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    • 专利摘要:
    Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Magnetresonanz-Spektroskopie MRS (engl. Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy NMRS), wie sie mittlerweile auch in der Medizin zur Untersuchung von biochemischen bzw. Stoffwechselvorgängen im menschlichen Körper Anwendung findet. Dabei bezieht sich die vorliegende Erfindung insbesondere auf ein Verfahren zur dynamischen Frequenzdetektion der Resonanzfrequanz in Magnetresonanz-Spektroskopie-Experimenten, dadurch gekennzeichnet, dass durch Messen von Navigator-Signalen zum jeweils gleichen Zeitpunkt in jedem einer Anzahl von aufeinanderfolgenden Sequenzdurchläufen und durch Vergleich der Navigator-Signale eine Frequenzverschiebung der Resonanzfrequenz ermittelt wird, auf deren Basis das aus jedem Sequenzdurchlauf erhaltene jeweilige Einzelspektrum bezüglich der gemessenen Frequenzverschiebung korrigiert wird.The present invention relates generally to magnetic resonance spectroscopy MRS (Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMRS), as it is now also used in medicine for the investigation of biochemical or metabolic processes in the human body. In particular, the present invention relates to a method for dynamic frequency detection of the resonance frequency in magnetic resonance spectroscopy experiments, characterized in that by measuring navigator signals at the same time in each of a number of consecutive sequence runs and by comparing the navigator signals a frequency shift of the resonance frequency is determined on the basis of which the respective individual spectrum obtained from each sequence pass is corrected with respect to the measured frequency shift.
    公开号:DE102004021771A1
    申请号:DE200410021771
    申请日:2004-04-30
    公开日:2005-12-01
    发明作者:
    申请人:Siemens AG；
    IPC主号:G01N24-08
    专利说明:
    [0001] Verfahrenzur dynamischen Frequenzdetektion der Resonanzfrequenz in Magnetresonanz-Spektroskopie-ExperimentenDie vorliegenden Erfindung bezieht sich allgemein auf die Magnetresonanz-SpektroskopieMRS (engl. Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy NMRS), wie siemittlerweile auch in der Medizin zur Untersuchung von biochemischenbzw. Stoffwechselvorgängenim menschlichen KörperAnwendung findet. Dabei bezieht sich die vorliegende Erfindung insbesondereauf ein neuartiges Verfahren zur Ermittlung und Korrektur der Frequenzdriftder Resonanzfrequenz währendder Akquirierung der Bildserie eines Einzelspektrums.methodfor the dynamic frequency detection of the resonance frequency in magnetic resonance spectroscopy experimentsThe present invention relates generally to magnetic resonance spectroscopyMRS (Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMRS), as they aremeanwhile also in medicine for the investigation of biochemicalor metabolic processesin the human bodyApplication finds. In this case, the present invention relates in particularto a novel method for determining and correcting the frequency driftthe resonant frequency duringthe acquisition of the image series of a single spectrum.
    [0002] DieMagnetresonanz-Spektroskopie (MRS) basiert wie auch die Magnetresonanz-Tomographie (MRT)auf dem im Jahre 1946 entdeckten Kernspinresonanz-Effekt, der vorerstin der Grundlagenforschung dazu verwendet wurde, die magnetischenEigenschaften von Kernen zu messen. Erst als in den 60er Jahrenbeobachtet wurde, dass das Kernresonanz-Signal (NMR-Signal) einesKernes auch von seiner chemischen Umgebung beeinflusst wird und dassdiese "chemischeVerschiebung " (engl.chemical shift) dazu verwendet werden kann, chemische Substanzenzu charakterisieren, etablierte sich die sogenannte "Hochauflösungs-NMR" im Reagenzglas.Diese wird bis heute erfolgreich in der physikalischen, chemischen,biochemischen und pharmazeutischen Forschung und Entwicklung zurAnalyse bzw. zur Strukturanalyse komplexer Makromoleküle eingesetzt.TheMagnetic Resonance Spectroscopy (MRS) based as well as Magnetic Resonance Imaging (MRI)on the discovered in 1946 nuclear magnetic resonance effect, for the time beingin basic research was used to the magneticMeasure properties of nuclei. Only as in the 60swas observed that the nuclear magnetic resonance signal (NMR signal) of aKernes is also influenced by its chemical environment and thatthis "chemicalShift "chemical shift) can be used to chemical substancesto characterize the so-called "high-resolution NMR" established in the test tube.This is still successful in the physical, chemical,biochemical and pharmaceutical research and development toAnalysis or structural analysis of complex macromolecules used.
    [0003] Inden frühen80er Jahren wurde entdeckt, dass das Kernresonanz-Signal aufgrundseiner Abhängigkeitvon der chemischen Umgebung (wasserhaltiges Gewebe bzw. Fett-Gewebe)die Grundlage füreine nicht-invasive Bildgebungstechnik darstellt, die bis heuteals Magnetresonanz-Tomographie (MRT) eine der wichtigsten radiologischenUntersuchungsmethoden in der Medizin darstellt.Inthe early one80s was discovered to be due to the nuclear magnetic resonance signalhis dependencefrom the chemical environment (hydrous tissue or fatty tissue)the basis forrepresents a non-invasive imaging technique that continues todayas Magnetic Resonance Imaging (MRI) one of the most important radiologicalExamination methods in medicine represents.
    [0004] Eswurde jedoch nicht übersehen,dass die bildgebenden Signale in der Magnetresonanz-Tomographieweiterhin chemische Information beinhalten, die zur Untersuchungvon biochemischen Reaktionen bzw. von Stoffwechselvorgängen amlebenden Körperausgewertet werden können.Man nannte diese räumlichaufgelösteSpektroskopie am lebenden Organismus oder am lebenden Organ "In-Vivo-Spektroskopie" (MRS) oder auch "klinische Magnetresonanz-Spektroskopie" (MRS) im Gegensatzzur "Hochauflösungs-NMR" im Reagenzglas,die in der Regel im Labor erfolgt, bzw. im Gegensatz zur rein bildgebendenMagnetresonanz-Tomographie(MRT).Itbut was not overlookedthat the imaging signals in magnetic resonance tomographycontinue to include chemical information for investigationof biochemical reactions or metabolic processes on theliving bodycan be evaluated.These were called spatiallyresolutionSpectroscopy on the living organism or on living organ "in-vivo spectroscopy" (MRS) or "clinical magnetic resonance spectroscopy" (MRS) in contrastfor "high-resolution NMR" in the test tube,which usually takes place in the laboratory, or in contrast to the purely imagingMagnetic Resonance Imaging(MRI).
    [0005] ImFolgenden werden die physikalischen Grundlagen der Kernspinresonanzkurz erläutert: Sowohlin der MRS als auch in der MRT wird das zu untersuchende Objekt(Patient oder Organ) einem starken, konstanten Magnetfeld ausgesetzt.Dadurch richten sich die Kernspins der Atome in dem Objekt, welchevorher regellos orientiert waren, aus. Hochfrequenzwellen können nundiese "geordneten" Kernspins zu einerbestimmten Schwingung anregen (Lamor-Präzession der Magnetisierungals makroskopische Größe). DieseSchwingung erzeugt sowohl in der MRT als auch in der MRS das eigentliche Messsignal,welches mittels geeigneter Empfangsspulen aufgenommen wird. Durchden Einsatz inhomogener Magnetfelder, erzeugt durch Gradientenspulen,kann dabei das Messobjekt in alle drei Raumrichtungen räumlich kodiertwerden, was in der MRT als "Ortskodierung" bzw. in der MRSals "Volumenanregung" bezeichnet wird.In the following the physical basics of nuclear magnetic resonance are briefly explained: In both MRS and MRI, the object to be examined (patient or organ) is exposed to a strong, constant magnetic field. As a result, the nuclear spins of the atoms in the object, which were previously randomly oriented, align themselves. High-frequency waves can now excite these "ordered" nuclear spins to a specific vibration (Lamor precession of magnetization as macroscopic size). This oscillation generates the actual measurement signal in both the MRT and in the MRS, which is recorded by means of suitable receiver coils. By using inhomogeneous magnetic fields generated by gradient coils, the measurement object can be spatially coded in all three spatial directions, which is referred to in MRT as "spatial coding" or in the MRS as "volume excitation".
    [0006] DieAufnahme der Daten in der MRS/MRT erfolgt im sogenannten k-Raum(Synonym: Frequenzraum). Das MR-Spektrum bzw. das MRT-Bild, beides im sogenanntenBildraum, ist mittels Fourier-Transformationmit den gemessenen k-Raum-Daten verknüpft.TheRecording of the data in the MRS / MRT takes place in the so-called k-space(Synonym: frequency space). The MR spectrum or the MRI image, both in the so-calledPicture space is by means of Fourier transformationlinked to the measured k-space data.
    [0007] DieVolumenanregung des Objektes erfolgt mittels schichtselektiver Hochfrequenz-Anregungspulsein alle drei Raumrichtungen. Dies sind in der Regel drei Sinc-förmige, Gauß-förmige oder Hyperbel-förmige HF-Pulse,die gleichzeitig mit Rechteck-förmigenoder Trapez-förmigenGradientenpulsen in das zu untersuchende Objekt eingestrahlt werden.Die Einstrahlung der HF-Pulse erfolgt über HF-Antennen.TheVolume excitation of the object takes place by means of slice-selective high-frequency excitation pulsesin all three directions. These are typically three sine-shaped, gauss-shaped or hyperbola-shaped rf pulses,the same time with rectangle-shapedor trapezoid-shapedGradient pulses are irradiated into the object to be examined.The irradiation of the RF pulses takes place via HF antennas.
    [0008] Durchdie Kombination der eben genannten Pulse wird in einen definierten,in der Regel Quader-förmigenBereich des zu untersuchenden Objekts ein Frequenzspektrum im Bereichder füreine Kernart spezifischen Resonanzfrequenz eingestrahlt. Die jeweiligenKenere in dem ausgewähltenBereich (engl. Voxel of Interest, VOI) reagieren ihrerseits auf dieseAnregung mit elektromagnetischen Antwort-Signalen, welche in Formeines Summensignals (FID-Signal) in einem speziellen Empfangsmodus dererwähntenHF-Antennen detektiert wird. Das analoge Signal wird durch Schalteneines ADCs (engl. Analog-Digital-Converter)abgetastet, digitalisiert und auf einer Rechnereinheit gespeichertbzw. Fourier-transformiert, wodurch ein sogenanntes "Spektrum" auf einer Visualisierungseinheit(Monitor) dargestellt werden kann.Bythe combination of the just mentioned pulses is defined in ausually cuboid-shapedArea of the object to be examined a frequency spectrum in the areathe fora nuclear species specific resonance frequency irradiated. The respective onesKenere in the selected oneVoxels of interest (VOI) respond to themExcitation with electromagnetic response signals, which in shapea sum signal (FID signal) in a special receive mode ofmentionedHF antennas is detected. The analog signal is switched by switchingan ADC (English Analog-Digital-Converter)sampled, digitized and stored on a computer unitor Fourier-transformed, whereby a so-called "spectrum" on a visualization unit(Monitor) can be displayed.
    [0009] JedeAtomkernart hat eine spezifische Konstante (gyromagnetisches Verhältnis γ), welchedie Resonanzfrequenz der Kernart in einem gegebenen Magnetfeld gemäß der Beziehung
    [0010] Sogeben Protonen (d.h, einzelne ungebundene Wasserstoff-Kerne, 1 H) in einem1,5 T starken Magnetfeld Signale bei 63,8 MHz ab, während Kohlenstoff-13-Kerne(13C) bei 16,1 MHz und Phosphor-31-Kerne (31P) bei 26 MHz Resonanzzeigen. Die Signale der unterschiedlichen Kernarten sind daher klartrennbar und es ist sinnvoll, das jeweilige Experiment als Protonen-Spektroskopie,13C-Spektroskopie oder als Phosphor-Spektroskopie zu bezeichnen.Sogive protons (i.e., single unbound hydrogen nuclei, 1 H) in one1.5T strong magnetic field signals down at 63.8 MHz, while carbon 13 cores(13C) at 16.1 MHz and phosphor 31 cores (31P) at 26 MHz resonancedemonstrate. The signals of the different types of kernels are therefore clearseparable and it makes sense to use the respective experiment as proton spectroscopy,13C spectroscopy or denote phosphorus spectroscopy.
    [0011] Diechemische Umgebung eines Atomkerns, insbesondere die Bindungselektronen,führt zuminimalen Änderungender Magnetfeldstärkeinnerhalb eines Moleküls(bereits weiter oben als "chemische Information" bezeichnet) unddamit zu – sehrgeringen aber messbaren – Variationender Resonanzfrequenzen von an sich identischen Atomkernen im Hz-Bereich.Werden nun die Antwortsignale einer Substanz, die sich in einem äußerlichhomogenen Magnetfeld befindet, nach der Frequenz sortiert und aufgetragen,so entsteht auf der Abszisse ein Spektrum verschiedener "chemischer Verschiebungen δ" und damit verschiedenerMoleküle.Thechemical environment of an atomic nucleus, in particular the binding electrons,leads tominimal changesthe magnetic field strengthwithin a molecule(already referred to above as "chemical information") andwith it - very muchsmall but measurable - variationsthe resonance frequencies of identical nuclei in the Hz range.Become the response signals of a substance that is in an externallyhomogeneous magnetic field, sorted by frequency and plotted,Thus, on the abscissa, a spectrum of different "chemical shifts δ" arises and thus differentMolecules.
    [0012] DieseVerschiebung δ wirdin Millionstel der Resonanzfrequenz (ppm = parts per million) angegebengemäß der Formel
    [0013] Wiebereits erwähntwird unter klinischer MR-Spektroskopie die MR-Spektroskopie am lebendenPatienten verstanden, die – häufig ergänzend zur MR-Tomographie – weiterreichendeInformationen überdie metabolische Zusammensetzung des untersuchten Gewebes liefertund die In-Vivo-Untersuchungen von Stoffwechselprozessen im Menschen erlaubt.In der klinischen MR-Spektroskopiewerden die unterschiedlichsten Metabolite (aus dem Stoffwechselresultierende bzw. im Stoffwechsel umgesetzte Produkte) nachgewiesen,deren Existenz und Konzentration Aufschluss über neuronale Funktionalität, Stoffwechselveränderungenund krankhafte Veränderungenin Gehirn, Muskelgewebe und anderen Organen geben können.Asalready mentionedUnder clinical MR spectroscopy, MR spectroscopy is alivePatients understood that - often in addition to MR tomography - more extensiveinformation aboutprovides the metabolic composition of the tissue examinedand the in vivo studies of metabolic processes in humans allowed.In clinical MR spectroscopybe the most diverse metabolites (from the metabolismresulting or metabolised products),their existence and concentration provide information about neuronal functionality, metabolic changesand pathological changesin the brain, muscle tissue and other organs.
    [0014] Wegender geringen Konzentration der Metabolite sind der Volumenanregungje nach Kernart, Aufnahmedauer und Organ Grenzen gesetzt. TypischeMessvolumen in der 1H-MRS betragen etwa 2 cm3,in der 31P-MRS ca. 30 cm3 und in der 13C-MRS sogarmehr als 30 cm3. Für die Aufnahme eines aufschlussreichenauswertbaren Spektrums mit entsprechend hohem SNR sind häufig eineVielzahl von Sequenzdurchläufen,d.h. eine Vielzahl von hintereinanderfolgenden und anschließend aufaddierten Einzelmessungenerforderlich. In der Regel sind dies bis zu 500 Messungen, die insgesamtmehrere Minuten dauern können.Because of the low concentration of the metabolites, the volume stimulation is limited depending on the type of nucleus, the duration of the recording and the organ. Typical measurement volumes in the 1H-MRS are about 2 cm 3 , in the 31P-MRS about 30 cm 3 and in the 13C-MRS even more than 30 cm 3 . For the acquisition of a revealing evaluable spectrum with a correspondingly high SNR, a large number of sequence runs, ie a large number of successive and subsequently added individual measurements, are often required. In general, these are up to 500 measurements, which can take several minutes in total.
    [0015] Während dieservergleichsweise langen Aufnahmezeit von bis zu mehreren Minutensind die aufzunehmenden Einzelspektren äußeren Einflüssen (z. B. Hardware-Imperfektionen,Temperaturänderungenbeteiligter elektronischer Komponenten) ausgesetzt, die eine Veränderungder Resonanzfrequenz um bis zu einigen Hertz pro Stunde bewirkenkönnen undso das Gesamtspektrum als Mittelwert der Einzelspektren qualitativdeutlich beeinflussen bzw. beeinträchtigen.During thiscomparatively long recording time of up to several minutesare the individual spectra to be recorded external influences (eg hardware imperfections,temperature changesinvolved electronic components), which is a changethe resonance frequency by up to a few hertz per hour causecan andso the total spectrum as an average of the individual spectra qualitativelysignificantly affect or impair.
    [0016] Hinzukommt insbesondere in der Protonen-Spektroskopie (1H-MRS), dass das dominante Wasser-Signaldes überallund in hoher Konzentration vorhandenen Zellgewebes durch eine spezielle Aufnahmesequenzunterdrücktwird, um die wesentlich (um ein bis zwei Größenordnungen) schwächeren Signale(z. B. Kreatin, Cholin, Carnitin, usw.), die über einen Bereich von mehrerenppm verteilt sind, sichtbar zu machen. Ein gängiges Verfahren zur sogenanntenWasserunterdrückungist die CHESS-Technik(engl. CHEmical Shift Selective Saturation – auch 3-Puls-Unterdrückung genannt), bei der dieKernspins der Wassermolekülezunächst durch90°-HF-Pulseselektiv angeregt werden und ihre Quermagnetisierung anschließend durchdas Schalten magnetischer Feldgradienten (in allen drei Raumrichtungen,x-, y-, z-Gradient) dephasiert wird. Für ein sich unmittelbar anschließendes Spektroskopieverfahren(beispielsweise durch unmittelbar nachfolgende Volumenanregung)steht somit – imIdealfall – keinenachweisbare Magnetisierung der Wassermoleküle mehr zur Verfügung. Inder Realitätverbleibt zwar eine geringe Wasser-Restmagnetisierung, die jedochim Rahmen des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses (Signalhöhe der interessierenden1H-Metabolite relativ zur Basislinie) tolerierbar ist.in additionEspecially in proton spectroscopy (1H-MRS) that comes the dominant water signalof everywhereand high-concentration cellular tissue through a specific uptake sequencerepressedbecomes the much weaker (by one or two orders of magnitude) signals(eg, creatine, choline, carnitine, etc.) that span a range of severalppm are made visible. A common method for the so-calledwater suppressionis the CHESS technique(English CHEmical Shift Selective Saturation - also called 3-pulse suppression), in which theNuclear spins of water moleculesfirst through90 ° RF pulsesare selectively excited and then their transverse magnetization bythe switching of magnetic field gradients (in all three spatial directions,x, y, z gradient) is dephased. For an immediate subsequent spectroscopy(for example, by immediately following volume excitation)stands thus - inIdeal case - nonedetectable magnetization of the water molecules more available. Inthe realityAlthough a slight residual residual magnetization remains, howeverin terms of the signal-to-noise ratio (signal level of the interesting1H metabolite relative to the baseline) is tolerable.
    [0017] Einerster Ansatz im Stand der Technik, um eine Verschiebung der Einzelspektrendurch Frequenzdrift in der 1H-Spektroskopieberücksichtigen zukönnen,ist es, die Wasserunterdrückungderart zu betreiben, dass ein deutliches Wassersignal (in Form einesPeaks im Spektrum) verbleibt, aus dem Information für Frequenzverschiebungenabgeleitet werden kann. Nachteilig bei dieser Methode ist, dass wassernaheMetabolite auf dem breiten Fuß der Wasserlinieliegen und weitere Nachverarbeitungsschritte erforderlich sind,um zumindest den optischen Eindruck eines MR-Spektrums (Peaks auf waagerechterBasislinie) wieder herzustellen. Weiterhin nachteilig bei diesemVerfahren ist, dass bei einer Drift der Systemfrequenz auch dieQualitätder Wasserunterdrückungbeeinträchtig,diese Methode deshalb nicht sehr robust ist.Onefirst approach in the art, to shift the individual spectraby frequency drift in 1H spectroscopytake into accountcan,it is the water suppressionoperate in such a way that a clear water signal (in the form of aPeaks in the spectrum) remains, from the information for frequency shiftscan be derived. The disadvantage of this method is that water-nearMetabolites on the wide foot of the waterlinelie and further post-processing steps are required,at least the visual impression of an MR spectrum (peaks on horizontalBaseline). Furthermore disadvantageous in thisThe procedure is that with a drift of the system frequency also thequalitythe water suppressiondebilitating,This method is therefore not very robust.
    [0018] EinzelneForschergruppen schlagen vor, nach einer definierten Anzahl vonRepetitionen, währendder die Frequenzverschiebung vernachlässigt bzw. linear interpoliertwerden kann, (Se quenzpaket beispielsweise nach der Akquirierungvon 10 Einzelspektren) in Form eines Referenzscans eine einzelne Messungvorzunehmen, durch die ausschließlich die exakte Frequenzpositiondes Wassersignals bestimmt wird. Eine derartige Sequenzabfolge sollsolange durchgeführtwerden, bis ein brauchbares Spektrum erhalten worden ist. Die jeweiligenReferenzmessungen liefern eine Basis, auf der sämtliche Repetitionszyklen (Sequenzpakete)relativ zueinander korrigiert werden können. Nachteilig bei diesem Verfahrenist der erhöhteZeitbedarf fürdie zusätzlichenReferenzmessungen, weshalb diese Methode letztendlich unattraktivist.SeparateResearch groups suggest, after a defined number ofRepetitions whileneglecting or linearly interpolating the frequency shiftcan be (Se quenzpaket for example, after the acquisitionof 10 individual spectra) in the form of a reference scan a single measurementthrough which only the exact frequency positionthe water signal is determined. Such a sequence sequence shouldas long as doneuntil a usable spectrum has been obtained. The respective onesReference measurements provide a basis on which all repetition cycles (sequence packets)can be corrected relative to each other. A disadvantage of this methodis the raised oneTime required forthe additionalReference measurements, which is why this method ultimately unattractiveis.
    [0019] Weiterhinwird versucht, die Gesamtmesszeit der Spektroskopie-Messung zu minimieren,um den Einfluss von Frequenzänderungenso gering wie möglichzu halten. Dies jedoch hat starke Sättigungseffekte zur Folge,was schließlichdas aufgrund der Messzeitverkürzungdann ohnehin schlechte Signal-zu-Rausch-Verhältnis nochweiter verschlechtert.Fartheran attempt is made to minimize the total measuring time of the spectroscopy measurement,about the influence of frequency changesas low as possibleto keep. However, this has strong saturation effects,what finallythat due to the shortening of the measurement timethen bad signal-to-noise ratio anywayfurther deteriorated.
    [0020] Letztendlichist das Problem der Frequenzdrift-Korrektur in der 1H-Spektroskopiederzeit nicht befriedigend gelöst.At long lastis the problem of frequency drift correction in 1H spectroscopycurrently not solved satisfactorily.
    [0021] Aufgabeder vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen,durch das auf einfache Weise eine Frequenzdrift in der MR-Spektroskopiemit Wasserunterdrückungdiagnostiziert und korrigiert werden kann.taskIt is therefore an object of the present invention to provide a methodby simply a frequency drift in MR spectroscopywith water suppressioncan be diagnosed and corrected.
    [0022] DieseAufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindungdurch die Merkmale des unabhängigen Anspruchsgelöst.Die abhängigenAnsprüchebilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafterWeise weiter.TheseProblem is in accordance with the present inventionby the features of the independent claimsolved.The dependent onesclaimsform the central idea of the invention in a particularly advantageousContinue.
    [0023] Eswird also ein Verfahren beansprucht zur dynamischen Frequenzdetektionder Resonanzfrequenz in Magnetresonanz-Spektroskopie-Experimenten, dadurchgekennzeichnet, dass durch Messen von Navigator-Signalen zum jeweilsgleichen Zeitpunkt in jedem einer Anzahl von aufeinanderfolgendenSe quenzdurchläufenund durch Vergleich der Navigator-Signale eine Frequenzverschiebung derResonanzfrequenz ermittelt wird auf deren Basis das aus jedem Sequenzdurchlauferhaltene jeweilige Einzelspektrum bezüglich der gemessenen Frequenzverschiebungkorrigiert wird.ItThus, a method is claimed for dynamic frequency detectionthe resonance frequency in magnetic resonance spectroscopy experiments, therebycharacterized in that by measuring navigator signals to eachsame time in each of a number of consecutiveSe quenzdurchläufenand by comparing the navigator signals a frequency shift ofResonant frequency is determined on the basis of which from each sequence runreceived respective individual spectrum with respect to the measured frequency shiftis corrected.
    [0024] Vorteilhaftwird im Falle einer Protonen-Spektroskopie das Magnetresonanz-Spektroskopie-Experimentmit Wasserunterdrückungdurchgeführt.Advantageousbecomes the magnetic resonance spectroscopy experiment in the case of proton spectroscopywith water suppressioncarried out.
    [0025] Weiterhinist es vorteilhaft im Falle einer Mehr-Puls-Wasserunterdrückung das Navigator-Signalunmittelbar nach dem ersten HF-Sättigungs-Puls erfolgenzu lassen.Fartherit is advantageous in the case of a multi-pulse water suppression the navigator signalimmediately after the first RF saturation pulseallow.
    [0026] Dabeiist es vorteilhaft den ADC und damit die Dauer des Navigator-Signalsin der Größenordnungvon 100μszu schalten bzw. die ADC-Datenerfassung erfindungsgemäß auf größenordnungsmäßig 10 ADC-Messwertezu beschränken.thereit is advantageous the ADC and thus the duration of the navigator signalin the order of magnitudeof 100μsto switch or the ADC data acquisition according to the invention on the order of 10 ADC measured valuesto restrict.
    [0027] Ineiner vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird über dieADC-Messwerte eines jeden Navigator-Signals gemittelt.Inan advantageous embodiment of the invention is over theAveraged ADC readings of each navigator signal.
    [0028] Ineiner weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird über allekorrigierten Einzelspektren gemittelt.InA further advantageous embodiment of the invention is about allcorrected single spectra averaged.
    [0029] Schließlich wirderfindungsgemäß eine Vorrichtungbeansprucht, welche zur Durchführungdes Verfahrens nach einem der vorhergehenden Verfahrensmerkmalegeeignet ist.Finally willAccording to the invention, a devicewhich is to be carried outthe method according to one of the preceding method featuressuitable is.
    [0030] WeitereVorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindungwerden nun anhand von Ausführungsbeispielenbezugnehmend auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.FurtherAdvantages, features and characteristics of the present inventionwill now be based on embodimentswith reference to the accompanying drawings.
    [0031] 1 zeigtschematisch das Sequenzschema einer erfindungsgemäßen MR-Spektroskopie-Sequenzmit 3-Puls-Wasserunterdrückung undNavigatorsignal, 1 schematically shows the sequence diagram of an MR spectroscopy sequence according to the invention with 3-pulse water suppression and navigator signal,
    [0032] 2a zeigtschematisch ein von Wasserprotonen dominiertes FID-Signal im Zeitbereich, 2a schematically shows a water proton dominated FID signal in the time domain,
    [0033] 2b zeigtschematisch ein 1H-FID-Signal der 1H-Metabolite im Zeitbereich mit Wasserunterdrückung, 2 B Figure 3 shows schematically a 1H-FID signal of the 1H-metabolites in the time domain with water suppression,
    [0034] 2c zeigtschematisch eine von Wasserprotonen dominierte Resonanzkurve imFrequenzbereich, 2c shows schematically a dominated by water protons resonance curve in the frequency domain,
    [0035] 2d zeigtschematisch eine Resonanzkurve der 1H-Metabolite im Frequenzbereich mit Wasserunterdrückung, Diemagnetresonanzspektroskopische Untersuchung eines Gewebes liefertein gedämpftes,periodisch mit der Lamor-Frequenz oszillierendes magnetisches Kernresonanz-Signal (MR-Signal),den sogenannten Freien-Induktions-Zerfall (engl. Free InductionDecay, FID) wie es beispielsweise in den 2a und 2b dargestellt ist.Das FID-Signal ist quasi die elektromagnetische Antwort auf einenzuvor eingestrahlten Hochfrequenz-Anregungspuls in das zu untersuchendeGewebe. Wie bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnt, stelltder eingestrahlte HF-Anregungspuls ein Frequenzspektrum in dem MHz-Bereichdar, welcher sich überden zu erwartenden Resonanzbereich der Metabolite erstreckt. Beider Protonen-Spektroskopie ist das ein Bereich vom 10 ppm bei ca.60 MHz, die spektrale Breite in der Phosphorspektroskopie liegt beica. 30 ppm um 26 MHz und in der 13C-Spektroskopie sind die Resonanzenin den Spektren übereinen Bereich von 200 ppm bei ca. 16 MHz verteilt. 2d The magnetic resonance spectroscopic examination of a tissue provides a damped, with the Lamor frequency oscillating magnetic nuclear magnetic resonance signal (MR signal), the so-called free-induction decay (Free Induction Decay, FID) as in the example 2a and 2 B is shown. The FID signal is, so to speak, the electromagnetic response to a previously irradiated high-frequency excitation pulse into the tissue to be examined. As already mentioned in the introduction, the radiated RF excitation pulse represents a frequency spectrum in the MHz range, which extends over the expected resonance range of the metabolites. In proton spectroscopy, this is a range of 10 ppm at about 60 MHz, the spectral width in the phosphor spectroscopy is about 26 MHz at about 30 ppm, and in 13C spectroscopy, the resonances in the spectra are over a range of 200 ppm distributed at about 16 MHz.
    [0036] DasFID-Signal selbst ist ein zeitlich abhängiges Antwortsignal, in dessenFrequenzverlauf sämtlicheResonanzen der angeregten Kerne in den jeweiligen Metaboliten frequenz-kodiertsind. Diese Kodierung kann durch eine Fourier-Transformation aufgeschlüsselt undnach Resonanzfrequenzen sortiert werden. Die Fouriertransformiertedes FID bezeichnet man allgemein als Resonanzkurve, wobei sich inder MR-Spektroskopie auch der Begriff "Absorptions-Spektrum" eingebürgert hat. Im weiteren Verlaufdieser Beschreibung wird die Repräsentation der magnetischenKernresonanzsignale im Zeitbereich als MR-Signal, im Frequenzbereich als Resonanzkurveoder Spektrum bezeichnet.TheFID signal itself is a time-dependent response signal in whichFrequency course allResonances of the excited nuclei in the respective metabolites frequency-codedare. This coding can be broken down by a Fourier transform andsorted by resonance frequencies. The Fourier transformof the FID is generally referred to as a resonance curve, wherein inThe term "absorption spectrum" has also been used in MR spectroscopy. In the further courseThis description will be the representation of the magneticNuclear resonance signals in the time domain as an MR signal, in the frequency domain as a resonance curveor spectrum.
    [0037] DieTechniken, die zur Auswahl des Volumens, in dem das MR-Signal gemessen werdensoll, benütztwerden können,sind zumindest teilweise die gleichen wie in der MR-Tomographie,d.h. wie in der Bildgebung, wo auch ein Kernresonanzsignal einem bestimmtenOrt zugeordnet wird.TheTechniques used to select the volume in which the MR signal is measuredshould, usedcan beare at least partially the same as in MRI,i.e. as in imaging, where a nuclear magnetic resonance signal is a givenPlace is assigned.
    [0038] MittelsGradienten, d.h. räumlichunterschiedlichen Magnetfeldstärken,die von sogenannten Gradientenspulen außerhalb des Körpers erzeugtwerden, könnenbeliebige Volumina im Körperinnerenausgewählt(selektiert) und angeregt werden. Dabei existieren verschiedensteTechniken und Kombinationen, wie diese Gradienten, d.h. wann wie langeund wie stark in Kombination mit den jeweiligen HF-Anregungspulsengeschaltet werden. Die einfachste Volumen-Selektionsmethode besteht üblicherweiseim nachfolgenden Einstrahlen von drei spektralen 90°-HF-Pulsen,wobei gleichzeitig mit jedem HF-Puls ein Gradientenpuls der jeweiligen Raumrichtung(x-, y-, z-Richtung) geschaltet wird. Man nennt solche HF-Pulse "schichtselektiv". Auf diese Weisewerden drei zueinander orthogonale Schichten und letztendlich nurdas entsprechende Schnittvolumen adäquat erregt, so dass auch nurdieses ein Signal liefert. Dieses eine Signal wird schließlich miteinem ADC (Analog Digital Converter) ausgelesen.throughGradients, i. spatialdifferent magnetic field strengths,generated by so-called gradient coils outside the bodycan, canany volumes inside the bodyselected(selected) and stimulated. There are many different onesTechniques and combinations such as these gradients, i. when how longand how strong in combination with the respective RF excitation pulsesbe switched. The simplest volume selection method is usuallyin the subsequent irradiation of three spectral 90 ° RF pulses,wherein simultaneously with each RF pulse, a gradient pulse of the respective spatial direction(x, y, z direction) is switched. Such RF pulses are called "slice-selective". In this waybecome three mutually orthogonal layers and ultimately onlythe appropriate cutting volume adequately excited, so that onlythis provides a signal. This one signal is finally withread out an ADC (Analog Digital Converter).
    [0039] Auchbei größeren Voluminareicht üblicherweiseeine einzige Messung des FID-Signals nicht aus, um signifikantePeaks im Spektrum relativ zum Grundrauschen zu erhalten. Es müssen meistviele Sequenzdurchgängegemessen werden, wobei die jeweils zu einem Sequenzdurchgang gehörigen Einzelspektrenaddiert werden. Die notwendig große Anzahl an Sequenzdurchgängen führt zu einervergleichsweise langen Gesamtaufnahmezeit (bis zu mehreren Minuten),währendder gerätespezifische Störungen aufdie aufzunehmenden Einzelspektren deutlichen Einfluss nehmen. Soführt eineDrift der Resonanzfrequenz währendder Messung zu einer Verschiebung der Einzelspektren zueinander,was bei der Spektrenaddition zu einer deutlichen Signalverbreiterungführt.Die vorliegende Erfindung schlägtein Verfahren vor, wie eine Resonanzfrequenzdrift während derMessung auf einfache Weise berücksichtigtund zur Korrektur verwendet werden kann.Alsofor larger volumesusually enougha single measurement of the FID signal does not turn out to be significantTo obtain peaks in the spectrum relative to background noise. It usually has tomany sequence passesare measured, wherein each belonging to a sequence passage individual spectrabe added. The necessarily large number of sequence passes leads to acomparatively long total recording time (up to several minutes),whilethe device-specific disturbancesthe single spectra to be recorded clearly influence. Soleads oneDrift of the resonant frequency duringthe measurement to a shift of the individual spectra to each other,which in the spectral addition to a significant signal broadeningleads.The present invention proposesa method such as a resonant frequency drift during theMeasurement taken into account in a simple wayand can be used for correction.
    [0040] Beider 1H-Spektroskopie kommt erschwerend hinzu, dass das Wassersignaldes Zellgewebes – wiebereits eingangs erläutert – gegenüber denMetaboliten-Signalen um Größenordnungendominiert und vor der eigentlichen Volumenanregung mit anschließender Messungdurch einen weiteren zeitaufwändigenSequenzabschnitt unterdrücktwerden muss. Ohne Unterdrückungdes Wassersignals würdendie Resonanzen der Metabolite in der Resonanzkurve nicht in Erscheinungtreten. Diesen Sachverhalt verdeutlichen 2a bis 2d: 2c zeigtschematisch eine von "freien" Wasserprotonen dominierteResonanzkurve im Frequenzbereich die durch Fouriertransformationaus dem ADC-Signal von 2a erhalten wurde. Das Signal vonWasser in beiden Kurven (ADC-Signal und Resonanzkurve) ist so dominant,dass Frequenzen bzw. Resonanzen von 1H-Metaboliten kaum zu erkennen sind. 2b zeigtschematisch ein ADC-Signal welches mit Wasserunterdrückung akquiriertwurde. Das Signal zeigt deutlich den exponentiellen Abfall als Einhüllende inder die Resonanzen von 1H-Metabolitefrequenzkodiert sind. Die Fouriertransformation der Kurve aus 2b führt zu einemin 2d dargestellten Spektrum in dem die Resonanzvon Wasser (schwarzer Pfeil) gegenüber den 1H-Metaboliten rechtsvon der Wasserresonanz deutlich unterdrückt erscheint.In 1H spectroscopy, it is aggravating that the water signal of the cell tissue - as already explained above - has to be dominated by orders of magnitude relative to the metabolite signals and has to be suppressed by a further time-consuming sequence section before the actual volume excitation with subsequent measurement. Without suppression of the water signal, the resonances of the metabolites would not appear in the resonance curve. Clarify this fact 2a to 2d : 2c schematically shows a dominated by "free" water protons resonance curve in the frequency domain by Fourier transform from the ADC signal of 2a was obtained. The signal of water in both curves (ADC signal and resonance curve) is so dominant that frequencies or resonances of 1H metabolites are barely discernible. 2 B schematically shows an ADC signal which was acquired with water suppression. The signal clearly shows the exponential decay as an envelope in which the resonances of 1H metabolites are frequency encoded. The Fourier transform of the curve 2 B leads to an in 2d is spectrum in which the resonance of water (black arrow) compared to the 1H metabolite to the right of the water resonance appears clearly suppressed.
    [0041] DerSequenzabschnitt einer Wasserunterdrückung besteht in einer ähnlichenAbfolge von HF- und Gradientenpulsen wie bei der Volumenanregung,jedoch sind die HF-Pulse nicht schichtselektiv (d.h. die Gradientenpulsewerden nicht gleichzeitig mit den HF-Pulsen eingestrahlt) und weisenaußerdemrelativ zueinander einen spezifischen zeitlichen Abstand und spezifischeAmplitudenverhältnissezueinander auf. Dies führteinerseits zu einer weiteren deutlichen Verlängerung der Messdauer, wasdie Sensibilitäteiner Spektroskopie-Messung mit Wasserunterdrückung noch weiter erhöht. Andererseits können unterpraktischen Randbedingungen mit dieser verhältnismäßig einfachen Methode typischerweiseWasserunterdrückungsfaktorenzwischen 30 und 80 erzielt werden , was für viele Anwendungen nicht nurausreichend sondern notwendig ist um Resonanzen von 1H-Metabolitenim Spektrum überhauptsignifikant darzustellen. Dass das Wassersignal nie vollständig unterdrückt werdenkann ist kein unbedingter Nachteil.Of theSequence section of a water suppression consists in a similarSequence of RF and gradient pulses as in volume excitation,however, the RF pulses are not slice selective (i.e., the gradient pulsesare not irradiated simultaneously with the RF pulses) and pointFurthermorerelative to each other a specific time interval and specificamplitude ratiosto each other. this leads toon the one hand to a further significant extension of the measurement period, whichthe sensitivitya spectroscopy measurement with water suppression even further increased. On the other hand, underpractical boundary conditions with this relatively simple method typicallyWater suppression factorsbetween 30 and 80 are achieved, which not only for many applicationssufficient but necessary to resonances of 1H metabolitesin the spectrum at allto represent significantly. That the water signal never be completely suppressedcan not be an absolute disadvantage.
    [0042] 1 zeigteine typische MRS-Sequenz in Form einer konventionellen Volumen-Anregung,der eine 3-Puls-Wasserunterdrückung vorausgeht.Nach der Volumenanregung wird der ADC derart geschaltet, dass dasunmittelbar nach dem dritten schichtselektiven HF-Puls auftretendeFID-Signal akquiriert bzw. abgetastet wird. Wie anhand 1 zuerkennen ist, führteine derartige Wasserunterdrückung(hier eine 3-Puls-Unterdrückung) zueiner deutlichen zeitlichen Verlängerungder Messsequenz (um einen Faktor 2 bis 3). 1 Figure 4 shows a typical MRS sequence in the form of a conventional volume excitation, preceded by 3-pulse water suppression. After the volume excitation, the ADC is switched such that the FID signal occurring immediately after the third slice-selective RF pulse is acquired or sampled. As based on 1 can be seen, such a suppression of water (here a 3-pulse suppression) leads to a significant extension of the measuring sequence (by a factor of 2 to 3).
    [0043] Dievorliegende Erfindung besteht nun darin, die Datenakquisition eineran sich bekannten MR-Spektroskopie-Sequenz mit Wasserunterdrückung umein Navigator-Signal durch kurzes Anschalten des ADCs zu erweitern.Wichtig ist, dass das Navigator-Signal stets nach dem gleichen ZeitabschnitttNav relativ zum Sequenzbeginn erfolgt.Ferner ist es vorteilhaft das Navigator-Signal sehr kurz zu halten(beispielsweise 50 bis 100 μs),so dass der ADC größenordnungsmäßig etwa10 Werte erfasst, überdie möglicherweisegemittelt werden kann (auch andere Werte sind denkbar). Betrachtetman gemäß 1 eine3-Puls-Unterdrückung,so ist es vorteilhaft, das Navigator- Signal zwischen erstem und zweitem HF-Unterdrückungspulszu sampeln. Auf diese Weise misst der ADC in jedem Sequenzdurchlaufzum jeweils gleichen Zeitpunkt wenige Datenpunkte (komplexe Werte,frequenzkodiert), die das nicht ganz unterdrückte Resonanzsignal von Wasser enthalten.Als komplexe Werte besitzen die jeweiligen (möglicherweise gemittelten) ADC-Werte eine Phase θ, die imFalle einer Drift der Resonanzfrequenz von Sequenz zu Sequenz differiert.The present invention is now to expand the data acquisition of a known MR spectroscopy sequence with water suppression by a navigator signal by briefly turning on the ADCs. It is important that the navigator signal always follows the same time interval t Nav relative to the beginning of the sequence. Furthermore, it is advantageous to keep the navigator signal very short (for example, 50 to 100 μs), so that the ADC on the order of about 10 values detected over which may be averaged (other values are conceivable). Consider according to 1 a 3-pulse suppression, so it is advantageous to sample the navigator signal between the first and second RF suppression pulse. In this way, the ADC measures a few data points (complex values, frequency-coded) at the same time in each sequence run, which contain the not entirely suppressed resonance signal of water. As complex values, the respective (possibly averaged) ADC values have a phase θ which differs from sequence to sequence in the event of a drift of the resonance frequency.
    [0044] DurchVergleich der Phasen der jeweiligen (gemittelten) Navigator-Signal-Werteeines jeden Einzelspektrums (beispielsweise durch komplex-konjugierteMultiplikation) kann gemäß
    [0045] Zusammengefasststellt die erfinderische MR-Spektroskopie-Sequenz eine nur geringfügige Modifikationbereits bestehender MRS-Sequenzen dar mit keiner oder geringer Auswirkungauf die Messzeit. Ferner wird durch das erfindungsgemäße Verfahrendie Spinhistorie nicht beeinträchtigt,d.h. es wird lediglich Zusatzinformation aus bestehenden abfolgendenSequenzschritten ausgelesen. Diese Zusatzinformation wird schließlich direktzur Korrektur der Einzelspektren verwendet und liefert letztendlicheine bessere Qualitätder aufaddierten Einzelspektren.Summarizedprovides the inventive MR spectroscopy sequence only a minor modificationalready existing MRS sequences with no or little effecton the measuring time. Furthermore, by the inventive methoddoes not affect the spin history,i.e. it merely becomes additional information from existing subsequent onesSequence steps read out. This additional information will eventually become directused to correct the individual spectra and ultimately deliversa better qualitythe added individual spectra.
    权利要求:
    Claims (8)
    [1]
    Verfahren zur dynamischen Frequenzdetektion derResonanzfrequenz in Magnetresonanz-Spektroskopie-Experimenten, dadurchgekennzeichnet, dass durch Messen von Navigator-Signalen zumjeweils gleichen Zeitpunkt in jedem einer Anzahl von aufeinanderfolgendenSequenzdurchläufenund durch Vergleich der Navigator-Signale eine Frequenzverschiebungder Resonanzfrequenz ermittelt wird auf deren Basis das aus jedemSequenzdurchlauf erhaltene jeweilige Einzelspektrum bezüglich der gemessenenFrequenzverschiebung korrigiert wird.A method for dynamic frequency detection of the resonance frequency in magnetic resonance spectroscopy experiments, characterized in that by measuring navigator signals at the same time in each of a number of consecutive sequence runs and by comparing the navigator signals a frequency shift of the resonant frequency is determined on the basis thereof the respective individual spectrum obtained from each sequence run is corrected for the measured frequency shift.
    [2]
    Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das Magnetresonanz-Spektroskopie-Experiment mit Wasserunterdrückung durchgeführt wird.Method according to claim 1, characterized in thatthat the magnetic resonance spectroscopy experiment is performed with water suppression.
    [3]
    Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass im Falle einer Mehr-Puls-Wasserunterdrückung das Navigator-Signalunmittelbar nach dem ersten HF-Sättigungs-Pulserfolgt.Method according to claim 2, characterized in thatthat in case of multi-pulse water suppression, the navigator signalimmediately after the first RF saturation pulsehe follows.
    [4]
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass das Navigator-Signal eine Dauer von größenordnungsmäßig 100μs aufweist.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the navigator signal has a duration of the order of 100μs.
    [5]
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,dass das Navigator-Signal größenordnungsmäßig 10 ADC-Messwerte erfasst.Method according to one of claims 1 to 4, characterizedthe Navigator signal records 10 ADC readings on the order of magnitude.
    [6]
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass über dieADC-Messwerte des Navigator-Signals gemittelt wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that over theADC readings of the navigator signal is averaged.
    [7]
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,dass überalle korrigierten Einzelspektren gemittelt wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterizedthat overall corrected individual spectra is averaged.
    [8]
    Vorrichtung welche zur Durchführung des Verfahrens nach einemder vorhergehenden Ansprüche 1bis 7 geeignet istApparatus which for carrying out the method according to aof the preceding claims 1to 7 is suitable
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    2009-07-30| 8364| No opposition during term of opposition|
    2011-02-17| 8339| Ceased/non-payment of the annual fee|
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