DE3436363A1

DE3436363A1 - Verfahren und einrichtung zur erzeugung von durch nuklearmagnetische resonanz erhaltenen bildern

Info

Publication number: DE3436363A1
Application number: DE19843436363
Authority: DE
Inventors: Hanan Kfar Saba Keren
Original assignee: Elscint Ltd
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1983-10-11
Filing date: 1984-10-04
Publication date: 1985-05-23
Also published as: JP2559357B2; FR2553196B1; IL72938A0; JPS60100747A; JPH08280647A; IL72938A; NL192025B; US4689562A; NL192025C; JP2709049B2; NL8403089A; FR2553196A1

Description

I CIM I MNVJfJM-Jtr ,

Dipl.-lng. A.Wasmeier Dipl.-lng. H. Graf

Zugelassen beim Europäischen Patentamt ■ Professional Representatives before the European Patent Office Patentanwälte Postfach 382 8400 Regensburg 1

An das

Deutsche Patentamt Zu/eibrückenstraße

8ÜÜCJ München 2 D-8400 REGENSBURG GREFLINGER STRASSE 7 Telefon (09 41) 5 4753 Telegramm Begpatent Rgb. Telex 6 5709 repat d

Ihr Zeichen
Your ReI.

Ihre Nachricht Your Letter

Unser Zeichen Our Ref.

E/p 11.630 Tag
Date

1 Oktober 1984 W/ He

Anmelder: Elscint Ltd.,

Advanced Technology Center P.O. Box 5258 Haifa 31051, Israel

Titel: "Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung von durch nuklearmagnetische Resonanz erhaltenen Bildern."

Erfinder: Hanan Keren - Wissenschaftler

Priorität: USA - SN 541.007 vom 11, Oktober 1983

Konten: Bayerische Vereinsbank (BLZ 75020073) 5 839 P München (BLZ 70010080) 89369-801

Gerichtsstand Regensburg

Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung von durch nuklearmagnetische Resonanz erhaltenen Bildern.

Die Erfindung bezieht sich auf die Signalverarbeitung für die Bildverbesserung und insbes. auf eine solche Verarbeitung, die bei der Erzeugung von Bildern verwendet wird, die durch nuklearmagnetische Resonanz erhalten werden.

Die Signalverarbeitung zur Verbesserung von Bildern, die durch zur Anzeige gebrachte Signale erzeugt «/erden, macht bestimmte Annahmen und Schritte erforderlich, die zwangsweise Artefakte im Bild bewirken. Wenn beispielsweise Fourier-Transformationen verwendet werden, um die angezeigten Signale zu verarbeiten, treten Artefakte in den Bildern auf. Insbesondere schließt das Dichteprofil Spitzen bzw. Zacken in den oberen Ecken und Viellungen längs der obere-n Begrenzung des Profiles ein. Zusätzlich tritt ein Schrägartefakt bei sonst vertikalen Linien auf. Diese Artefakte werden durch die Beschränkungen verursacht, die auf den Bereich des Integrals der funktion wirken, z.B. unter Verwendung von zeitverkürzten Funktionen. Die Artefakte können die klinische Verwendung der Bilder dadurch verunsichern, daß entweder vorhandene Gewebeprobleme verdeckt werden, oder daß der Kliniker fehlgeleitet wird und Gewebeprobleme dort vermutet, wo keine existieren.

In der Vergangenheit sind Filter und Filtersysteme verwendet worden, um zu versuchen, die Artefakte so gering wie möglich zu halten. Die bekannten Filter und Filtersysteme können zur Entfernung der Artefakte führen, sie entfernen jedoch auch .echte Teile des Objektes, die den Artefakten gleichen, wodurch die VJiedergabegüte des Bildes erheblich beeinträchtigt wird. Die bekannten Filter und Filtersysteme auf dem Gebiet der nuklearmagnetischen Resonanz, die zur Korrektur der Artefakte verwendet werden, welche durch Verwendung von zeitverkürzten Funktionen verursacht wurden, basieren auf einer nachträglichen Erfassung (post-acquisition). Bisher gibt es keine Verfahren oder Einrichtungen, um die beschrie-

benen Artefakte zu entfernen, ohne daß gleichzeitig echte, physikalisch veranlaßte Daten aus den gesammelten Daten entfernt u/erden. Es gibt auch keine zeitverkürzten, funktionsbedingten Artefaktkorrektursysteme, im Echtzeitbetrieb on-line arbeiten.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, zur Minimierung bestimmter Artefakten im On-Line-Betrieb zu arbeiten. Die Artefakten, die nach vorliegender Erfindung korrigiert werden, sind die, die durch zeitverkürte Funktionen verursacht werden, welche auf für die mathematische Konstruktion des Bildes erforderlichen Annahmen aus den erfaßten Daten basieren. Damit soll mit vorliegender Erfindung die Artefaktminimierung erreicht werden, ohne daß tatsächlich angezeigte Daten entfernt werden und ohne daß die Wiedergabegüte des Bildes verschlechtert wird.

Gemäß der Erfindung wird bei einem Abbildungsverfahren mit kernmagnetischer Resonanz zur Hinimierung eingeprägter Artefakte in den Bildern von Objekten vorgeschlagen, daß

a) das Objekt einem ersten magnetischen Feld ausgesetzt wird,

b) ein zweites magnetisches Feld angelegt wird, das im wesentlichen senkrecht zu dem ersten magnetischen Feld verläuft und mit der Larmor-Frequenz rotiert,

c) das zweite magnetische Feld nach einer bestimmten Zeitperiode entfernt wird,

d) mindestens ein tiagnetfeldgradient dem ersten Magnetfeld aufgegeben wird,

e) FID-Signale (free induction decay signals = Signale mit freiem Induktionsabfall) angezeigt werden, die während des Anlegens des Magnetfeldgradienten erzeugt werden,

f) die angezeigten FID-Signale geprüft werden, und

g) die geprüften FID-Signale on-line verarbeitet werden, um eingeprägte Artefakte in dem aus den verarbeiteten Signalen erhaltenen Bild zu minimieren, während gleichzeitig die Wiedergabegüte der angezeigten FID-Signale beibehalten wird.

Nach einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung werden nichtlineare Magnetfeldgradienten verwendet, d.h., daß der Gradient nicht eine konstante, sondern eine sich ändernde Funktion ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Prüfung der angezeigten FID-Signale in Intervallen, die nicht konstant sind, sondern sich als Funktion einer charakteristischen Eigenschaft, z.B. der Zeit, der Phasenlage oder der Frequenz, ändern.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines typischen NMR-Abbildungssystems (NMR = Nuklearmagnetikresonanz),

Fig. 2 eine kombinierte schematische Darstellung eines durch Fourier-Transformation erhaltenen Dichteprofils eines rechteckförmigen Objektes, und eines FID-Signals im Zeitbereich,

Fig. 3 eine Darstellung des Dichteprofils des Phantomobjektes nach Fig. 4,

Fig. 4 das Phantomobjekt,

Fig. 5 eine Darstellung des Profils des Objektes nach Fig. 4 im Anschluß an eine Nach-Erfassungs-Filterung mit einem bekannten Filter,

Fig. 6 eine Darstellung des Profils des Objektes, das mit vorliegender Erfindung in einem On-Line Echtzeit-Betrieb korrigiert ist,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der variablen Prüfintervalle, die typischen FID-Signalen aufgegeben werden, und

Fig. 8 eine graphische Darstellung eines nichtlinearen Feldgradienten, der typischen FID-Signalen überlagert ist.

Das NMR-Abbildungssystem 11 nach Fig. 1 weist einen Magneten 12 auf, der groß genug ist, um ein Objekt, z.B. einen Patienten 13 aufzunehmen. Der Magnet 12 besitzt eine Energie-

einspeisung zur Erzeugung eines Magnetisierungsstromes, der die Magnetisierung bewirkt. Unabhängig von der Darstellung der speziellen Ausführungsform nach Fig. 1 bezieht sich die Erfindung auf alle Arten von Magnetisierungssystemen, die bei NMR-Abbildungssystemen verwendet werden können.

Das Objekt 13 wird einem Magnetfeld Bo ausgesetzt, das in die Zeichenebene gerichtet ist. Die HF-Spule 16 erzeugt ein rotierendes Magnetfeld, wenn sie durch ein HF-Signal aus dem Sender bzw. Geber 17 erregt wird. Der Sender nimmt das HF-Signal aus dem Generator 18 auf. Das von der HF-Spule erzeugte Feld verläuft in der Zeichenebene oder parallel dazu und steht somit im wesentlichen senkrecht zum Magnetfeld Bo.

Das Hauptmagnetfeld wird in an sich bekannter Weise mit einem Gradienten durch Gradientenspulen 19 gespeist, die aus dem Gradiententreiber 21 gespeist werden. Ein Prozessor oder Computer 22 überwacht die einzelnen Einheiten, obgleich aus Gründen der besseren Übersicht die Verbindungsleiter zwischen dem Prozessor 22 und den Magnetfelderzeugungs- und Steuereinheiten nicht dargestellt sind.

Die HF-Spule 16 zeigt ferner die FID-Signale an, die erzeugt werden, wenn die Energie zur HF-Spule abgeschaltet wird. Die FID-Signale werden im Computer oder Prozessor 22 verarbeitet, nachdem sie im Analog/Digital-Wandler 24 in digitale Signale umgewandelt worden sind. Die FID-Signale werden in typischer Weise im Zeitbereich angezeigt und in den Frequenzbereich unter Verwendung der Fourier-Transformation umgewandelt. Eine Vielzahl von FIDs werden so kombiniert, daß sie Bilder darstellen, die auf dem Sichtanzeigegerät 26 zur Anzeige kommen.

Es sind Vorkehrungen getroffen, um die Artefakten, die bei dem Bilderzeugungsvorgang auftreten, z.B. die Spitzen an den Ecken und die Rippen auf der Oberseite, die im Bilddichteprofil vorhanden sind, zu entfernen oder zumindest so klein wie möglich zu halten. Die FID-Signale werden nach einem bestimmten Schema, das nicht linear ist, geprüft. Insbesondere wird

nach einer Ausführungsform der Erfindung die nichtlineare Prüfung der FID-Signale mit einem A/D-Wandler erzielt, der mit einem Prüffunktionsgenerator 27 ausgerüstet ist. Der Funktionsgenerator gewährleistet, daß die Punkte des FID-Signales, die zur Umwandlung in digitale Daten geprüft werden, nicht Punkte sind, die gleichen Abstand voneinander auf der Abszisse der Analogfunktion haben. Die Abszisse kann in Einheiten eines Bereiches, z.B. der Zeit, der Phasenlage oder Frequenz, ausgelegt sein.

Der gleiche Artefaktminimierungseffekt kann dadurch erzielt werden, daß ein Gradient während der FID-Signal-Anzeigeperiode (beobachteter Gradient) verwendet wird, der sich ändert, anstatt einen konstanten Gradienten zu verwenden, wie dies beim Stande der Technik der Fall ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der beobachtete Gradient während der Beobachtungsperiode zeitlich nicht konstant. Die Vorrichtung, mit der der Gradient verändert wird, ist in Fig. 1 als Gradientfunktionsgenerator 28 bezeichnet. Unabhängig davon, ob das PrüfIntervall oder der Gradient, der während der Zeit, in der der FID beobachtet wird, verändert wird, ist das Resultat eine Änderung in den Daten, die zur Erzielung des endgültigen Bildes verwendet werden. Die übrigen Figuren ergeben eine Anzeige der Wiedergabegüte der Bilder nach der Korrektur, um Artefakte zu entfernen.

Fig. 2 zeigt ein Bild des Dichteprofils eines rechteckförmigen Phantoms, das den im Zeitbereich dargestellten FID-Signalen 32, die für das Phantom repräsentativ sind, überlagert wird. Die FID-Signale sind im der Zeitbereich und das Dichteprofil im Frequenzbereich gezeigt.Die Artefakten ergeben sich deutlich aus Fig. 2. Es wird auf die Spitzen 33, 34 an den Ecken und die oberen Rippen bzw. die Welligkeit hingewiesen. Zusätzlich sind die Seiten des Dichteprofiles und 38 gegen die Mitte zu geneigt und nicht vertikal. Im unteren Teil der Seiten 37 und 38 sind ferner sich erweiternde Schürzenbereiche 39 und 41 dargestellt, die nicht genau für das Phantom repräsentativ sind.

Die Darstellung nach Fig. 2 wurde, ähnlich wie beim Stande der Technik, mit einem konstanten Gradienten, nämlich dG/dt = 0, dG/dx = 0 und mit FID-Prüfpunkten bei konstanten Prüfintervallen erhalten.

Die Figuren 3 und 4 zeigen und erläutern die Probleme, die durch Artefakte erzeugt werden, wie sie in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben sind. Das Phantom ist in Fig. 4 dargestellt und besteht aus einem rechteckförmigen Kubus, der eine Breite von 64 Pixels hat. Die oberste Linie des Phantoms weist sieben Zacken auf, deren jede 10?ά der ursprünglichen Höhe Ho des Phantoms besitzt. Die Spitzen haben einen rechteckförmigen Querschnitt und sind nicht breiter als ein Pixel. Das Bildprofil der Fig. 3 zeigt die sieben Spitzen, z.B. Spitzen 42 - im Bild sind jedoch die Spitzen kleiner als 10?ό der ursprünglichen Höhe Ho des Blockes. Die Breite der Spitzen im Bild variiert von der Basis zu der oberen Begrenzung, so daß sie mit dreieckförmigem Querschnitt erscheinen. Die Spitzen an den Ecken, die Artefakten sind, können nicht objektiv von den echten Spitzen unterschieden werden.

Fig. 5 zeigt das Bild, wenn ein bekanntes Nach-Erfassungs-Korrekturfilter verwendet wird. In diesem Fall war das bekannte Filter ein Sinusfilter. Das Filter wird aufgesetzt, wenn die FID-Daten in an sich bekannter Weise verarbeitet werden. Die Spitzen an den Ecken sind verschwunden, die Bilder der echten Spitzen sind niedriger, jedoch breiter geworden, insbesondere an und in der Nähe der Basis. Damit ergeben die Bilder der rechteckförmigen Spitzen eine definierte dreieckförmige Gestalt. Am unteren Ende des Bildes ist noch eine, wenn auch reduzierte Erweiterung vorhanden. Die bekannten Korrektur filter wirken auf die Daten durch NachErfassung, d.h. nicht auf Echtzeit-On-Line-Basis ein. Somit werden die Korrekturen nicht während der tatsächlichen Testdauer erhalten. Auch sind die bekannten Filter nicht selektiv und wirken auf alle Abschnitte des zur Anzeige gebrachten Bildes in gleicher Weise ein.

Fig. 6 ist das Bild unter Verwendung der Verfahren und Einrichtungen nach der Erfindung. Die Spitzen an den Ecken sind vollständig eliminiert. Die echten Spitzen betragen etwa 0,1 von Ho und haben fast die Breite der echten Spitzen an ihren unteren Enden. Die Erweiterung am unteren Ende des Bildes ist praktisch verschwunden. Fig. 6 wurde unter Verwendung von sich ändernden PrüfIntervallen im On-Line-Betrieb erzeugt. Des weiteren ist die Methode nach der Erfindung selektiv; beispielsweise ist die Auflösung in Fig. 6 in der Mitte des Bildes besser als an den Enden. Diese Selektivität kann verwendet werden, wenn gewünschte interessierende Bereiche geprüft werden sollen.

Im Betrieb wird dann das Bild entweder unter Verwendung eines Gradientenfunktionsgenerators abgeleitet, der sicherstellt, daß der Gradient nicht konstant ist, oder unter Verwendung eines Signal-Prüffunktionsgenerators, um die FID-Proben an Stellen zu erhalten, die nicht in gleichem Abstand entsprechend den Abszissen einer FID-Amplitude in Abhängigkeit von der Zeit, der Phasenlage oder der Frequenz versetzt sind.

Fig. 7 zeigt ein bevorzugtes Prüfzeitintervall und Fig. 8 eine bevorzugte Gradientenfunktion nach der Erfindung. Ferner ergeben das PrüfIntervall oder die Gradientenfunktion eine On-Line-Artefaktkorrektur mit Selektivität.

Beim Stande der Technik sind die PrüfIntervalle und die Gradienten konstant. Vorliegende Erfindung sieht die Verwendung entweder variabler PrüfIntervalle, wie in Fig. 7 dargestellt, oder variabler Gradienten, wie in Fig. 8 gezeigt, vor, um die verkürzte Zeitfunktion zu korrigieren, die Artefakte auf einer On-line-Basis ergibt. Dieser Vorgang der Artefaktkorrektur ersetzt die bekannten Filter, die auf einer Nach-Erfassungs-Basis verwendet wurden, und ist wirksamer bei der Korrektur der erwähnten Artefakten als die Filter nach dem Stande der Technik.

Ein typisches variables PrüfIntervall nach der Erfindung ist

^To L^{1 + c} V₀) J

wobei bedeuten:

Tn das PrüfIntervall η die spezielle Prüfstelle, z.B. 64, 63... - 1, 0, 1, 2...

...63,oceine Konstante

No die gesamte Anzahl von Prüfpunkten, z.B. 2 , C eine Konstante (beim Stande der Technik C = 0), wobei für No = 2^ gilt C < O für -64 < η < O und O O für O < η <

Ein typischer variabler Magnetfeldgradient nach vorliegender Erfindung ist:

Gx (t) = Go Hj. + t/To**" *C wobei darstellt:

Gx den beobachteten Gradienten in der X-Richtung, Go den Basisgradienten, ot eine Konstante,

t die Zeitdauer an dem speziellen Punkt auf der graphischen Darstellung nach Fig. 8, wobei -To -t -To und t=0 in der Mitte des FID-Signales, wenn das FID-Signal ein Maximum ist,

C eine Konstante (beim Stande der Technik ist C = O).

- Leerseite -

Claims

Patentansprüche:

Abbildungsverfahren mit kernmagnetischer Resonanz zum Minimieren von eingeprägten Artefakten, die in Bildern von Objekten auftreten, welche bei Verwndung kernmagnetischer Resonanzvorgänge erhalten werden,
dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein Objekt einem ersten magnetischen Feld ausgesetzt wird,

b) ein zweites magnetisches Feld mit einer Larmor-Frequenz senkrecht zum ersten magnetischen Feld angelegt wird,

c) das zweite magnetische Feld nach einer fest vorgegebenen Zeitperiode entfernt wird, um die Erzeugung von Ausgangssignalen zu ermöglichen,

d) mindestens ein Feldgradient dem ersten magnetischen Feld aufgegeben wird,

e) die Ausgangssignale angezeigt werden, die während des Aufgebens der Feldgradient-Signale erzeugt werden, und

f) die Ausgangssignale an Stellen gemessen werden, die ein ON-Line-Bild ergeben, das einen minimalen Anteil an eingeprägten Artefakten hat, während die Wiedergabegüte der angezeigten Ausgangssignale und des Bildes aufrechterhalten werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldgradient so verändert wird, daß FID-Signale (FID = free induction decay) an Stellen erhalten werden, die das Bild mit Artefakten ergeben, die mit einer minimalen zeitverkürzten Funktion erzeugt werden, ohne daß die Wiedergabegüte des Bildes verringert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldgradient während der Messung der FID-Signale nach der Gleichung

Gx(t) = Go [ 1 + t/To *cl wobei C ψ Ο

verändert vi/ird, um eine Konstruktion des Bildes mit minimalen eingeprägten Artefakten unter Beibehaltung der Wiedergabegüte zu ermöglichen.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein konstantes fID-Signal-PrüfIntervall aufrechterhalten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Prüfinterval1 zwischen den gemessenen Punkten der FID-Signale verändert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfintervalle der gemessenen Punkte auf den FID-Signalen wie folgt variiert u/erden:

ei.

ΔΤη = Δ. To Γΐ + C(^Jl)], wobei C^rQ. L λ/λ J
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldgradient konstant gehalten wird.
8. Abbildungsanordnung mit kernmagnetischer Resonanz , zum Minimieren von eingeprägten Artefakten, die in Bildern festgestellt werden, welche unter Verwendung von kernmagnetischen Resonanzvorgängen erzielt werden, gekennzeichnet durch

eine Vorrichtung, die ein Objekt einem ersten Magnetfeld aussetzt,

eine Vorrichtung, die ein zweites Magnetfeld mit einer Larmor-Frequenz rechtwinklig zum ersten Magnetfeld aufgibt,

eine Vorrichtung, die das zweite Magnetfeld nach einer fest vorgegebenen Zeitperiode entfernt, um die Erzeugung von FID-Signalen zu ermöglichen,

eine Vorrichtung, die dem ersten Magnetfeld mindestens einen Magnetfeldgradienten aufgibt,

eine Vorrichtung, die die während des Aufgebens des Feldgradienten erzeugten FID-Signale anzeigt, und

eine Vorrichtung, die die FID-Signale an Stellen mißt, die ein Bild ergeben, das einen minimalen Anteil an eingeprägten Artefakten besitzt, wobei die Wiedergabegüte des Bildes, das aus den FID-Signalen konstruiert wird, aufrechterhalten wird.
9. Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, die den angelegten Magnetfeldgradienten verändert.
10. Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, die den angelegten Magnetfeldgradienten parabolisch verändert.
11. Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, die den angelegten Magnetfeldgradienten linear verändert.
12. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfintervalle, in denen die FID-Signale gemessen werden, konstant gehalten werden.
13. Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, die die PrüfIntervalle, in denen die FID-Signale gemessen werden, verändert.
14. Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, die die PrüfIntervalle, in denen die FID-Signale gemessen werden, parabolisch verändert.
15. Anordnung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, die den Magnetfeldgradienten konstant hält.