft ist die Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens der Ortskodierung mit Techniken der beschleunigten Datenaufnahme wie dem SENSE- oder GRAPPA-Verfahren aber auch allgemeinen Beschleunigungsverfahren beruhend auf der regularisierten Rekonstruktion (Zahneisen 2011) oder der compressed sensing Technik. Bei den auf der Verwendung von Mehrfachspulen-Anordnungen bestehend aus Einzelspulen mit jeweils räumlich unterschiedlichen Empfindlichkeitsprofilen ist die in der Praxis erreichbare maximale Beschleunigung durch die Unterscheidbarkeit der durch die Spulenprofile definierten Signalbeiträge gegeben (Wiesinger 2004). Gegenüber einer konventionellen sequenziellen Aufnahme mit kompakten Teilvolumen (entsprechend Fig. lb) bietet das erfindungsgemäße Verfahren bei vorgegebenen Empfindlichkeitsprofilen der Empfangsspulen den Vorteil einer deutlich besseren Diskriminierbarkeit durch die größere Ausdehnung des pro Aufnahmeschritt durch die Messung erfassten Teilvolumens (s.Fig.6).

Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft des erfindungsgemäßen Kernspintomographieverfahrens besteht darin, dass die zur Anregung des Schichtgitters verwendeten Multiband-Hochfrequenzpulse es erlauben, jedem Schichtprofil eine frei wählbare Phase zuzuweisen. Am einfachsten gelingt dies bei Multiband-Hochfrequenzpulsen, die durch (numerische) Überlagerung von Pulsen zur Anregung der einzelnen Schichten verwendet werden. Bei einem linearen Verlauf der Pulsphase mit der Schichtposition entlang d3 entspricht dies entsprechend dem Shift-Theorem der Fourier Transformation einer Verschiebung entlang der kd3-Richtung im k-Raum. Damit lässt sich die k-Raum Trajektorie ohne Anwendung zusätzlicher Gradienten verschieben. Da der Bildkontrast in guter Näherung durch die Signalintensität zum Zeitpunkt des Auslesens der k- Raum mitte bestimmt ist, lassen sich auf diese Weise durch Variation des Phasenschemas der Multibandpulse 3D-Aufnahmen mit unterschiedlichen Kontrasten erzeugen. - -

Die Möglichkeit der Modifikation des Anregungsprofils einzelner Schichten erlaubt auch eine Verbesserung der Datenaufnahme in Fällen, in welchem die Stärke des zur Signalanregung verwendeten Bl-Feldes entlang d3 variiert. Dies tritt zB auf Grund der Verwendung von zur gleichmäßigen Abdeckung des Zielvolumens nicht ausreichend großen Anregungsspulen auf, oder wenn die Größe des Untersuchungsvolumens sich der Wellenlänge der Larmorfrequenz annähert. In diesem Fall lässt sich die Ungleichheit der lokalen Feldstärke Bl(d3) durch Änderung der Amplitude A(d3) des jeweiligen Feldprofils ausgleichen :

A(d3)= A ₀ (d3) * Bl ₀ (d3)/ (Bl(d3) [5] wobei A ₀ die auf den Referenzwert Bio bezogene Referenzamplitude der Pulse darstellt (Fig.7).

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die gezeigte und beschriebene Ausführungsform ist nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern hat vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

In der Zeichnung zeigen :

Fign. 1 die messtechnisch erfasste Signalintensität I aufgetragen über eine

Ortskoordinate d3 eines mittels selektiver Anregung erzeugten Schichtprofils (Fig. la) und die Signalintensität bei sukzessiver Anregung mehrerer aneinander angrenzender Schichten (Fig. lb).

Fign. 2 die messtechnisch erfasste Intensität aufgetragen über die

Ortskoordinate d3 bei Anwendung des erfindungsgemäßen Kernspintomographieverfahrens (Fig. 2a), eine schematische Darstellung der Auflösung der zugehörigen Ortskodierung in Richtung der Ortskoordinate d3 (Fig. 2b) mit dem dazu korrespondierenden k-Raum (Fig. 2c); - - eine zu den Fign. 2 ähnliche schematische Darstellung bei Durchführung des erfindungsgemäßen

Kernspintomographieverfahrens in zwei Teilschritten, mit der gemessenen Signalintensität aufgetragen über die Ortskoordinate d3 (Fig. 3a), der zugehörig gewählten Auflösung der Ortskodierung in Richtung der Ortskoordinate d3 (Fig 2b) und dem zugehörigen k- Raum (Fig. 3b); eine Darstellung des erfindungsgemäßen

Kernspintomographieverfahrens in Verbindung mit einer echo volumar imaging (EVI)-Messsequenz (Fig. 4a) mit Darstellung der zugehörigen k-Raum Trajektorie (Fig. 4b); eine Darstellung des erfindungsgemäßen

Kernspintomographieverfahrens bei einer stack-of-spirals Messsequenz (Fig. 4a), mit Darstellung der zugehörigen k- Raumtrajektorie (Fig. 5b) und der k-Raumtrajektorie bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Teilschritten; eine schematische Darstellung von Sensibilitätsprofilen Sl und S2 zweier in d3-Richtung gegeneinander verschobener Empfangsspulen (Fig. 6a) mit der gemessenen Intensität der mit den Spulen aufgenommenen Kernspinsignale in einem ausgelesenen Schichtpaket entlang der d3-Ortskoordinate bei Anwendung des erfindungsgemäßen Kernspintomographieverfahrens (Fig. 6b) und bei einer kompakten Auslesung in konventioneller Multi-Slab 3D Technik (Fig. 6c) ; und die Auswirkungen einer konstante Amplitude A des Frequenzprofils über alle angeregten Schichten (Fig. 7a), die in Verbindung mit einer entlang d3 variablen Stärke des Bl-Feldes (Fig. 7b) zu Anregungsprofilen unterschiedlicher Intensität führt ( 7c), wobei sich nach der Erfindung anhand des bekannten Verlaufs von Bl entlang der Ortskoordinate d3 Pulsprofile mit unterschiedlicher Amplitude entlang d3 berechnen lassen (Fig. 7d), die für eine gewünschte konstante Anregung des Zielvolumens über alle Schichten eingesetzt werden wird (Fig 7e).

Fig. la zeigt die Signalintensität I in Richtung einer Ortskoordinate d3 eines mittels selektiver Anregung erzeugten Schichtprofils des Zielvolumens, wobei die eingezeichneten durchgefärbten Punkte den auf einem diskreten Raster aufgenommen Signalintensitäten entlang der Ortskoordinate d3 entsprechen.

Fig. lb zeigt eine systematische Variation der Signalintensitäten, die sich bei sukzessiver Anregung mehrerer aneinandergrenzender Schichten ergibt, wobei in den Überlappungsbereichen der angrenzenden Pulsprofile die beobachtete Signalintensität (ausgefüllte Punkte) gegenüber dem Schichtprofil bei Einzelschichtanregung (Kreise) durch Sättigungseffekte ggfs. zusätzlich moduliert wird (Fig. lb);

In den Figuren 2 ist das Prinzip der Schichtselektion nach dem erfindungsgemäßen Kernspintomographieverfahren gezeigt. Durch den frequenzselektiven Hochfrequenzpuls mit diskreten Frequenzbändern wird entlang der Ortskoordinate d3 ein Schichtgitter mit zueinander parallelen Schichten angeregt, die zueinander jeweils einen Schichtabstand And3 ₀ und eine Schichtdicke ds aufweisen, wie dies aus Fig. 2a in der schematischen Darstellung der durch den Schichtgitterpuls erzeugten Signalintensität I entlang d3 hervorgeht. Die durch Gradienten kodierung erzeugte Auflösung dnd3 ₀ in d3- Richtung der Datenaufnahme ist so gewählt, dass dnd3 ₀ = And3 ₀ (Fig. 2b).

Fig. 2c zeigt den durch Fouriertransformation damit verknüpften k-Raum mit den Koordinaten kd3 und kd2. In den Fign. 2b und 2c sind lediglich die d2- und d3- Richtung des aufgenommen dreidimensionalen Datensatzes dargestellt, die dl- bzw. kdl-Richtung des k-Raums steht dabei jeweils senkrecht auf der dargestellten Ebene; Die Figuren 3 zeigen das Prinzip der Schichtselektion nach dem erfindungsgemäßen Kernspintomographieverfahrens, wobei Kernresonanzsignale des Zielvoiumens in NA=2 Teilschritten zeitlich nacheinander aufgenommen werden. Wie aus Fig. 3a hervorgeht, wird bei jedem Teilschritt jeweils nur ein Schichtgitter aus jeder 2ten Schicht des Zielvolumens angeregt (durchgezogene bzw. gestrichelte Profile). Der Gitterabstand des in jedem Teilschritt aufgenommenen Schichtgitters beträgt NA* dnd3 ₀ = NA* Änd3 ₀ (Fig. 3b). Dementsprechend erfolgt die Aufnahme so, dass der zentrale Nate Teil des gesamten k-Raums aufgenommen wird (Fig. 3c).

Die Figuren 4 zeigen ein Beispiel einer Anwendung des erfindungsgemäßen Kernspintomographieverfahrens in Verbindung mit der sogenannten echo volumar imaging (EVI)-Methode (Fig. 4a), wobei Rf den Hochfrequenzpuls P kennzeichnet und die schematisch dargestellten Signale, Gdl, Gd2, Gd3 entsprechen den Ortskodierungsgradienten in den drei Raumrichtungen dl, d2, d3, welche bei EVI im allgemeinen als Lesegradient GR, 2D-Phasengradient GP1 und 3D-Phasengradient GP2 bezeichnet werden. Die Pulsform von P ist so gewählt, dass in Kombination mit dem Schichtselektionsgradient Gl ein paralleles Schichtgitter angeregt wird, G2 und G3 dienen zur initialen Positionierung der k-Raumtrajektorie vor Beginn des zeitlichen Ausleseintervalls acq. Die Aufnahme erfolgt durch schnelle Alterierung von GR zur Erzeugung von nd2 Gradientenechos, welche durch Gradientenblips eine Phasenkodierung in d2- Richtung erfahren. Die Aufnahme wird nd3-mal wiederholt, in jedem Wiederholungsschritt erfolgt eine Phasenkodierung in d3-Richtung durch den Gradientenblip G4. G5 dient zur Rückstellung der k-Raumtrajektorie in d2- Richtung. Dies kann entweder durch Rückführung der Trajektorie auf die in der kdl,kd2-Ebene identische Position A(kdl ₀ ,kd2 ₀ ,kd3) geschehen (,monopo!are Trajektorie', offene Kreise in Fig. 4b)) oder - wie gezeigt - alternierend zum in der kdl-,kd2-Richtung spiegelbildlichen Position A\-kdl ₀ ,-kd2 ₀ ,kd3) („alternierende Trajektorie", ausgefüllte Punkte in Fig. 4b)).

Fig. 4b zeigt die durch die in Fig. 4a gezeigte Sequenz erzeugte k- Raumtrajektorie als Abfolge von nd3 Schichten. Für die Aufnahme eines 3D- - -

Datensatzes mit gleicher Ausdehnung in d2- und d3-Richtung ist dkd2=dkd3, dkd3 ist in der Abbildung zur besseren Visualisierung größer gewählt, kdl, kd2 und kd3 entspricht dem dl,d2,d3-Ortsraum zugeordneten k-Raumkoordinaten.

In den Figuren 5 ist das Beispiel einer Anwendung des erfindungsgemäßen Kernspintomographieverfahrens in Verbindung mit der sogenannten stack-of- spirals (SOS) Methode gezeigt. Die Ortskodierung erfolgt als stack-of-spirals durch Anwendung von alternierenden, jeweils um 90° gegeneinander phasenverschobenen Gradienten in der dl,d2-Ebene. P, G1...G5 entsprechen den im Zusammenhang mit Fig.4 erläuterten Bezeichnungen . G6 dient zur Rückführung der k-Raumtrajektorie auf den Beginn jeder Spirale. Gdl und Gd2 können entweder - wie gezeigt - als in-out Spirale ausgelegt sein oder durch zeitliche Umkehr als out-in Spirale.

Fig. 5b zeigt die als stack-of-spirals ausgebildete zugehörige k-Raumtrajektorie. Zur Steigerung der Effizienz der Datenaufnahme wird die k-Raumtrajektorie für die Aufnahme eines Datensatzes mit isotroper Auflösung auf ein Kugelvolumen beschränkt.

Fig. 5c zeigt die k-Raumtrajektorie für die Aufnahme in A Teilschritten. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.3. wird in jedem Aufnahmeschritt lediglich der zentrale Teil des gesamten k-Raums aufgenommen. Die k-Raum-trajektorie lässt sich dabei weiter verkürzen, indem als Einhüllende ein in nd3-Richtung gestauchtes Parallelellipsoid verwendet wird.

Fig. 6a zeigt eine schematische Darstellung der Sensibilitätsprofile Sl und S2 zweier in d3-Richtung gegeneinander verschobener Empfangsspulen. Die Sensitivität S zeigt dabei die gemessene Signaistärke bei Annahme einer über den gesamten Bereich von d3 konstanten Signalintensität.

Entsprechend der Ausdehnung des in einem Teilschritt ausgelesenen Schichtpakets entlang der d3-Ortskoordinate ergibt sich eine gute Unterscheidbarkeit der mit den beiden Spulen aufgenommenen, durch Punkte gekennzeichneten Signalintensitäten in den jeweils beiden Spulen, wie dies in

Fig. 6b gezeigt ist, gegenüber einer in Fig. 6c wiedergegebenen kompakten Auslesung in konventioneller Multi-Slab 3D Technik.

In den Figuren 7 wird verdeutlicht, wie bei dem erfindungsgemäßen Kernspintomographieverfahren Amplituden von den einzelnen Schichtprofilen zugeordneten Anregungsprofilen variiert werden können, um Ungleichmäßig keiten des Bl-Feldes entlang der Ortskoordinate d3 auszugleichen.

Fig. 7a zeigt eine konstante Amplitude A des Frequenzprofils über alle angeregten Schichten . In Verbindung mit einer entlang d3 variablen Stärke des Bl-Feldes, wie dies in Fig. 7b verdeutlicht ist, führt dies zu Anregungsprofilen unterschiedlicher Intensität, die in Fig. 7c wiedergegeben sind.

Anhand des in Fig.7b gezeigten bekannten Verlaufs von Bl entlang der Ortskoordinate d3 lassen sich Pulsprofile mit unterschiedlicher Amplitude entlang der Ortskoordinate d3 berechnen (Fig.7d), welche für eine konstante Anregung des Zielvolumens über alle Schichten eingesetzt werden können (Fig.7e).

Die Erfindung betrifft ein Kernspintomographieverfahren zur Erzeugung eines Datensatzes für einen dreidimensionalen Bildaufbau, umfassend die folgenden Schritte :

- selektives Anregen eines abzubildenden Zielvolumens eines zu untersuchenden Objekts mittels eines frequenzselektiven Hochfrequenzpulses in Anwesenheit eines Schichtselektionsgradienten Gd3, der entlang einer Ortskoordinate d3 gerichtet ist;

- Durchführen einer dreidimensionalen Ortskodierung der angeregten Magnetisierung des Zielvolumens mit Hilfe von räumlich veränderlichen Magnetfeldgradienten; wobei

- als frequenzselektiver Hochfrequenzpuls ein Multiband-Hochfrequenzpuls verwendet wird, dessen Frequenzprofil mehrere separate Frequenzbänder aufweist, wobei - die Frequenzbänder im abzubildenden Zielvolumen in Verbindung mit dem Schichtselektionsgradienten Gd3 entlang einer Ortskoordinate d3 zur Anregung eines diskreten Schichtgitters mit einem jeweiligen Gitterabstand Änd3 führen; und wobei

- die Ortskodierung entlang der Ortskoordinate d3 mit einer räumlichen Auflösung dnd3 vorgenommen wird, welche mit dem Gitterabstand And3 des Schichtgitters übereinstimmt.

Das dreidimensionale Bild des Zielvolumens kann in bekannter Weise aus dem erzeugten Datensatz gewonnen werden.

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Referenzen

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