DE10057628A1

DE10057628A1 - Kompensation von Schwankungen im Polarisationsmagnetfeld während der Magnetresonanzabbildung

Info

Publication number: DE10057628A1
Application number: DE10057628A
Authority: DE
Inventors: Richard Scott Hinks; Robert Arthur Kraft; Saban Kurucay
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-11-22
Filing date: 2000-11-21
Publication date: 2001-06-13
Also published as: US6294913B1; JP2001190519A; KR20010060368A; JP4773610B2; KR100737034B1

Abstract

Überwachungssignale werden in einer verschachtelten Art und Weise während einer Abtastung mit einem MRI-System erfasst. Durch Schwankungen in dem Polarisationsmagnetfeld B¶0¶ verursachte Frequenzänderungen werden unter Verwendung der Überwachungssignale gemessen, und diese gemessenen Frequenzänderungen werden zur Kompensation von während der Abtastung erfassten Bilddaten verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft kernmagnetische Resonanz- Abbildungsverfahren und -systeme (MRI-Verfahren und -Systeme). Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Beseitigung von Artefakten in MR-Bildern, die durch Änderungen im Polarisationsmagnetfeld während der Erfassung von Daten erzeugt werden.

Wird eine Substanz wie menschliches Gewebe einem gleichförmigen Magnetfeld (Polarisationsfeld B₀) ausgesetzt, versuchen die einzelnen magnetischen Momente des Spins in dem Gewebe, sich mit diesem Polarisationsfeld auszurichten, präzedieren jedoch darum in zufälliger Ordnung an einer charakteristischen Larmorfrequenz, die durch die gyromagnetische Konstante γ der Spins und das Polarisationsmagnetfeld B₀ bestimmt wird. Wird die Substanz, bzw. das Gewebe, einem Magnetfeld (Anregungsfeld B₁) ausgesetzt, das in der x-y-Ebene liegt und nahe der Larmorfrequenz ist, kann das netto-ausgerichtete Moment M_z in die x-y-Ebene zur Erzeugung eines netto-transversalen magnetischen Moments M_t gedreht oder gekippt werden. Ein Signal wird durch die angeregten Spins emittiert, und, nachdem das Anregungssignal B₁ beendet ist, kann dieses NMR-Signal empfangen und zur Ausbildung eines Bildes verarbeitet werden.

Bei der Verwendung dieser Signale zur Erzeugung von Bildern werden Magnetfeldgradienten (G_x, G_Y und G_z) verwendet. Typischerweise wird der abzubildende Bereich durch eine Folge separater Messzyklen (die als Ansichten bezeichnet werden) abgetastet, wobei diese Gradienten entsprechend dem verwendeten bestimmten Lokalisierungsverfahren variieren. Der resultierende Satz empfangener NMR-Signale wird zur Rekonstruktion des Bildes unter Verwendung eines einer Vielzahl bekannter Rekonstruktionsverfahren digitalisiert und verarbeitet.

Ein bekanntes Problem bei MRI-Systemen sind Schwankungen in der Stärke des Polarisationsmagnetfelds B₀. Derartige Veränderungen bzw. Schwankungen beeinflussen die erfassten Bilder in zweierlei Hinsicht. Zum einen verursachen Änderungen in B₀ entsprechende Änderungen in der Phase der erfassten NMR-Signale. Derartige Pseudophasenänderungen erscheinen in den erfassten NMR-Signalen oder k-Raum-Daten und resultieren in Geister- oder Verwacklungsartefakten in einem unter Verwendung des Fouriertransformationsverfahrens rekonstruierten Bild. Da die Pseudophasenverschiebung sich kontinuierlich zwischen der RF-Anregung und der Datenerfassung akkumuliert, sind die Artefakte insbesondere bei Gradienten-Rückruf-Echoimpulsfolgen mit einer langen Echozeit TE schwerwiegend. Änderungen in B₀ können auch eine sichtbare Ortsverschiebung entlang der Frequenzkodiergradientenrichtung (d. h. der Auslesegradientenrichtung) verursachen.

Der zweite schädliche Effekt der Änderungen im Polarisationsmagnetfeld B₀ tritt auf, wenn Schnittauswahlverfahren in der Impulsfolge verwendet werden. Die Änderung in B₀ verschiebt den Ort des angeregten Schnitts um einen Betrag gleich der Änderung in der Larmorfrequenz geteilt durch die Bandbreite des Auswahl-RF-Anregungsimpulses. Verschiebt beispielsweise B₀ die Larmorfrequenz um 20 Hz und hat der Auswahl-RF- Anregungsimpuls eine Bandbreite von 1000 Hz, verschiebt sich der angeregte Schnitt um 2% von seiner erwarteten Position entlang der Schnittauswahlgradientenachse.

Derartige Verschiebungen können Amplitudenänderungen in den erfassten Daten verursachen.

Viele Verfahren werden zur Steuerung und Regulierung des Polarisationsmagnetfeldes B₀ verwendet. Die meisten dieser Verfahren behandeln die Änderungsbedingungen in der Abtasteinrichtung selbst und sind sehr effektiv. Beispielsweise sind Verfahren zur Kompensation der Effekte bei B₀ aufgrund von Wirbelströmen, die durch die Änderung von Magnetfeldgradienten erzeugt werden, in der US-A-4 698 591, der US-A-5 289 127 und der US-A-5 770 943 offenbart.

Die Polarisationsmagnetfeldstärke B₀ wird von äußeren Ereignissen wie der Bewegung großer Massen von Metall in der Nähe der Abtasteinrichtung beeinflusst. Sich bewegende Objekte wie Autos, Lastwagen, Züge und Aufzüge können das Polarisationsmagnetfeld ändern und Bildartefakte erzeugen.

Es wurden zwei Verfahren der Verringerung der Effekte derartiger Störungen, passive Verfahren und aktive Verfahren, verwendet. Passive Verfahren beinhalten die Verwendung von Abschirmmaterialien um den Hauptmagneten, wie es beispielsweise in der US-A-4 646 046 beschrieben ist. Massive Mengen von Siliziumstahlblättern werden um den Magneten platziert, woraus sich ein kostspieliges, schweres und schwer zu installierendes System ergibt.

Aktive Kompensationssysteme verwenden einen Sensor, der die Änderung im magnetischen Fluss an einem Ort nahe der Abtasteinrichtung misst und diese Informationen zur Kompensation des Systems verwendet. Eine derartige Kompensation kann die Erzeugung eines Stroms in einer Spule beinhalten, die ein kom Korrekturmagnetfeld erzeugt. Derartige Verfahren verwenden Flusssensoren, wie sie beispielsweise in der US-A-5 952 734 beschrieben sind, oder ESR-Instrumente, wie sie in der US-A-5 488 950 beschrieben sind. Diese aktiven Verfahren arbeiten nicht gut, wenn die Feldstörung durch eine Vielzahl von Quellen oder von Quellen sich mit sich verändernder Größe oder sich veränderndem Ort erzeugt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorstehend angeführten Probleme zu lösen.

Die Erfindung kompensiert Änderungen, die in dem Polarisationsmagnetfeld eines MR-Systems aufgrund einer Störung, wie der Bewegung großer metallischer Objekte in der Nähe des MR-Systems, auftreten. Insbesondere werden mit dem MR-System Überwachungssignale erfasst, wenn es eine Abtastung durchführt, Frequenzänderungen in den Überwachungssignalen aufgrund von Änderungen in der Polarisationsmagnetfeldstärke werden erfasst, und diese erfassten Frequenzänderungen werden zur Kompensation des erfassten NMR-Bildes oder der Spektroskopiedaten verwendet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Kompensation vorausschauend durch Änderung der Frequenz der RF-Sende- und Empfangseinrichtung zum Ausgleich der Effekte der Änderungen in B₀ erreicht, und bei einem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Kompensation retrospektiv durch Änderung der Phase der erfassten k-Raum-Daten zum Ausgleich der Effekte der Änderungen in B₀ erreicht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines bekannten MRI-Systems, das zur Ausübung der Erfindung modifiziert wurde,

Fig. 2 ein elektrisches Blockschaltbild der Sende- /Empfangseinrichtung, die Teil des in Fig. 1 gezeigten MRI-Systems ist,

Fig. 3 eine grafische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Überwachungssignalimpulsfolge, die in dem in Fig. 1 gezeigten MRI-System anwendbar ist,

Fig. 4 eine grafische Darstellung einer Impulsfolge, wobei eine Überwachungssignalerfassung in einer Abbildungsimpulsfolge enthalten ist,

Fig. 5 ein Ablaufdiagramm der Schritte gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 6 ein Ablaufdiagramm zusätzlicher Schritte zur Ausübung eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Fig. 1 zeigt die Hauptkomponenten eines bevorzugten MRI- Systems, das die Erfindung beinhaltet. Der Betrieb des Systems wird von einer Bedienkonsole 100 aus gesteuert, die eine Tastatur und ein Steuerpult 102 und eine Anzeigeeinrichtung 104 enthält. Die Konsole 100 kommuniziert über eine Verbindung 116 mit einem separaten Computersystem 107, das einem Bediener die Steuerung der Erzeugung und die Anzeige von Bildern auf dem Bildschirm bzw. der Anzeigeinrichtung 104 ermöglicht. Das Computersystem 107 enthält eine Vielzahl von Modulen, die miteinander über eine Rückwandplatine kommunizieren. Diese beinhalten ein Bildverarbeitungsmodul 106, ein CPU-Modul 108 und ein Speichermodul 113, das im Stand der Technik als Bildpuffer zur Speicherung von Bilddatenarrays bekannt ist. Das Computersystem 107 ist mit einem Plattenspeicher 111 und einem Bandlaufwerk 112 zur Speicherung von Bilddaten und Programmen verbunden, und kommuniziert mit einer separaten Systemsteuerung 122 über eine serielle Hochgeschwindigkeitsverbindung 115.

Die Systemsteuerung 122 enthält einen Satz von miteinander über eine Rückwandplatine verbundenen Modulen. Diese beinhalten ein CPU-Modul 119 und ein Impulsgeneratormodul 121, das mit der Bedienerkonsole 100 über eine serielle Verbindung 125 verbunden ist. Über diese Verbindung 125 empfängt die Systemsteuerung 122 Befehle vom Bediener, die die durchzuführende Abtastfolge anzeigen. Das Impulsgeneratormodul 121 steuert die Systemkomponenten zur Ausführung der gewünschten Abtastfolge. Es erzeugt Daten, die den Zeitverlauf, die Stärke und Form der zu erzeugenden RF-Impulse und den Zeitverlauf und die Länge des Datenerfassungsfensters anzeigen. Das Impulsgeneratormodul 121 ist mit einer Gruppe von Gradientenverstärkern 127 verbunden, um den Zeitverlauf und die Form der während der Abtastung zu erzeugenden Gradientenimpulse anzuzeigen. Das Impulsgeneratormodul 121 empfängt auch Patientendaten von einer physiologischen Erfassungsteuereinrichtung 129, die Signale von einer Vielzahl verschiedener mit dem Patienten verbundener Sensoren empfängt, wie EKG Signale von Elektroden oder Atmungssignale von der Lunge. Schließlich ist das Impulsgeneratormodul 121 mit einer Abtastraumschnittstellenschaltung 133 verbunden, die Signale von verschiedenen mit dem Zustand des Patienten und des Magnetsystems assoziierten Sensoren empfängt. Über die Abtastraumschnittstellenschaltung 133 empfängt auch ein Patientenpositionierungssystem 134 Befehle zur Bewegung des Patienten an die gewünschte Position zur Abtastung.

Die durch das Impulsgeneratormodul 121 erzeugten Gradientensignalverläufe werden an ein Gradientenverstärkersystem 127 aus G_x-, G_y- und G_z- Verstärkern angelegt. Jeder Gradientenverstärker erregt eine entsprechende Gradientenspule in einer allgemein mit 139 bezeichneten Anordnung zur Erzeugung der Magnetfeldgradienten, die zur Positionskodierung erfasster Signale verwendet werden. Die Gradientenspulenanordnung 139 bildet einen Teil einer Magnetanordnung 141, die einen Polarisationsmagneten 140 und eine Ganzkörper-RF-Spule 152 enthält. Ein Sende-/Empfangsmodul 150 in der Systemsteuerung 122 erzeugt Impulse, die durch einen RF- Verstärker 151 verstärkt und mit der RF-Spule 152 über einen Sende-/Empfangsschalter (T/R-Schalter) 145 gekoppelt werden. Die durch die angeregten Kerne in dem Patienten abgestrahlten resultierenden Signale können durch die gleiche RF-Spule 152 erfasst und über den Sende- /Empfangsschalter 154 zu einem Vorverstärker 153 gekoppelt werden. Die verstärkten NMR-Signale werden in dem Empfangsabschnitt der Sendeempfangseinrichtung 150 demoduliert, gefiltert und digitalisiert. Der Sende- /Empfangsschalter 154 wird durch ein Signal von dem Impulsgeneratormodul 121 zur elektrischen Verbindung des RF-Verstärkers 151 mit der Spule 152 während des Sendemodus und zur Verbindung des Vorverstärkers 153 während des Empfangsmodus gesteuert. Der Sende-/Empfangsschalter 154 ermöglicht auch die Verwendung einer separaten RF-Spule (beispielsweise einer Kopfspule oder Oberflächenspule) in dem Sende- und dem Empfangsmodus.

Die durch die RF-Spule 152 aufgenommenen NMR-Signale werden durch das Sende-/Empfangsmodul 150 digitalisiert und zu einem Speichermodul 160 in der Systemsteuerung 122 übertragen. Ist die Abtastung abgeschlossen und wurde ein gesamtes Datenarray in dem Speichermodul 160 erfasst, führt ein Arrayprozessor 161 eine Fouriertransformation der Daten in ein Array von Bilddaten durch. Diese Bilddaten werden über die serielle Verbindung 115 dem Computersystem 107 zugeführt, wo sie im Plattenspeicher 111 gespeichert werden. Im Ansprechen auf die von der Bedienkonsole 100 empfangenen Befehle können diese Bilddaten auf dem Bandlaufwerk 112 archiviert oder durch die Bildverarbeitungseinrichtung 106 weiter verarbeitet und der Bedienkonsole 100 zugeführt und auf der Anzeigeeinrichtung 104 dargestellt werden.

Gemäß den Fig. 1 und 2 erzeugt die Sende- /Empfangseinrichtung 150 das RF-Anregungsfeld B1 über einen Leistungsverstärker 151 an einer Spule 152A und empfängt das in einer Spule 152B induzierte resultierende NMR- Signal. Wie vorstehend angeführt, können die Spulen 152A und B getrennt vorhanden sein, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, oder es kann sich um eine einzelne Ganzkörperspule wie in Fig. 1 gezeigt handeln. Die Basis- oder Trägerfrequenz des RF-Anregungsfeldes wird unter der Steuerung eines Frequenzsynthetisierers 200 erzeugt, der einen Satz digitaler Signale von dem CPU-Modul 119 und dem Impulsgeneratormodul 121 empfängt. Diese digitalen Signale zeigen die Frequenz und Phase des am Ausgang 201 zu erzeugenden RF-Trägersignals an. Der befohlene RF-Träger wird an einen Modulator- und Aufwärtswandler 202 angelegt, wo seine Amplitude im Ansprechen auf ein Signal R(t) moduliert wird, das auch von dem Impulsgeneratormodul 121 empfangen wird. Das Signal R(t) definiert die Hüllkurve des zu erzeugenden RF-Anregungsimpulses und wird in dem Modul 121 durch aufeinanderfolgendes Auslesen einer Folge gespeicherter digitaler Werte erzeugt. Diese gespeicherten digitalen Werte können wiederum von der Bedienkonsole 100 aus geändert werden, um die Erzeugung einer gewünschten RF- Impulshüllkurve zu ermöglichen.

Die Größe des am Ausgang 205 erzeugten RF-Anregungsimpulses wird durch eine Anregungs-Dämpfungsschaltung 206 gedämpft, die einen digitalen Befehl TA von der Rückwandplatine 118 empfängt. Die gedämpften RF-Anregungsimpulse werden einem Leistungsverstärker 151 zugeführt, der die RF-Spule 152a ansteuert. Eine ausführlichere Beschreibung dieses Abschnitts der Sende-/Empfangseinrichtung 122 findet sich in der US-A-4 952 877.

Gemäß den Fig. 1 und 2 wird das durch das Subjekt erzeugte NMR-Signal durch die Empfangsspule 152B aufgenommen und über den Vorverstärker 153 dem Eingang einer Empfangsdämpfungseinrichtung 207 zugeführt. Die Empfangsdämpfungseinrichtung 207 verstärkt das Signal weiter um einen Betrag, der durch ein digitales Dämpfungssignal (RA) bestimmt wird, das von der Rückwandplatine 118 empfangen wird.

Das empfangene Signal befindet sich an oder um die Larmorfrequenz, und dieses Hochfrequenzsignal wird in einem Zweistufenvorgang durch einen Abwärtswandler 208 herabgewandelt, der zuerst das NMR-Signal mit dem Trägersignal auf der Leitung 201 mischt, und dann das resultierende Differenzsignal mit dem 2,5 MHz-Bezugssignal auf der Leitung 204 mischt. Wie es vorstehend beschrieben ist, wird die Phase des Trägersignals auf der Leitung 201 durch den Frequenzsynthetisierer 200 im Ansprechen auf einen von dem Impulsgeneratormodul 121 empfangenen Phasenbefehl gesteuert. Zur Ausübung des bevorzugten Ausführungsbeispiels wird dieser Phasenbefehl während der Erfassung der Daten geändert, um Änderungen in der Polarisationsmagnetfeldstärke abzugleichen bzw. zu kompensieren.

Das herabgewandelte NMR-Signal wird dem Eingang eines Analog-Digital-(A/D)-Wandlers 209 zugeführt, der das analoge Signal abtastet und digitalisiert und einer digitalen Erfassungs- und Signalverarbeitungseinrichtung 210 zuführt, die 16-Bit-In-Phase-(I-)Werte und 16-Bit- Quadratur-(Q-)Werte entsprechend dem empfangenen. Signal erzeugt. Der resultierende Strom digitalisierter I- und Q- Werte des empfangenen Signals wird über die Rückwandplatine 118 zu dem Speichermodul 160 ausgegeben, wo diese zur Rekonstruktion eines Bildes verwendet werden.

Das 2,5 MHz-Bezugssignal sowie das 250 kHz-Abtastsignal und die 5-, 10- und 60 MHz-Bezugssignale werden durch einen Bezugsfrequenzgenerator 203 aus einem gemeinsamen 20 MHz- Mastertaktsignal erzeugt. Eine ausführlichere Beschreibung der Empfangseinrichtung ist in der US-A-4 992 736 gegeben.

Sich bewegendes Metall (ein Auto, Lastwagen, Aufzug, Zug, usw.), das nahe dem MRI-System vorbei zieht, verursacht eine Änderung der Polarisationsmagnetfeldstärke als Funktion der Zeit B₀(t). Die B₀(t)-Schwankungen aufgrund sich bewegender Objekte tendiert zu einer Niederfrequenzfunktion, wobei sich das Feld B₀ gleichmäßig über den Verlauf von 0,5 bis 2,0 Sekunden ändert. Die Spitzenverschiebung von der Grundlinie B₀ kann von wenigen Hz (Autos) bis zu mehreren zehn Hz (Lastwagen und größere Objekte) schwanken. Diese Schwankung in B₀ ist viel langsamer als die bei der magnetischen Vibration beobachteten Fluktuationen (1-100 Hz), was zu der Beobachtung führt, dass diese langsameren B₀-Fluktuationen durch die Messung von B₀ mit Überwachungsechos und Kompensieren der beobachteten Frequenzänderungen entweder vorausschauend (Frequenzverschiebung der Sende- /Empfangseinrichtungsbezugsfrequenz) oder retrospektiv während der Bildrekonstruktion kompensiert werden können.

Das sich ändernde, durch die Bewegung metallischer Objekte verursachte B₀(t) erzeugt Phasenverschiebungen in den erfassten NMR-Signalen S(t). Das NMR-Signal S(t) akkumuliert die Pseudophasenverschiebungen, die sich in den rohen k-Raum-Daten zeigen und Geister- oder Verwacklungsartefakte in dem rekonstruierten Bild verursachen. Phasenverschiebungen Δϕ akkumulieren als Integral von B₀(t), bzw. Δϕ = γ∫ΔB₀(t)dt. Diese Phasenverschiebungen akkumulieren kontinuierlich während der Durchführung einer Gradientenrückrufechoabbildungs impulsfolge, beginnend mit dem Anlegen des RF- Anregungsimpulses und sich erstreckend auf die Datenerfassung. Gradientenechoabtastungen sind somit sehr empfindlich bezüglich sich bewegenden Metalls, insbesondere bei langen TE-Zeiten.

Die Erfindung kompensiert Schwankungen in B₀ aufgrund sich bewegenden Metalls durch die Messung der Frequenz eines Überwachungs-NMR-Signals periodisch während der Abtastung und unter Verwendung dieser Informationen zur Kompensierung der während der Abtastung erfassten NMR-Daten. Bei einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel werden diese Überwachungs-NMR-Signale durch eine in Fig. 3 dargestellte separate Überwachungsimpulsfolge erzeugt. Diese Überwachungsimpulsfolge wird mit den Abbildungsimpulsfolgen derart verschachtelt, dass ein NMR-Überwachungssignal alle 50 bis 100 Millisekunden während der Abtastung erfasst wird. Wie es nachstehend beschrieben ist, werden die erfassten NMR-Überwachungssignale verarbeitet und zur Anpassung der in der Sende-/Empfangseinrichtung 150 angewendeten Bezugsfrequenz verwendet.

Gemäß Fig. 3 beinhaltet die Überwachungsimpulsfolge einen Nicht-Auswahl-RF-Anregungsimpuls 10 mit einem Kippwinkel von 90° und einer Dauer von 0,5 Millisekunden. Der RF- Anregungsimpuls hat eine Frequenz, die entsprechend der Frequenz der Spins eingestellt ist, aus denen das Überwachungssignal erfasst wird. Nach der Beendigung des RF-Impulses 10 schaltet das System so schnell als möglich (in ungefähr 200 µSekunden) in den Empfangsmodus um und ein NMR-Überwachungssignal 12 wird erfasst. Insgesamt werden 256 Abtastungen des Überwachungssignals 12 mit einer Rate von einer Abtastung alle 16 µMikrosekunden erfasst. Wie vorstehend beschrieben, werden die I- und Q-Werte jeder Abtastung im Speicher gespeichert.

Bei diesem Erfassungsverfahren des Überwachungssignals ist die Verwendung und Anregung einer separaten Probe mit einer separaten RF-Anregungsspule zu bevorzugen. Eine derartige Probe und Spule sind in der ebenfalls anhängigen US- Patentanmeldung Nr. 09/384945, eingereicht am 27. August 1999, offenbart. Als Alternative kann die Überwachungsimpulsfolge mit den Abbildungsimpulsfolgen verschachtelt und mit der gleichen Hardware durchgeführt werden. In diesem Fall ist der Kippwinkel des RF- Anregungsimpulses auf einen sehr kleinen Wert reduziert, um die Spinmagnetisierung in dem abgebildeten Subjekt nicht unangemessen zu beeinflussen.

Ein alternatives Verfahren zur Erfassung von NMR- Überwachungssignalen besteht in der Aufnahme der Erfassung in die während der Abtastung verwendete Abbildungsimpulsfolge. Dies ist beispielsweise in Fig. 4 dargestellt, wobei es sich um eine Gradientenrückrufechoabbildungsimpulsfolge handelt, die zur Erfassung eines NMR-Überwachungssignals 14 modifiziert ist. Nachdem der RF-Anregungsimpuls 8 zur Erzeugung einer transversalen Magnetisierung angelegt wurde, und unmittelbar nach der Neuphasenabgleichkeule 16 für einen Schnittausmahlgradientenimpuls 18 wird das Überwachungssignal 14 erfasst. Es wird vor der Anwendung eines Auslesegradienten 20 und eines Phasenkodierungsgradienten 22 erfasst, die die transversale Magnetisierung mit einer Phasenverschiebung beaufschlagen. Das NMR-Echosignal 6 wird somit in wenigen Millisekunden nach der Erfassung des Überwachungs-NMR-Signals 14 erfasst. Wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird diese Impulsfolge während einer Abtastung wiederholt, und der Phasenkodierungsgradient 22 wird über einen Satz von Werten zur Abtastung des k-Raums gestuft. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird jede erfasste Ansicht oder abgetastete Linie im k-Raum von 256 Abtastungen des NMR- Überwachungssignals 14 begleitet, das im Wesentlichen im gleichen Moment während der Abtastung erfasst wurde. Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben ist, liefert das NMR- Überwachungssignal 14 eine Kennzeichnung der B₀-Feldstärke zum im Wesentlichen gleichen Zeitpunkt, zu dem sein zugehöriges NMR-Echosignal 6 erfasst wird. Es ist ersichtlich, dass, da die Schwankungen in B₀ relativ langsam sind, der im Wesentlichen gleiche Zeitpunkt innerhalb ≦ 100 Millisekunden des exakt gleichen Zeitpunkts bedeutet.

Gemäß Fig. 5 besteht der erste Schritt zur Anwendung der Erfindung in der Erfassung von Überwachungssignaldaten zusammen mit den zu kompensierenden Bilddaten, wie es im Verarbeitungsblock 300 dargestellt ist. Die Überwachungsdaten werden durch eine erste Berechnung der Größe jeder Abtastung prompt verarbeitet:

M = √I² + Q²

wie es im Verarbeitungsblock 302 gezeigt ist. Die Phase jeder Überwachungssignalabtastung wird dann berechnet:

= ϕ = tan^-1(I/Q)

wie es im Verarbeitungsblock 304 gezeigt ist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der C-Kodeaufruf "atan ϕ" für diese Berechnung verwendet.

Die berechneten Phasenwerte ϕ für jede der 256 Überwachungssignalabtastungen werden dann an eine Gerade wie im Verarbeitungsblock 306 angezeigt angepasst. Eine gewichtete Kleinste-Quadrate-Anpassungsroutine wird zur Durchführung dieses Schritts verwendet, wobei die in Schritt 302 berechneten Größen- bzw. Amplitudenwerte zur Gewichtung der Phasenwerte verwendet werden. Die Frequenz f des Überwachungssignals wird dann wie im Verarbeitungsblock 308 angezeigt unter Verwendung der Neigung der an die gemessenen Phasenwerte angepassten Geraden berechnet:

f = Δϕ/Δt.

Die Frequenz f wird somit unter Verwendung einer Filterfunktion zur Bestimmung der Neigung der Phase gegenüber den Zeitwerten bestimmt, indem ein so genanntes Phasenauspackverfahren verwendet wird, wenn die Phase des Signals durch den 2π-Phasenübergang läuft. Die Frequenz f ist die Larmorfrequenz der angeregten Spins am Polarisationsmagnetfeldwert B₀ in dem Moment, wenn das Überwachungssignal erfasst wurde. Wie es im Verarbeitungsblock 310 gezeigt ist, wird diese Frequenz f zur Kompensation der erfassten Bilddaten unter Verwendung eines der nachstehend beschriebenen Verfahren verwendet.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die gemessene Larmorfrequenz f während der Erfassung nachfolgender Bilddaten verwendet. Gemäß Fig. 2 wird die Frequenz f als Befehl für den Frequenzsynthetisierer 200 in dem Sende-/Empfangsmodul 150 zur Steuerung der Frequenz des RF-Trägersignals auf der Leitung 201 ausgegeben. Dieses Trägersignal bestimmt die Mittenfrequenz der RF- Anregungsimpulse, die durch die nachfolgenden Abbildungsimpulsfolgen erzeugt werden, und bestimmt die Demodulationsfrequenz, die zur Erfassung nachfolgender NMR- Signale verwendet wird. Dieses vorausschauende Kompensationsverfahren korrigiert Schwankungen in B₀, bevor die NMR-Signale erfasst werden. Dies wird bevorzugt, wenn die in Fig. 3 gezeigte separate Überwachungsimpulsfolge angewendet wird, und die korrigierte Trägerfrequenz f wird während einer 50-100 Millisekunden Periode während der Abtastung verwendet, bis das nächste Überwachungssignal erfasst und verarbeitet ist. Die Polarisationsfeldfunktion B₀(t) wird somit während der Abtastung gemessen, und die Trägerfrequenz f wird derart verändert, dass die erfassten NMR-Daten nicht beeinflusst werden. Je höher die Rate ist, mit der B₀(t) gemessen wird, desto größer ist die Genauigkeit der Kompensation.

Werden die Überwachungssignale mit einer hohen Rate zur Erhöhung der Kompensationsgenauigkeit erfasst, kann es aus Billigkeitsgründen nicht möglich sein, die Sende- /Empfangsträgerfrequenz schnell genug zur Implementation des vorausschauenden Kompensationsverfahrens zu ändern. Bei diesen Anwendungen ist das bevorzugte Kompensationsverfahren eine retrospektive Korrektur der erfassten k-Raum-Bilddaten, nachdem sie erfasst wurden.

Gemäß Fig. 6 ändert das retrospektive Kompensationsverfahren die Phase der erfassten k-Raum- Bilddaten, nachdem sie erfasst und gespeichert wurden. Der im Verarbeitungsblock 312 gezeigte erste Schritt besteht in der Berechnung des Frequenzfehlers aufgrund der Änderungen in B₀. Dieser wird durch Subtrahieren einer Bezugslarmorfrequenz f₀, die erzeugt wird, wenn sich das Polarisationsmagnetfeld B₀ an einem nicht gestörten Bezugswert befindet, von der Larmorfrequenz f durchgeführt, die mit dem gleichzeitig erfassten NMR-Überwachungssignal gemessen wird. Der Bezugswert ist ein Durchschnittswert über die Zeit oder kann zuvor gewählt werden. Der durch diesen Frequenzfehler Δf erzeugte Phasenfehler wird dann wie im Verarbeitungsblock 314 gezeigt berechnet. Wie es in Fig. 4 durch die Gerade 320 gezeigt ist, akkumuliert der Phasenfehler mit der Zeit t, dem Anlegen des RF- Anregungsimpulses 8 folgend. Die Rate der Phasenfehlerakkumulierung ist die Neigung der Geraden 320, die durch den Frequenzfehler Δf bestimmt wird. Das erfasste Echosignal 6 kann unter Verwendung einer einzelnen Phasenfehlerkorrektur korrigiert werden, die zur Echozeit TE wie folgt berechnet wird:

Δϕ = Δf . TE.

Alternativ kann die Phasenfehlerkorrektur separat zu jeder Abtastzeit des NMR-Echosignals 6 berechnet werden. In jedem Fall wird eine Phasenkorrektur Δϕ bei jeder komplexen (I, Q)-Abtastung des NMR-Bildsignals 6 wie im Verarbeitungsblock 316 gezeigt durchgeführt. Ähnliche Korrekturen werden bei jedem erfassten NMR-Bildsignal in dem k-Raum-Bilddatensatz unter Verwendung der Frequenzinformationen durchgeführt, die aus deren zugehörigen NMR-Überwachungssignalen hergeleitet werden. Ein Bild wird dann wie im Verarbeitungsblock 318 gezeigt unter Verwendung der kompensierten k-Raum-Daten rekonstruiert.

Viele Modifikationen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele sind möglich, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Es gibt andere Verfahren zur Messung der Frequenz des Überwachungssignals. Bei dem vorstehend angeführten einfachsten Verfahren werden die Messungen von B₀, die der Erfassungszeit des NMR-Signals am Nächsten sind, zur Korrektur des Signals verwendet. Eine Alternative ist die Anpassung erfasster B₀-Messungen an eine Funktion niedriger Ordnung, wie ein Polynom, zur Ausbildung von B₀(t). Der Wert der B₀(t)-Funktion an jeder Signalerfassungszeit t wird dann bestimmt. Die Funktion B₀(t) kann auch unter Verwendung eines Tiefpassfilters berechnet werden, was den zusätzlichen Vorteil einer Reduzierung kleiner schneller Fluktuationen hat, die durch einen niedrigen Signal-zu-Rauschabstand in den Überwachungssignalen verursacht werden. Gleichermaßen kann die Herausfilterung derartiger kleiner Fluktuationen durch die Durchführung von Korrekturen nur dann, wenn die B₀- Fluktuationen einen Schwellenwert überschreiten (beispielsweise 1 Hz), erreicht werden.

Überwachungssignale werden in einer verschachtelten Art und Weise während einer Abtastung mit einem MRI-System erfasst. Durch Schwankungen in dem Polarisationsmagnetfeld B₀ verursachte Frequenzänderungen werden unter Verwendung der Überwachungssignale gemessen, und diese gemessenen Frequenzänderungen werden zur Kompensation von während der Abtastung erfassten Bilddaten verwendet.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung eines Bildes mit einem Magnetresonanzabbildungssystem, mit den Schritten:

a) Durchführen einer Reihe von Abbildungsimpulsfolgen, bei denen eine entsprechende Reihe von NMR-Signalen erfasst wird,
b) Erfassen einer Reihe von NMR- Überwachungssignalen, wobei die Erfassung der NMR- Überwachungssignale mit der Erfassung der Reihe der NMR- Signale verschachtelt ist,
c) Kompensieren der Reihe der erfassten NMR-Signale bezüglich Schwankungen in einem Polarisationsmagnetfeld B₀ in dem Magnetresonanzabbildungssystem unter Verwendung von aus der Reihe der NMR-Überwachungssignale hergeleiteten Informationen und
d) Rekonstruieren eines Bildes unter Verwendung der kompensierten NMR-Signale.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die NMR- Überwachungssignale während der Durchführung der Abbildungsimpulsfolgen erfasst werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Abbildungsimpulsfolgen eine Gradientenrückrufechoimpulsfolge darstellen, die umfasst

a) Erzeugen eines rf-Anregungsimpulses zur Erzeugung einer transversalen Magnetisierung,
b) Erzeugen eines Phasenkodierungsgradientenimpulses, um die transversale Magnetisierung mit einer Phasenverschiebung zu beaufschlagen, und
c) Erfassen des NMR-Signals, während ein Auslesegradientenimpuls erzeugt wird,

wobei die NMR-Überwachungssignale erfasst werden, nachdem der rf-Anregungsimpuls erzeugt ist, und bevor die Phasenkodierungs- und Auslesegradientenimpulse erzeugt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein NMR- Überwachungssignal während jeder Abbildungsimpulsfolge in der Reihe erfasst wird, und jedes NMR-Signal mit Informationen kompensiert wird, die aus dem während der gleichen Abbildungsimpulsfolge erfassten NMR- Überwachungssignal hergeleitet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die NMR- Überwachungssignale durch die Durchführung einer Reihe von Überwachungssignalimpulsfolgen erfasst werden, die mit der Durchführung der Reihe der Abbildungsimpulsfolgen verschachtelt sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei jede Überwachungssignalimpulsfolge einen rf-Anregungsimpuls enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Überwachungssignalimpulsfolgen derart verschachtelt sind, dass eine Überwachungssignalimpulsfolge in Intervallen von weniger als 100 Millisekunden über die Durchführung der Reihe der Abbildungsimpulsfolgen durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die aus den NMR- Überwachungssignalen hergeleiteten Informationen deren Frequenz ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Frequenz jedes NMR-Überwachungssignals durch die Schritte hergeleitet wird:

a) Erfassen von Quadraturabtastungen des NMR- Überwachungssignals,
b) Berechnen der Phase jeder Quadraturabtastung und
c) Berechnen der Änderungsrate in der Phase aufeinanderfolgender Quadraturabtastungen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Änderungsrate in der Phase durch die Schritte berechnet wird:
Anpassen der berechneten Phasen aufeinanderfolgender Quadraturabtastungen an eine Gerade und
Berechnen der Neigung der Geraden.

11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die NMR-Signale durch die Schritte erfasst werden:

a) Empfangen jedes NMR-Signals und
b) Demodulieren der empfangenen NMR-Signale unter Verwendung eines Trägersignals mit einer Frequenz f,

wobei die Kompensation der erfassten NMR-Signale durch Änderung der Frequenz f unter Verwendung von Informationen durchgeführt wird, die aus einem NMR-Überwachungssignal hergeleitet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Trägersignalfrequenz f geändert wird, nachdem jedes NMR- Überwachungssignal erfasst und zur Bestimmung der Frequenz des NMR-Überwachungssignals verarbeitet wurde.

13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Reihe der NMR- Signale durch Quadraturabtastung jedes NMR-Signals und Speicherung der Quadraturabtastungen in einem Speicher erfasst wird, und wobei jedes NMR-Signal durch Änderung der Phasen der gespeicherten Quadraturabtastungen unter Verwendung von aus einem NMR-Überwachungssignal hergeleiteten Informationen kompensiert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die aus dem NMR- Überwachungssignal hergeleiteten Informationen dessen Änderungsrate in der Phase darstellen.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei jede Abbildungsimpulsfolge die Erzeugung eines rf- Anregungsimpulses und, nach einer Zeit TE danach, die Erfassung des NMR-Signals enthält, und wobei die Änderung der Phasen der Quadraturabtastungen durch die Änderungsrate in der Phase des NMR- Überwachungssignals und der Zeit TE bestimmt wird.

16. Magnetresonanzabbildungssystem, mit

a) einer Einrichtung zur Erzeugung eines Polarisationsmagnetfeldes B₀ über einen Bereich,
b) einer Einrichtung zur Erzeugung einer transversalen Magnetisierung von Spins, die in dem Bereich vorhanden sind,
c) einer Einrichtung zur Erfassung von NMR-Signalen, die durch die transversal magnetisierten Spins in dem Bereich erzeugt werden,
d) einer Einrichtung zur Erzeugung von Magnetfeldgradienten über den Bereich,
e) einem Impulsgenerator zum Betreiben der Einrichtungen b), c) und d) zur Durchführung einer Reihe von Abbildungsimpulsfolgen zur Erzeugung einer entsprechenden Reihe von NMR-Signalen und zur Erzeugung einer Reihe von NMR-Überwachungssignalen, die mit der Reihe der NMR-Signale verschachtelt ist,
f) einer Einrichtung zur Kompensation der Reihe der erfassten NMR-Bildsignale bezüglich Schwankungen in dem Polarisationsmagnetfeld B₀ unter Verwendung von Informationen, die aus der Reihe der erfassten NMR- Überwachungssignale hergeleitet werden, und
g) einer Rekonstruktionseinrichtung zur Erzeugung eines Bildes aus den kompensierten NMR-Signalen.

17. System nach Anspruch 16, wobei der Impulsgenerator die Reihe der NMR-Überwachungssignale durch die Steuerung der Einrichtungen b) und c) zur Durchführung einer Reihe von Überwachungsimpulsfolgen erzeugt, die mit der Durchführung der Reihe der Abbildungsimpulsfolgen verschachtelt ist.

18. System nach Anspruch 16, wobei die Einrichtung zur Kompensation eine Einrichtung zur Berechnung der Frequenz jedes erfassten NMR-Überwachungssignals zur Bestimmung von Änderungen in dem Polarisationsmagnetfeld B₀ enthält, die auftreten, während die Reihe der NMR-Bildsignale erfasst wird.

19. System nach Anspruch 18, wobei die Einrichtung zur Erfassung einen Empfänger enthält, der die NMR-Bildsignale unter Verwendung eines Trägersignals demoduliert, und die NMR-Bildsignale durch die Änderung der Frequenz dieses Trägersignals kompensiert werden.

20. System nach Anspruch 18, wobei die Einrichtung zur Erfassung einen Speicher zur Speicherung digitalisierter Abtastungen der erfassten NMR-Bildsignale enthält, und die NMR-Bildsignale durch die Änderung der Phase der gespeicherten digitalisierten Abtastungen kompensiert werden.