DE102008044828B3

DE102008044828B3 - Verwendung eines Magnetresonanz-Sequenzmodells zur formalen Beschreibung einer Messsequenz

Info

Publication number: DE102008044828B3
Application number: DE102008044828A
Authority: DE
Inventors: Oliver Dr. Heid; Thomas Kluge
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2008-08-28
Filing date: 2008-08-28
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2028-08-29
Also published as: CN101661087A; US20100090694A1; CN101661087B; JP5627207B2; JP2010051804A; US8299789B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines Magnetresonanz-Sequenzmodells zur formalen Beschreibung einer Messsequenz (100) zur Automatisierung der Messsequenz-Programmierung. Das vorgeschlagene Sequenzmodell erlaubt die systemunabhängige Spezifikation der Messsequenz (100) zur Ausführung auf einem Magnetresonanz-Scanner (4). Das Sequenzmodell ist dabei soweit formal wie möglich, es beschränkt sich auf die minimal erforderliche Information zur Beschreibung einer Messsequenz (100) ohne die Flexibilität in der Sequenzprogrammierung einzuschränken. Das erfindungsgemäße Verfahren zur formalen Beschreibung einer Messsequenz (100) erlaubt es, die Messsequenz, die durch eine Vielzahl von Parametern charakterisiert ist, zu parametrisieren. Bis auf eine Menge von noch zu bestimmenden Parametern (1100) kann die Parametrisierung der Messsequenz (100) automatisch aus der formalisierten Beschreibung der Messsequenz (100) erfolgen. Zum automatischen Erzeugen einer ausführbaren Messsequenz schlägt die Erfindung ein Verfahren vor, das unter Verwendung eines Solvers (2000) und unter Berücksichtigung von Randbedingungen (2500) die zu bestimmenden Parameter (1100) ermittelt, so dass ein konsistenter Satz von Parametern entsteht, welcher die Messsequenz (100) vollständig beschreibt. Diese vollständige Beschreibung von Parameterwerten der Messsequenz (100) kann dann erfindungsgemäß automatisch in eine Programmiersprache übersetzt werden, die unmittelbar auf dem ...

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Programmierung von Messsequenzen für die Magnetresonanz. Insbesondere schlägt die Erfindung eine formale Beschreibung einer Messsequenz vor, unter Verwendung eines Magnetresonanz-Sequenzmodells, wodurch die Programmierung von Messsequenzen für die Magnetresonanz weitestgehend automatisiert werden kann.
Magnetresonanz-Scanner, kurz MR-Scanner oder auch Kernspin-Tomographen, sind heute fester Bestandteil der klinischen Routine zur Untersuchung von Patienten. Darüber hinaus können MR-Scanner auch zur Untersuchung von Tieren und/oder biologischen Proben verwendet werden.
Messsequenzen sind notwendig zur Steuerung des MR-Scanners.
Zur Erzeugung von MR-Bildern in einem MR-Scanner bedarf es eines exakten zeitlichen Ablaufs zwischen der hochfrequenten Anregung, der HF-Anregung, der Spins, der Ortskodierung sowie der Detektion der resonanten Antwort der Spins. Der zeitliche Ablauf von Anregung, Präparation und Detektion wird Pulssequenz bzw. Messsequenz genannt. Ein einzelner Abschnitt der Messsequenz lässt sich nach seinem Zweck einteilen. Diese Einteilung wird als Zeitscheibe bezeichnet. Eine Zeitscheibe ist also ein festgelegter Zeitabschnitt innerhalb der Messsequenz, der einem bestimmten Zweck, zum Beispiel der Anregung der Kernspins dient. Zeitscheiben enthalten Steueranweisungen für den MR-Scanner. Die Zeitscheiben legen genau fest, was der MR-Scanner zu tun hat und zu welchem Zeitpunkt. Eine Abfolge von Zeitscheiben kann auf dem MR-Scanner ausgeführt werden, denn sie enthält alle Anweisungen und deren zeitlichen Zusammenhang zur Steuerung des MR-Scanners.
Alternativ ist die Ausführung der Zeitscheiben auch einer mit dem MR-Scanner verbundenen Steuereinheit möglich.
Eine Messsequenz kann als eine Folge von Zeitscheiben auf dem MR-Scanner ausgeführt werden. Innerhalb der Messsequenz zur Ausführung auf einem MR-Scanner schließen die Zeitscheiben nahtlos, das heißt ohne Lücke, aneinander an. Jede der Zeitscheiben hat eine bestimmte Länge und jeder Zeitscheibe ist mindestens ein Puls mit einer Pulsform zugeordnet. Jede der Zeitscheiben kann ein Typ aus der Menge Sendetyp zum Senden von HF-Leistung, Empfangstyp zum Detektieren der resonanten Antwort der Kernspins und Warptyp zum Präparieren der Kernspins zugeordnet werden. Zeitscheiben vom Sendetyp werden verwendet zur Anregung der Kernspins als sogenannte Anregungspulse, zum Refokussieren der Kernspins, wie auch in einer Mischform, die sowohl zur Anregung als auch zum Refokussieren dient. Darüber hinaus gibt es Zeitscheiben, in denen HF-Energie gesendet und/oder ein HF-Signal empfangen wird. Außerdem sind HF-Pulse zum Invertieren der Kernmagnetisierung, so genannte Inversionspulse bekannt.
Über die Jahre wurde eine Vielzahl von Messsequenzen für unterschiedliche Anwendungen entwickelt. So ist es z. B. möglich, durch die Wahl einer Messsequenz den Kontrast eines Bildes entscheidend zu beeinflussen. Die Präparation des Spin-Systems, z. B. mittels Pulsen zur HF-Anregung, Gradientenpulsen, Wartezeiten usw., hat entscheidenden Einfluß auf Qualität und Eigenschaften des erhaltenen MR-Bildes.
Eine Messsequenz zur Ausführung auf einem MR-Scanner besteht im klinischen Alltag typischerweise aus 10⁶ unterschiedlichen Zeitscheiben, die in einem empfindlichen zeitlichen Zusammenhang untereinander stehen. Das Entwickeln der Messsequenzen hat sich zu einem eigenen Bereich der MR-Physik entwickelt.
Bisher werden Messsequenzen zur Ausführung auf einem MR-Scanner durch einen Sequenzprogrammierer bereitgestellt. Dies geschieht in einer der bekannten Programmiersprachen, in der Regel in C++, welche alle Eigenschaften und die zeitliche Abfolge der Zeitscheiben beschreibt. Das heißt, die Messsequenz wurde bisher manuell erzeugt, um vollständig parametrisiert und mit zulässigen Parameterwerten zur Ausführung auf dem MR-Scanner vorzuliegen.
Die Verwaltung von so vielen Parametern ist mühsam und fehleranfällig. Fehler des Programmierers in der Sequenz-Programmierung können zum Beispiel dazu führen, dass eine MR-Untersuchung eines Patienten durch den MR-Scanner und/oder ein Überwachungsmodul abgebrochen wird, weil z. B. benötigte Parameter nicht mit einem Wert belegt sind. Es bestehen umfangreiche, zum Beispiel zeitliche, Zusammenhänge zwischen einzelnen Parametern, damit ein MR-Bild erhalten werden kann. Werden diese Zusammenhänge nicht eingehalten, erhält man nicht das gewünschte MR-Bild. Das Überprüfen dieser umfangreichen Zusammenhänge durch den Sequenzprogrammierer ist sehr zeitaufwändig und fehleranfällig.
Wenn eine neue Messsequenz zur Ausführung auf einem MR-Scanner entwickelt werden soll, ist zudem das Auffinden eines zulässigen Parametersatzes, der das gewünschte MR-Bild erzeugt, ein langwieriger Prozess. In vielen Iterationsschritten muss der Benutzer des MR-Scanners und/oder der Programmierer einzelne Parameter ändern, bis der Parametersatz insgesamt aufeinander abgestimmte und zulässige Werte enthält, so dass die Messsequenz auf dem MR-Scanner ausführbar ist.
Im Stand der Technik sind bereits unterschiedliche Methoden zur Anwendung für MR-Analgen bekannt. So zeigen die US 5,519,320 A , die DE 10 2007 022 706 A1 , die US 4,707,661 , die US 5,144,242 A und die WO 2007/121020 A1 Ansätze, um Ablaufsteuerungen für MR-Anlagen zu modifizieren und zu verbessern. Das Beschreiben einer Messsequenz und dessen Aufbereitung, so dass diese ausgeführt werden kann, werden hier jedoch nicht offenbart.
Es besteht daher ein Bedarf, Messsequenzen möglichst knapp und umfassend zu beschreiben. Gesucht ist also eine Messsequenzspezifikation. Gleichzeitig darf eine solche knappe Beschreibung die Freiheit des Programmierers zum Erstellen neuer Messsequenzen nicht einschränken.
Darüber hinaus besteht Bedarf an einem Verfahren, das eine Messsequenz automatisch in eine Form bringt, so dass die Messsequenz auf dem MR-Scanner ausführbar ist. Das kann für aktuelle MR-Scanner bedeuten, die Messsequenzspezifikation automatisch in eine Folge von Zeitscheiben zu übersetzen, die auf dem MR-Scanner ausführbar sind.
Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch die Gegenstände nach den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Die vorliegende Erfindung schlägt zunächst ein Verfahren zur formalen bzw. formalisierten Beschreibung einer Messsequenz vor. Zum Erstellen der formalen Beschreibung wird ein Sequenzmodell vorgeschlagen. Das vorgeschlagene Sequenzmodell erlaubt eine sehr knappe Messsequenzspezifikation in Form der formalisierten Beschreibung anzugeben. Darüber hinaus ist diese formale Beschreibung der Messsequenz systemunabhängig. Das heißt, es kommt bei der formalen Beschreibung nicht auf die Eigenschaften des Systems an, auf dem die Messsequenz ausgeführt werden soll. Damit wird ein höherer Grad an Abstraktion in der Beschreibung und Programmierung von Messsequenzen erreicht als bisher.
Die Erfindung stellt darüber hinaus ein Verfahren bereit zum automatischen Übersetzen der Messsequenz in eine Folge von Zeitscheiben, die auf dem MR-Scanner ausführbar sind. Das Verfahren ermittelt aus einer formalisierten Beschreibung eine Vielzahl von Eigenschaften der Messsequenz, die sich gewissermaßen automatisch aus der formalen Beschreibung ergeben. Damit wird für den Messsequenzprogrammierer der Programmieraufwand erheblich reduziert. Die vorliegende Er findung vereinfacht somit die Steuerung von MR-Scannern erheblich. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, ausgehend von einem formalen MR-Sequenzmodell, eine Messsequenz zu erzeugen, die auf einem MR-Scanner unmittelbar ausführbar ist.
Aus der formalisierten Beschreibung lässt sich unter Verwendung eines Solvers ein Strom von Steuerungsanweisungen an einen MR-Scanner erzeugen, z. B. als eine Folge von Zeitscheiben. Die Folge von Zeitscheiben kann dann direkt auf dem MR-Scanner ausgeführt werden, wodurch eine MR-Untersuchung angestoßen wird. Die Verwendung und Funktion eines Solvers wird im Folgenden erklärt.
Die Aufgaben der Erfindung werden insbesondere gelöst durch:

– ein Verfahren zur formalen Beschreibung einer Messsequenz zur Ausführung auf einem Magnetresonanz-Scanner,
– ein Verfahren zur automatischen Erzeugung einer Messsequenz zur Ausführung auf einem MR-Scanner
– ein Computerprogrammprodukt, das ein Verfahren zur formalen Beschreibung einer Messsequenz und/oder ein Verfahren zur automatischen Erzeugung einer Messsequenz zur Ausführung auf einem Magnetresonanz-Scanner implementiert, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird, und
– ein System zur automatischen Erzeugung einer Messsequenz zur Ausführung auf einem Magnetresonanz-Scanner.

Nachstehend wird die Lösung der Aufgaben in Bezug auf das jeweilige Verfahren beschrieben. Hierbei erwähnte Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen sind ebenso auch auf die anderen beanspruchten Gegenstände übertragbar und umgekehrt. Mit anderen Worten: es können auch die gegenständlichen Ansprüche (die beispielsweise auf ein System oder auf ein Produkt gerichtet sind) mit den Merkmalen, die in Zusammenhang mit einem der Verfahren beschrieben und/oder bean sprucht sind, weitergebildet sein und umgekehrt. Die entsprechenden funktionalen Merkmale der Verfahren werden dabei durch entsprechende gegenständliche Module, insbesondere durch Hardware-Module des Systems bzw. der Vorrichtungen ausgebildet.
Die Aufgaben werden insbesondere gelöst durch ein Verfahren zur formalen Beschreibung von Messsequenzen zur Ausführung auf einem MR-Scanner.
Das erfindungsgemäße Verfahren baut auf einem Sequenzmodell auf, in welchem die Messsequenz als ein gerichteter Graph darstellbar ist. Das Sequenzmodell verwendet Blöcke zum Aufbau des gerichteten Graphen. Der gerichtete Graph umfasst Knoten, Kanten sowie Eigenschaften der Kanten zur Ablaufsteuerung.
Das Sequenzmodell erlaubt es, dass die Messsequenz bis auf eine Menge zu bestimmender Parameter automatisch aus dem gerichteten Graphen parametrisierbar ist.
Parametrisierbar bedeutet, dass die Parameter, welche die Messsequenz beschreiben, zumindest als Platzhalter bekannt sind. Es lässt sich also eine Liste aller Parameter angeben, die zur vollständigen Beschreibung der Messsequenz nötig sind. Insbesondere ergibt sich diese Liste aus dem gerichteten Graphen.
Die Menge zu bestimmender Parameter zeichnet sich dadurch aus, dass die Parameterwerte für diese Parameter vorgegeben werden müssen, in der Regel durch den Benutzer.
Unter formaler Beschreibung ist die Darstellung der MR-physikalischen Zusammenhänge in einer formalen Form zu verstehen. Im Rahmen dieser Erfindung wird eine formale Beschreibung vorgeschlagen, die alle möglichen Messsequenzen umfasst. Die vorgeschlagene formale Beschreibung erlaubt also generisch die Beschreibung aller möglichen Messsequenzen für die Ausführung auf einem MR-Scanner. Das heißt, für den Programmierer der Messsequenz bleibt die Freiheit in der Messsequenzprogrammierung erhalten, allerdings wird eine Messsequenz im Rahmen einer formalen Beschreibung, das heißt in einer Art Programmiersprache beschrieben. Aus der formalen Beschreibung oder der Sequenzspezifikationssprache ist die Messsequenz bis auf eine Menge zu bestimmender Parameter parametrisierbar.
Ein Block repräsentiert im Folgenden eine Zeitscheibe einer Messsequenz. Wesentlicher Unterschied zwischen der Zeitscheibe und dem Block ist allerdings, dass die Eigenschaften des Blocks nicht vollständig festgelegt sind. Ein Block ist daher lediglich ein Platzhalter oder ein Container für eine Zeitscheibe ohne konkrete Zeitdauer, während die Zeitscheiben eine konkrete Zeitdauer haben.
Damit hält der Block alle Eigenschaften, die eine Zeitscheibe beschreiben, zumindest als Platzhalter für den konkreten Parameterwert, bereit. In diesem Sinne stellt ein Block eine Abstraktion von der konkreten Zeitscheibe innerhalb einer Messsequenz dar.
Um aus einem Block eine Zeitscheibe zu erhalten, müssen alle Eigenschaften, das heißt alle Parameter, die den Block in seinen Eigenschaften beschreiben, bestimmt sein. Das heißt diese Parameter müssen mit konkreten Werten belegt sein.
Im Rahmen des verwendeten Sequenzmodells können Blöcke eines der Elemente aus der Gruppe Warp-Block, X-Block und Pause sein. Ein Warp-Block, kurz auch W-Block, steht stellvertretend für eine Zeitscheibe vom Warp-Typ. Ein X-Block hingegen steht stellvertretend für eine Zeitscheibe, während der HF-Leistung gesendet und/oder ein HF-Signal empfangen wird. Das Modellieren und Identifizieren von Pausen ist wichtig zum Verschachteln von Messsequenzen. Sie markieren Zeitfenster, in denen zumindest Teile einer weiteren Messsequenz ausgeführt werden können, aber nicht ausgeführt werden müssen.
Im vorgeschlagenen Sequenzmodell schließen Blöcke nahtlos und überlappungsfrei aneinander an. Ferner lassen sich im Rahmen des Sequenzmodells relative zeitliche Zusammenhänge zwischen einzelnen Blöcken formulieren, z. B. in Form von Sequenzzeiten, wie später erläutert wird.
Ein weiterer, wesentlicher Gedanke des vorgeschlagenen Sequenzmodells ist es, Einheiten von Warp-Block und folgendem X-Block zu einer Einheit, einem sogenannten WX-Block, zusammenzufassen. Die Entscheidung, in dem Sequenzmodell WX-Blöcke zu betrachten, ist nur eine Möglichkeit, sie stellt sich allerdings als sehr sinnvoll heraus. Sie erlaubt sehr knappe und elegante Messsequenzspezifikationen.
Selbstverständlich wären auch Sequenzmodelle denkbar, in denen andere Blöcke als WX-Blöcke zusammengefasst werden. Ein solches Sequenzmodell würde aber bei weitem keine so knappe Darstellung von Messsequenzen erlauben, wie es für das erfindungsgemäße Verfahren der Fall ist. Deshalb wird für die folgende Beschreibung oben beschriebenes Sequenzmodell diskutiert, das WX-Blöcke als eine Einheit betrachtet.
Ausgehend von dem Sequenzmodell lässt sich eine Messsequenz in einem weiteren Schritt als gerichteter Graph darstellen.
Die Knoten des gerichteten Graphen sind gebildet aus der Gruppe bestehend aus X-Blöcken, Eintrittspunkt und Austrittspunkt. Die Entscheidung, X-Blöcke neben Eintritts- und Austrittspunkt als Knoten des gerichteten Graphen zu wählen, ist willkürlich. Ebenso wäre es möglich, Warp-Blöcke als Knoten des gerichteten Graphen zu beschreiben. Eine formale Beschreibung einer Messsequenz wäre in diesem Fall allerdings komplizierter, da sich Sequenzzeiten, wie etwa die Echozeit, nicht mehr so bequem als Zeitmessung zwischen Knoten des gerichteten Graphen ergeben.
Es sei allerdings darauf hingewiesen, dass die Darstellung der formalen Beschreibung auf Grundlage des Sequenzmodells als gerichteter Graph nur beispielhaft ist. Ebenso wäre jede andere formale Beschreibung ausgehend von dem Sequenzmodell, etwa in Pseudo-Code oder in einer Programmiersprache, wie zum Bespiel C++, möglich. Die Wahl der formalen Beschreibung ist damit lediglich eine syntaktische Wahl. Es lässt sich eine Übersetzung von der einen formalen in die andere formale Beschreibung finden. In diesem Sinne ist die Darstellung der Messsequenz als gerichteter Graph lediglich für einen Benutzer und/oder den Sequenzprogrammierer komfortabel, da sie sich sehr knapp fassen lässt.
Gerichtete Graphen können verwendet werden, um Abläufe oder Algorithmen darzustellen. In der Informatik sind sie beispielsweise bekannt zur Beschreibung von Automaten. Vor diesem Hintergrund stellt die Darstellung einer Messsequenz als gerichteter Graph eine weitere Abstraktion von einer Folge von Zeitscheiben, die auf einem MR-Scanner ausführbar ist, dar. Durch ein Durchlaufen des gerichteten Graphen, wird die als gerichteter Graph repräsentierte Messsequenz in ihrer zeitlichen Abfolge darstellbar auf einer globalen Zeitachse. Dabei ist der konkrete zeitliche Ablauf der als gerichteter Graph repräsentierten Messsequenz noch nicht vollständig festgelegt. Es stehen zunächst nur relative zeitliche Zusammenhänge fest, wie zum Beispiel die Sequenzzeiten zwischen bestimmten X-Blöcken und das nahtlose Anschließen der Blöcke aneinander, ohne zu überlappen. In der Regel liefert das Ablaufen des gerichteten Graphen einen Meta-Zeitplan für den Ablauf der Messsequenz. Die konkrete Übersetzung des Meta-Zeitplans der Messsequenz in eine Folge von Zeitscheiben wird durch eine Lösung des Timingproblems erreicht. Erfindungsgemäß kann dazu ein Solver verwendet werden.
Der Eintrittspunkt kennzeichnet den Einstieg in den Graphen. Der Austrittspunkt markiert das Ende des Ablaufs im Graphen.
Im gerichteten Graphen sind Knoten verbunden über Kanten des gerichteten Graphen. Diese Kanten entsprechen Transitionen, wie sie dem Fachmann auf dem Gebiet der Automatentheorie bekannt sind.
Ein Ablaufen bzw. Durchlaufen des gerichteten Graphen vom Eintrittspunkt bis zu dessen Austrittspunkt beschreibt die Messsequenz. Das Durchlaufen bedeutet das Ablaufen der Kanten des gerichteten Graphs unter Berücksichtigung von Pfadkontrollen im gerichteten Graph, sowie der Eigenschaften zur Ablaufsteuerung des gerichteten Graphen. Die gewählte Form des gerichteten Graphen als Darstellung der Messsequenz erweist sich als eine sehr elegante Form der Darstellung, da es nicht mehr nötig ist, alle Blöcke der Messsequenz explizit zu notieren.
Für die erfindungsgemäße formale Beschreibung bzw. Modellierung einer Messsequenz in Form eines gerichteten Graphen sind neben den Knoten und Transitionen oder Kanten des gerichteten Graphen noch Eigenschaften der Kanten zur Ablaufsteuerung des gerichteten Graphen nötig. Diese Eigenschaften der Kanten werden verwendet, um weitere Eigenschaften und Zusammenhänge in einer Messsequenz bei ihrer Darstellung als gerichteter Graph zu repräsentieren.
Die Eigenschaften der Kanten zur Ablaufsteuerung des gerichteten Graphen können sein: ein Warp-Block, eine Zeitmessung, eine Pause und/oder eine Pfadkontrolle. Ein Warp-Block dient zur Präparation des Kernspinsystems. Eine Pause oder ein Pausenblock ist ein Zeitabschnitt während einer Messsequenz, in der keine Aktion ausgeführt wird, der MR-Scanner also im Wesentlichen wartet. Unter einer Pfadkontrolle ist eine Abfrage zu verstehen, die erfüllt sein muss, damit ein bestimmter Abschnitt des gerichteten Graphen ausgeführt werden kann.
Das Verfahren umfasst weiterhin Kanten zwischen den Knoten, die gegeben sind durch die Gruppe bestehend aus:

– Einem Übergang von dem Eintrittspunkt über eine Pfadkontrolle zu einem Warp-Block und von dort zu einem X-Block,
– einem Übergang von einem X-Block über eine Pfadkontrolle zu einem Austrittspunkt,
– einem Übergang von einem X-Block über eine Pfadkontrolle zu einem Warp-Block und von dort zu einem X-Block,
– einem Übergang von einem X-Block über eine Pfadkontrolle und eine Pause zu einem Warp-Block und von dort zu einem X-Block und,
– einem Übergang von einem X-Block über eine Zeitmessung zu einem X-Block.

Damit beschreiben die Kanten mögliche Transitionen, das heißt Übergänge zwischen einzelnen Knoten des gerichteten Graphen.
X-Blöcke vom Sendetyp können gemäß der vorliegenden Erfindung einen Anregungspuls, einen Refokussierungspuls, einen Inversionspuls oder eine Mischform aus Anregungs- und Refokussierungspuls repräsentieren. Ein Anregungspuls ist ein HF-Puls, der das Spin-System anregt, englisch auch excitation pulse. Ein Refokussierungspuls stellt die Kohärenz der Kernspins wieder her. Inversionspulse werden zum Invertieren der Kernmagnetisierung verwendet. Darüber hinaus gibt es auch X-Blöcke vom Sendetyp, die eine Mischform aus Anregungs- und Refokussierungspuls repräsentieren. Sendepulse der Mischform sind insbesondere interessant im Zusammenhang mit stimulierten Echos. Sendepulse der Mischform dienen dazu, nicht transversale Magnetisierung wieder in die transversale Ebene zurück zu klappen, so dass sie als Signal erkennbar sind. In diesem Zusammenhang sei verwiesen auf Hennig, J. ”Echoes – How to Generate, Recognize, Use or Avoid them in MR-Imaging Sequences” in Concepts in Magnetic Resonance 3 (1991), S. 125–143.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung darf stets nur eine der Pfadkontrollen innerhalb des gerichteten Graphen erfüllt sein. Ein solcher gerichteter Graph und damit eine Messsequenz kann eine Vielzahl von Pfadkontrollen enthalten. Mit der Vorgabe, dass stets nur eine der Pfadkontrollen erfüllt sein darf, wird sichergestellt, dass stets nur eine und welche Kante des gerichteten Graphen an einem Verzweigungspunkt ausgeführt werden darf. Mit anderen Worten, die Pfadkontrollen bestimmen den Ablauf des gerichteten Graphen.
Über die Pfadkontrollen wird sichergestellt, dass nur eine der Kanten des gerichteten Graphs abgelaufen wird. Die Pfadkontrollen repräsentieren dabei die Funktionalität einer logischen exklusiven Oder-Funktion, auch XOR.
Die Zeitmessungen sind stets ein Element aus der Gruppe bestehend aus einer Zeitdauer eines einzelnen X-Blocks, einer Sequenzzeit und einer Sequenzstartzeit. Die Dauer eines X-Blocks ist gegeben durch den Anfang und das Ende des jeweiligen X-Blocks. Eine Sequenzzeit wird zwischen den Zentren zweier X-Blöcke gemessen. Beispiele für solche Sequenzzeiten sind die Echozeit, die Repetitionszeit oder die Inversionszeit. Sequenzzeiten stellen globale Eigenschaften einer Messsequenz dar. Zur Beschreibung der Messsequenz im Rahmen des Sequenzmodells ist darüber hinaus eine Sequenzstartzeit notwendig, die den Zeitpunkt beschreibt, zu dem das Zentrum des ersten X-Blocks innerhalb einer Messsequenz erreicht ist. Mit diesen drei Arten von Zeitmessungen lässt sich der Zeitpunkt aller X-Blöcke und aller Warp-Blöcke innerhalb des gerichteten Graphen ermitteln. Diese drei Typen von Zeitmessungen sind ausreichend zur Beschreibung der relativen zeitlichen Zusammenhänge der Blöcke innerhalb der Messsequenz, wie sie in der MR-Bildgebung verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Indizes zu jedem der X-Blöcke ermittelt, die aus dem Durchlaufen des gerichteten Graphen bestimmt werden. Genaugenommen handelt es sich um einen Index zu jedem WX-Block.
Darüber hinaus werden Variablen zu jedem der Warp-Blöcke und zu jedem der X-Blöcke aus dem gerichteten Graphen ermittelt. Ferner lässt sich ein Gradienten-Moment nullter Ordnung zu jedem Zentrum eines jeden X-Blocks vom Sendetyp und/oder Empfangstyp aus dem gerichteten Graphen bestimmen.
Unter Indizes ist ein laufender Index über alle WX-Blöcke zu verstehen, über den es möglich wird, jeden der X-Blöcke sowie jeden der Warp-Blöcke innerhalb der Sequenz eindeutig zu identifizieren. Mit anderen Worten, es kann der Index als Referenz oder informell als ”Hausnummer” des X-Blocks und damit auch des zugeordneten Warp-Blocks verstanden werden.
Sobald der Index zu jedem X-Block bekannt ist, lässt sich aus dem gerichteten Graphen eine Zuordnung von Variablen zu jedem X-Block und zu jedem Warp-Block vornehmen. Das heißt, die physikalische Situation innerhalb eines jeden X-Blocks und innerhalb eines jeden Warp-Blocks lässt sich beschreiben. Dabei ist einsichtig, weshalb aus der Zuordnung von Indizes und Variablen unmittelbar das Gradientenmoment nullter Ordnung zu jedem Zentrum eines jeden X-Blocks und/oder eines jeden Warp-Blocks bestimmt werden kann.
Auch hier gilt, dass das Durchlaufen des gerichteten Graphs genügt, um unmittelbar diese Information für jeden der Blöcke im gerichteten Graphen anzugeben.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter einen Schritt zum Ermitteln von Sequenzgleichungen aus dem Durchlaufen des gerichteten Graphen. Durch die bereits vorgegebenen Indizes und Variablen für die X-Blöcke und die Warp-Blöcke innerhalb einer Messsequenz können ebenso aus einem Durchlaufen des gerichteten Graphen Sequenzgleichungen für die Messsequenz ermittelt werden. Das bedeutet: durch die Angabe des gerichteten Graphen sind alle Sequenzgleichungen für die Messsequenz parametrisiert gegeben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann das Verfahren ferner einen Schritt zum Ermitteln eines Pfades zur Echoentstehung zu jedem X-Block vom Sendetyp oder Empfangstyp bereitstellen. Dabei besteht ein Pfad zur Echoentstehung aus einer Folge von Anregungspulsen und/oder Inversionspulsen und/oder Refokussierungspulsen und/oder Mischformen. Die Pfade zur Echoentstehung ergeben sich aus dem Durchlaufen des gerichteten Graphen. Hinsichtlich der Pfade zur Echoentstehung sei verwiesen auf die bereits zitierte Publikation von Hennig. Der Pfad zur Echoentstehung lässt sich elegant aus dem Durchlaufen des gerichteten Graphen ermitteln. Der Pfad zur Echoentstehung lässt sich durch eine Echospezifikation darstellen, wie später ausgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform kann aus dem Durchlaufen des gerichteten Graphen zu jedem Zentrum eines jeden X-Blocks vom Sendetyp und/oder Empfangstyp ein Gradientenmoment erster Ordnung ermittelt werden. Dadurch wird es möglich, eine Flusskompensierung und/oder eine Flusskodierunung in der Messsequenz einzuprägen. Gradientenmomente erster Ordnung sind dem Fachmann bekannt und sind insbesondere relevant für geschwindigkeitsabhängige Anteile des Signals, durch die es möglich wird, Signalkomponenten, die sich durch fließende Materie, zum Beispiel Fluss von Liquor-Flüssigkeit und/oder Blut ergeben, zu kompensieren und/oder ganz gezielt jene Anteile des Signals in erhaltenen MR-Bildern zu kodieren, d. h. darzustellen. Kodieren heißt in diesem Zusammenhang das Darstellen von Signalanteilen in einem MR-Bild.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ein Ermitteln von Gradientenmomenten höherer Ordnung zu jedem Zentrum eines jeden X-Blocks vom Sendetyp und/oder Empfangstyp. Das Ermitteln von Gradientenmomenten höherer Ordnung ist ebenfalls aus dem Durchlaufen des gerichteten Graphen möglich. Damit erweist sich die Darstellung der Messsequenz als gerichteter Graph erneut als sehr nützliches Werkzeug zur Modellierung von physikalischen Eigenschaften der Messsequenz, wie zum Beispiel von Gradientenmomenten.
In einer weiteren Ausführungsform erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren, Diffusionswichtungen für jeden der X-Blöcke vom Sendetyp und/oder Empfangstyp aus dem Durchlaufen des gerichteten Graphen zu ermitteln. Unter Diffusionswichtungen sind hier zum Beispiel eine starke Vorzugsrichtung des Signals oder der Signalausbreitung zu verstehen. Solche Vorzugsrichtungen können durch die Anatomie des Patienten vorgegeben sein. Der Fluss von Materie und Signal entlang der Richtung einer Arterie ist weit höher als der Fluß von Signal quer zur Wand der Arterie. Dennoch ist eine Diffusionswichtung in Bildern etwa quer zur Wand der Arterie diagnostisch hoch interessant, da sie Aufschluss gibt über den Zustand der Vaskulatur. Solche Befunde sind zum Beispiel für Diabetes-Patienten relevant. Ferner ist die Diffusionswichtung interessant für sogenannte MR-Fiber Tracking-Studien.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zum automatischen Erzeugen einer Messsequenz zur Ausführung auf einem Magnetresonanz-Scanner gemäß Anspruch 15 bereit. Damit lässt sich die Programmierung einer Messsequenz noch weiter automatisieren. Dieses Verfahren geht aus von einer formalen Beschreibung einer Messsequenz gemäß einem der Ansprüche 1–14, wodurch die Messsequenz bis auf eine Menge von zu bestimmenden Parametern parametrisiert vorliegt und als gerichteter Graph darstellbar ist.
Durch die formale Beschreibung bleibt eine Menge von Parametern zu bestimmen. Genauer gesagt, es bleibt eine Menge von Parametern zu bestimmen, für die eine Vielzahl von Lösungen möglich wäre. Ferner sind aus den Blöcken im gerichteten Graphen zunächst nur die relativen zeitlichen Bezüge der Blöcke zueinander, und damit der durch die Blöcke repräsentierten Zeitscheiben gegeben. Es fehlen also konkrete Timingwerte für jeden der Blöcke.
Aufgabe des Verfahrens zur automatischen Erzeugung ist es, gerade diese Menge von unbestimmten Parametern mit konkreten, wohldefinierten Parameterwerten zu belegen. Dies gelingt in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur automatischen Erzeugung einer Messsequenz unter Berücksichtigung von Randbedingungen, die zum Ausführen der Messsequenz zu erfüllen sind. Die Timingwerte werden erfindungsgemäß durch einen Solver ermittelt. Ein Solver ist typischerweise ein Softwaremodul, das numerisch Lösungen für ein mathematisches Problem findet. Für einen Solver, wie er etwa zur Lösung des Timing-Problems in der MR-Bildgebung verwendet werden kann, sei auf die deutschen Patentanmeldungen der Anmelderin DE 102 13 848 A1 und DE 10 2006 034 397 B3 verwiesen. Bei dem Auffinden der Lösung durch den Solver ist eine Vielzahl von Parameter noch offen. Diese Vielzahl umfasst zeitliche Anordnung, Timing, Art und Anzahl der Messsequenzen bzw. Subsequenzen wie im Folgenden erläutert. Jeder einzelne Parameter der Subsequenzen bzw. der Messsequenzen kann durch den Solver ermittelt werden. Dies wird im Rahmen dieser Offenbarung beispielhaft für das Ermitteln von Timingwerten diskutiert.
Ferner umfasst das Verfahren ein automatisches Übersetzen der formalen Beschreibung der Messsequenz in eine Folge von Zeitscheiben, die auf einem Magnetresonanz-Scanner ausführbar ist. Das heißt, jeder der Blöcke innerhalb der Messsequenz wird durch den Solver mit konkreten Werten versehen. Es werden deshalb alle Parameter aller Blöcke innerhalb der Messsequenz mit konkreten Werten versehen. Jeder der Blöcke ist damit vollständig parametrisiert und stellt alle Informationen dar, die eine Zeitscheibe beschreiben.
Automatisches Übersetzen der formalen Beschreibung der Messsequenz sei so zu verstehen, dass die formale Beschreibung durch einen Computer oder durch Befolgen eines Übersetzungsprogramms auch ohne Interaktion des Benutzers übersetzt werden kann. Das Übersetzen kann durch ein Übersetzungsmodul erfolgen. Das bedeutet: alle Eigenschaften der Messsequenz sind bekannt. Mit anderen Worten: Der Solver ermittelt solche Ti ming-Werte, die erstens zulässig sind und zweitens die Randbedingungen erfüllen. Es wird die Menge von zu bestimmenden Parametern mit Werten aufgefüllt, die sowohl den Randbedingungen genügen, als auch eine zulässige Lösung des Timing-Problems sind. Typischerweise handelt es sich bei solchen Lösungen um ein Problem mit vielen Variablen. Es ist die Aufgabe des Solvers, eine zulässige Lösung zu finden. Sofern es keine zulässige Lösung gibt, die alle relativen zeitlichen Zusammenhänge der Blöcke und zugleich die Randbedingungen erfüllt, wird eine Interaktion mit dem Benutzer nötig. Erst für den Fall, dass der Solver keine solche Lösung finden kann, kommt es zu einer Interaktion mit dem Benutzer. Allerdings reduziert sich durch das erfindungsgemäße Verfahren die Anzahl notwendiger Benutzerinteraktionen zum Erzeugen einer Messsequenz erheblich. Eine manuelle Eingabe ist unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur automatischen Übersetzung nur noch dann nötig, wenn mit den vorgegebenen Werten und Einschränkungen keine zulässige Lösung gefunden werden kann. Ein weiterer erheblicher Vorteil der automatischen Übersetzung der formalen Beschreibung der Messsequenz liegt z. B. darin, dass die Fehleranfälligkeit des Codes in der Programmiersprache, welche die Messsequenz auf einem Magnetresonanz-Scanner ausführbar macht, deutlich reduziert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin Schritte zum verschachtelten Ausführen von Messsequenzen umfassen. Eine Messsequenz umfasst viele verschiedene MR-Messungen, z. B. die Aufnahme mehrerer Schichten, die gleichzeitig ausgeführt wird. Die Aufnahme einer einzelnen Schicht könnte beispielsweise als einzelnes Modul formuliert werden. Zur Aufnahme von mehreren Schichten sind dann mehrere Instanzen des einzelnen Moduls notwendig und müssen zur gleichzeitigen Ausführung der Instanzen so verschachtelt werden, dass sie überlappungsfrei ausgeführt werden können. Solch ein Modul innerhalb der Messsequenz wird als Subsequenz bezeichnet. Eine Subsequenz ist eine sinnvolle Untermenge von WX-Blöcken innerhalb einer Messsequenz. Eine Messsequenz besteht daher aus mindestens einer Subsequenz.
Die Möglichkeit, Subsequenzen innerhalb einer Messsequenz isoliert zu betrachten, ist sinnvoll. Die betrachtete Messsequenz lässt sich so in eine Vielzahl kleinerer, leichter zu lösender Probleme unterteilen. Wenn also im Folgenden von Messsequenz gesprochen wird, kann damit auch eine einzelne Subsequenz gemeint sein. Ebenso kann Messsequenz die komplette Untersuchung eines Patienten bezeichnen.
Die gerichteten Graphen innerhalb dieser Offenbarung zeigen nur gerichtete Graphen, die Subsequenzen darstellen. Selbstverständlich ist es auch für eine komplette MR-Untersuchung eines Patienten möglich, einen gerichteten Graphen anzugeben, der sich in der Regel aus einer Vielzahl von gerichteten Graphen, die Subsequenzen repräsentieren, zusammensetzt.
Subsequenzen enthalten unteilbare Superblöcke. Der kleinste unteilbare Superblock innerhalb einer Messsequenz ist ein WX-Block. Der WX-Block darf nicht unterbrochen werden, da sonst die Kohärenz der Kernspins gestört wird, und kein definiertes HF-Signal mehr erzeugt wird. Neben dem WX-Block gibt es größere unteilbare Superblöcke, die ebenfalls nicht unterbrochen oder geteilt werden dürfen. Unteilbare Superblöcke innerhalb einer Subsequenz sind dadurch gekennzeichnet, dass sie im entsprechenden gerichteten Graphen über eine Pause verbunden sind, wobei, falls eine Subsequenz keine Pausen umfasst, die Subsequenz einen einzigen Superblock umfasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum verschachtelten Ausführen von Messsequenzen umfasst zunächst – sozusagen als einen ersten Schritt – das Bereitstellen mehrerer Messsequenzen. Anschließend wird mindestens eine Subsequenz innerhalb einer ersten Messsequenz aus den mehreren Messsequenzen identifiziert. Die identifizierte Subsequenz umfasst Pausen. Dann werden Subsequenzen aus den jeweils anderen Messsequenzen ermittelt. Jeweils andere Messsequenz heißt: jede außer der ersten Messsequenz aus den bereitgestellten Messsequenzen. Zum verschachtelten Ausführen der Messsequenzen wird während der Pausen der jeweils ersten Messsequenz zumindest eine der ermittelten Subsequenzen überlappungsfrei ausgeführt. Mit anderen Worten es muss also sichergestellt werden, dass die in die Pausen der ersten Messsequenz eingefügte Subsequenz mit ihren unteilbaren Superblöcken stets in den Pausen der ersten Messsequenz zu liegen kommt. Pausen zwischen den unteilbaren Superblöcken sind die Zeitfenster, während denen das Ausführen weiterer Subsequenzen überhaupt möglich ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Randbedingungen vorgeben, wobei Randbedingungen mindestens ein Element aus der Gruppe umfassen:

– Kontrastvorgaben. Darunter sind solche Vorgaben zu verstehen, die den Kontrast des erhaltenen Magnetresonanzbildes bestimmen, z. B. T₁-Kontrast, T₂-Kontrast, sowie Fett-Unterdrückung.
– Bildauflösungsvorgaben. Darunter sind solche Vorgaben zu verstehen, die sich aus der gewünschten Auflösung für eine Schicht ergeben. Werden z. B. mehrere Schichten im Kopf nahe der Schädeldecke aufgenommen, so wird die relevante Fläche pro Schicht mit zunehmender Nähe zur Schädeldecke immer kleiner, bis sie sich schließlich zusammenschnürt auf einen Punkt. Es ist also durchaus sinnvoll, solche Bildauflösungsvorgaben, wie sie sich z. B. aus der Anatomie ergeben, zu berücksichtigen. Damit kann der benötigte Speicherbedarf wie auch die Gradientenstärke, die benötigt wird, um eine entsprechende Auflösung zu erzeugen, angepasst werden. Weitere Vorgaben sind Positionsvorgaben für mindestens eine Schicht, die in einem Bild aufgenommen werden soll. Es spielt also eine Rolle, wo im Körper dieses Bild aufgenommen wird, was in der Regel schon allein aus der diagnostischen Fragestellung ersichtlich ist.
– Hardwarelimitierungen ergeben sich z. B. aus zulässigen Lastzyklen für die Gradientenverstärker, so wie für die Flankensteilheit der Gradienten, da bestimmte Grenzwerte nicht überschritten werden dürfen bzw. eine zu steile Flanke zur Überlastung des Leistungsverstärkers führen würde.
– Minimierung der Messzeit ist eine weitere typische Randbedingung, da gewünscht ist, Bilder der Patienten in möglichst geringer Zeit zu erhalten. Dies gilt insbesondere für Untersuchungen am schlagenden Herzen oder sogenannte Breath-hold-Aufnahmen, also solche Aufnahmen, bei denen der Patient die Luft anhält. Damit sind ganz klare Maximalwerte für die Dauer der Bildaufnahme vorgegeben, die eine Messsequenz zu diesem Zweck ausführen muss. Ganz abgesehen davon gibt es selbstverständlich auch wirtschaftliche Motivationen für eine Minimierung der Messzeit, wie bereits oben ausgeführt.
– Patientensicherheitsvorgaben. Diese ergeben sich z. B. aus dem Risiko der peripheren Nervenstimulation, die eine Folge von zu steilen Gradienten sein kann. Eine solche periphere Nervenstimulation ist für einen Patienten unangenehm, denn sie führt zu unwillkürlichen Bewegungen der Gliedmaßen des Patienten. Ferner kann eine ungewollte Bewegung des Patienten die Aufnahme eines MR-Bildes erheblich verschlechtern, da das erhaltene Bild dann unscharf wird. Darüber hinaus darf die an den Patienten abgegebene HF-Leistung bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten, da ansonsten dem Patienten Verbrennungen zugefügt werden. Solche Grenzwerte für die gewebespezifische Absorptionsrate sind vorgegeben und liegen z. B. im Bereich von 4 Watt pro Kilogramm Körpergewicht.

Es kann sich bei einigen der Randbedingungen, die zu erfüllen sind, um solche handeln, die bereits durch die Hardware vorgegeben sind bzw. von der Hardware selbst überwacht werden, mittels sogenannter Überwachungsmodule (watch dogs). Diese Überwachungsmodule würden beim tatsächlichen Ablauf der Mess sequenz sicherstellen, dass Grenzwerte nicht überschritten sind. Kommt es im Ablauf einer Messsequenz zur Verletzung einer solchen Überwachungsbedingung, so wird die gesamte Messsequenz abgebrochen. Es ist erstens für den Patienten unangenehm und darüber hinaus wird wertvolle Scannerzeit verloren, weil erneut mit einer Messung begonnen werden muss, unter Umständen Hardware ausgetauscht werden muss usw.. Durch die Überwachung und Einhaltung solcher Randbedingungen bereits beim automatischen Übersetzen der Messsequenz in Zeitscheiben wird sichergestellt, dass solche ungewollten Abbrüche einer laufenden Messsequenz durch die Überwachungsmodule soweit als möglich vermieden werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Schritt des automatischen Übersetzens der formalen Beschreibung in eine Programmiersprache erfolgen. Dieser Schritt des automatischen Übersetzens reduziert die Fehleranfälligkeit der Programmierung einer Messsequenz in einer Programmiersprache erheblich. Für moderne Messsequenzen sind in etwa 10⁶ Parameter nötig, die mit Werten, insbesondere zulässigen Werten, belegt werden müssen. Ein Programmierer ist tendenziell stark gefordert, all diese Werte korrekt zu setzen.
Die Erfindung stellt in einer weiteren Lösung der Aufgaben eine Vorrichtung zur formalen Beschreibung einer Messsequenz zur Ausführung auf einem Magnetresonanz-Scanner gemäß Anspruch 18 bereit.
In einer weiteren Lösung der Aufgaben stellt die Erfindung eine Vorrichtung zur automatischen Erzeugung einer Messsequenz zur Ausführung auf einem MR-Scanner gemäß Anspruch 19 bereit.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 19 kann ferner gemäß Anspruch 20 weitergebildet sein.
Die Erfindung stellt darüber hinaus in einer weiteren Lösung der Aufgaben ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 21 zur Verfügung.
Gemäß einer weiteren Lösung der Aufgabe stellt die Erfindung ein System zur automatischen Erzeugung einer Messsequenz zur Ausführung auf einem MR-Scanner zur Verfügung. Das System umfasst einen Magnetresonanz-Scanner, eine Benutzerschnittstelle und eine Vorrichtung zur formalen Beschreibung einer Messsequenz einer Messsequenz zur Ausführung auf einem Magnet-Resonanz-Scanner gemäß Anspruch 18.
Optional kann das System ferner eine Vorrichtung zur automatischen Erzeugung einer Messsequenz zur Ausführung auf einem Magnetresonanz-Scanner gemäß einem der Ansprüche 19 oder 20 umfassen.
Auf dem MR-Scanner können Messsequenzen ausgeführt werden. Die Benutzerschnittstelle ist bestimmt zur Interaktion mit dem Benutzer des MR-Scanners. Die Benutzerschnittstelle kann insbesondere erforderlich sein, zum Starten einer Messsequenz, zum Abbrechen einer Messsequenz oder zur Rückfrage an den Benutzer, falls sich unter den vorgegebenen Randbedingungen keine zulässigen Werte für das Timingproblem finden lassen.
Damit können die beiden Vorrichtungen bereits in diesem System realisiert sein. Dabei können wahlweise eine oder beide der Vorrichtungen als bereits integraler Bestandteil des MR-Scanners und/oder als Software-Module ausgebildet sein.
Das System kann eine Vorrichtung zur formalen Beschreibung einer Messsequenz umfassen, die auf einem Magnetresonanz-Scanner ausgeführt werden soll. Es ist also durchaus möglich, die ganze Verarbeitungskette des Verfahrens von der formalen Beschreibung über die automatische Erzeugung einer ausführbaren Messsequenz bereits auf dem Magnetresonanz-Scanner und/oder auf dem erfindungsgemäßen System und oder auf einer mit dem Magnetresonanz-Scanner verbundenen Steuereinheit auszuführen.
Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird allein aus den beigefügten Ansprüchen bestimmt. Die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung ist daher in keinem Fall einschränkend zu verstehen, sondern dient lediglich beschreibendem Zweck.
Für den Fachmann ist offensichtlich, dass sich aus der hier gegebenen Beschreibung auch Kombinationen einzelner Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung kombinieren lassen, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. In diesem Sinne sind auch die Zeichnungen als nicht einschränkend zu verstehen.
1 ist das Blockdiagramm eines MR-Scanners nach dem Stand der Technik.
2 zeigt eine Spinecho-Sequenz nach dem Stand der Technik, allerdings als Folge von Zeitscheiben.
3A zeigt einen WX-Block als elementare Einheit des erfindungsgemäßen Sequenzmodells.
3B zeigt eine Sequenzbeschreibung als Folge von WX-Blöcken.
3C zeigt die Abfolge von W-Blöcken und X-Blöcken für einige bekannte Messsequenzen.
4 zeigt einen Pfad zur Echoentstehung für eine Messsequenz aus den gerichteten Graphen.
5A zeigt eine Subsequenz eingebettet in einen Strom von WX-Blöcken.
5B identifiziert aus der in 5A gezeigten Folge von WX-Blöcken die Subsequenz und Pausen.
6 zeigt einen gerichteter Graphen, der eine Gradientenechomesssequenz repräsentiert.
7A bis 7I zeigen die einzelnen Schritte zum Aufnehmen eines Gradientenechos aus den entsprechenden gerichteten Graphen.
8 zeigt den Ablauf zum Erstellen und Ausführen einer Messsequenz unter Verwendung der Erfindung
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines MR-Scanners 4 mit seinen wesentlichen Komponenten. Um einen Körper mittels MR-Bildgebung zu untersuchen, werden verschiedene, in ihrer zeitlichen und räumlichen Charakteristik exakt aufeinander abgestimmte zeitlich variable Magnetfelder auf den Körper eingestrahlt und dies führt zu einer resonanten Antwort der Kernspins auf die eingestrahlte Radiofrequenz- oder HF-Energie.
In einer hochfrequenztechnisch abgeschirmten Messkabine 3 ist ein Magnet 450, z. B. üblicherweise ein supraleitender Magnet vorgesehen, der durch flüssige Kühlmittel gekühlt wird. Der Magnet 450 mit einer zylinderförmigen Öffnung erzeugt ein statisches Hauptmagnetfeld 47, das üblicherweise im Bereich von 0,1 Tesla bis 3 oder mehr Tesla Feldstärke liegt. Das Hauptmagnetfeld 47 ist von hoher Homogenität, typischerweise im Bereich einiger ppm für ein Volumen von z. B. 15 cm Durchmesser. Ein zu untersuchender Körper oder ein Körperteil (in 1 nicht dargestellt) wird auf einer Patientenliege 49 gelagert und im homogenen Bereich des Hauptmagnetfelds 47 positioniert.
Es kommt also zu einer resonanten Antwort des Spinsystems bei Anregung durch die HF-Anregung. Es ist bequem, die HF-Anregung über sogenannte HF-Pulse zu realisieren. Solche HF-Pulse können zur Anregung des Kernspinsystems und/oder zur Refokussierung des Kernspinsystems dienen, wie bereits erwähnt.
Die Anregung der Kernspins im menschlichen Körper, d. h. in der Regel der Protonen im menschlichen Körper, erfolgt über magnetische HF-Pulse, die über eine in 1 als Körperspule 413 dargestellte Hochfrequenzantenne eingestrahlt werden. Selbstverständlich ist auch die MR-Untersuchung anderer Kerne als der Protonen möglich, z. B. Lithium oder Schwefel.
Alternativ zur Verwendung der Körperspule 413 ist es auch möglich, spezielle, der Anatomie angepasste Anregungsspulen oder Hochfrequenzantennen zu verwenden, etwa als Kopfspulen. Die zur Anregung benötigten HF-Anregungspulse werden von einer Pulserzeugungseinheit 415 erzeugt, die von einer Pulsfrequenzsteuerungseinheit 417 gesteuert wird. Nach einer Verstärkung durch einen Hochfrequenzverstärker werden die HF-Anregungspulse zur Hochfrequenzantenne geleitet.
Das in 1 gezeigte HF-System ist lediglich schematisch angedeutet. Möglicherweise werden mehr als eine Pulserzeugungseinheit 415, mehr als ein Hochfrequenzverstärker 419 und mehrere Hochfrequenzantennen in einem MR-Scanner oder zusätzliche Module eingesetzt. Insbesondere ist es möglich, ganze Gruppen von Antennen zu verwenden, wodurch sich einerseits eine Verbesserung eines Signal-zu-Rausch-Verhältnisses erreichen lässt und/oder Rauscheffekte durch Eigenschaften der Probe dominiert sind. In diesem Zusammenhang seien Phased Arrays als mögliche Antennen, wie sie dem Fachmann bekannt sind, nur kurz erwähnt.
Der MR-Scanner 4 verfügt über Gradientenspulen 421, mit denen bei einer Messung magnetische Gradientenfelder zur selektiven Schichtanregung und zur Ortskodierung des Messsignals eingestrahlt werden. Die Gradientenspulen 421 werden von einer Gradientenspulensteuerungseinheit 423 gesteuert, die ebenso wie die Pulserzeugungseinheit 415 mit der Pulsfrequenzsteuerungseinheit 417 in Verbindung steht.
Das von den angeregten Kernspin ausgehende Signal, also die Antwort auf die resonante Anregung, wird von einer Empfangsspule, z. B. der Körperspule 413 und/oder von lokalen Spulen 425, empfangen, durch zugeordnete Hochfrequenzverstärker 427 verstärkt und von einer Empfangseinheit 429 weiter verarbeitet und digitalisiert. Wie für die Sendespulen gilt auch für Lokalspulen 425 zum Empfangen, dass die Verwendung kleiner, auf die Geometrie der zu untersuchenden Region des Körpers angepasster Spulen, etwa Oberflächenspulen unter Umständen günstig ist, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern.
Da nach dem Reziprozitäts-Prinzip gute Sender auch gute Empfänger darstellen, ist es möglich, eine Spule sowohl als Sende- als auch als Empfangsspule zu betreiben. Im Fall der Verwendung einer Spule als Sende- und Empfangsspule ist es allerdings erforderlich, eine korrekte Signalweiterleitung sicherzustellen. Dies geschieht in der Regel durch eine Sende-Empfangs-Weiche 439. Als Sende-Empfangs-Weiche kommt z. B. ein Zirkulator in Betracht.
Eine Bildverarbeitungseinheit 431 erzeugt aus den Messdaten ein MR-Bild, das über den Monitor 205 einem Anwender dargestellt oder in einer Speichereinheit 435 gespeichert wird. Eine Rechnereinheit 437 und/oder eine Steuereinheit 45 steuern die einzelnen Komponenten des MR-Scanners 4. Die Steuereinheit 45 ist dabei so ausgebildet, dass mit ihr die erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden können.
MR-Bilder ergeben sich durch ein systematisches Abtasten des Frequenzraumes, auch k-Raum genannt. Diese Abtastung des k-Raums wird erreicht durch geeignete Sequenzen von Gradientenpulsen und Anregungspulsen. Messsequenzen 100 geben ein Verfahren vor, wie der k-Raum durchlaufen werden soll. Sie legen also die k-Raum Trajektorie fest. Für die Verwendung der Magnetresonanz im klinischen Alltag ist es wünschenswert, möglichst effiziente k-Raum Trajektorien zu finden, so dass folglich diagnostische Bilder schnell und effizient erzeugt werden können. Es gibt heute eine Vielzahl von Messsequenzen 100, die aufwändige und komplexe Strategien verwenden, um den k-Raum abzutasten.
Neben der zeitlichen Effizienz der Messsequenz 100 ist darüber hinaus das Kontrastverhalten für ein erzeugtes Bild relevant. Je nach gewählter Messsequenz 100 können schnell oder langsam antwortende, das heißt relaxierende, Gewebeteile angeregt werden. Dies hat entscheidenden Einfluss auf den sich im MR-Bild einstellenden Kontrast. Messsequenzen 100 sind also ebenso für das jeweils gewählte Protokoll, das heißt die gewählte klinische Untersuchung, anzupassen, so dass ein maximaler Informationsgewinn für den Arzt erzielbar ist. Dies gilt zum Beispiel für die Bewertung einer krebsartigen Gewebeveränderung, die ein Arzt vornehmen möchte. Messsequenzen 100 für einen MR-Scanner 4 bestehen aus einer Folge von Zeitscheiben, die sich aus den physikalischen Eigenschaften der Kernspins und dem jeweiligen Gewebe ergeben.
2 zeigt ein Beispiel einer einfachen Messsequenz 100 der sogenannten Spinecho-Sequenz. In 2 ist der zeitliche Ablauf für eine Spinecho-Sequenz gezeigt. Dieses Diagramm stellt übereinander den zeitlichen Ablauf der Aktivität im HF-Kreis dar. Darüber hinaus sind darunter die Aktivitäten von drei, im Allgemeinen zueinander orthogonalen Gradientensystemen G_S zur Auswahl einer Schicht (von englisch slice select), ebenso wie G_P als sogenannter Phasenkodiergradient (englisch: Phase encode) und darüber hinaus ein sogenannter Auslesegradient (englisch: read out), der während des Auslesen des Antwortsignals eingeschaltet ist, dargestellt. Für eine Spinecho-Sequenz wird das Spinsystem zunächst mit einem 90°-Puls angeregt, wodurch ein Echo im Signalast entsteht. Durch einen 180°-Puls, wird schließlich nach der Echozeit T_E, wie in der 1 dargestellt, ein Spinecho erzeugt, das Information für eine Zeile eines Bildes enthält. Der Phase-Encode Gradient G_P wird, wie angedeutet, mehrmals durchlaufen und seine Amplitude wird von einem Durchlauf zum Nächsten verändert. Der Slice-Select Gradient bleibt über all diese Durchläufe unverändert, selbiges gilt für den Read-Out Gradienten.
In 2 von links nach rechts eingezeichnet sind die einzelnen Zeitscheibentypen. So beginnt die Spinecho-Sequenz zunächst mit einer Zeitscheibe vom Sendetyp (in der Zeichnung I), während der 90°-Puls auf der Anregungsseite eingestrahlt wird, darauf folgt eine Zeitscheibe vom Warptyp zum Präparieren des Spinsystems (in der Zeichnung II). Daran schließt sich eine erneute Zeitscheibe vom Sendetyp mit dem 180°-Puls an (in der Zeichnung III), gefolgt von einem weiteren Warp-Block (in der Zeichnung IV) und schließlich der Zeitscheibe vom Empfangstyp, zu der ein Echo als HF-Signal empfangen wird (in der Zeichnung V). Die Zeitscheibe vom Sendetyp ST mit dem 180°-Puls dient zur Refokussierung des Kernspinsystems. Nach der Zeitscheibe vom Empfangstyp ET wiederholt sich die Sequenz. Für eine Spinecho-Sequenz liefert ein solcher Durchlauf bis zu TE eine Zeile für ein MR-Bild im k-Raum. Typischerweise werden zum Beispiel 128 Zeilen für ein Bild aufgenommen. Durch eine geeignete Fourier-Transformation lässt sich das Bild im Ortsraum darstellen und man erhält ein MR-Bild.
Eine Messsequenz 100 ist erfindungsgemäß aufgebaut aus nicht überlappenden Zeitscheiben, ohne Pausen zwischen den Zeitscheiben. Heute ist die Sequenzprogrammierung ereignisbasiert, wobei Gradienten- und HF-Pulse als Ereignisblöcke gruppiert werden. Typischerweise wird die Messsequenz in 2 als ein Ereignisblock behandelt und an den Scanner 4 übergeben. Ein Nachteil dieser Behandlung ist, dass das Echtzeitverhalten des Systems kompromittiert werden kann. Darüber hinaus ist die mathematische Modellierung von Ereignisgruppen sehr schwierig.
Es erweist sich als zweckmäßig, den Strom von Zeitscheiben, der eine Messsequenz 100 ausmacht, durch Blöcke zu repräsentieren, die zwei unterschiedliche Typen aufweisen:

– Warp-Blöcke W, in denen nur Gradienten aktiv sind, und
– Nicht-Warp-Blöcke, in denen HF-Pulse gesendet und/oder Daten empfangen werden in Verbindung mit Gradienten.

Nicht-Warp-Blöcke sind also X-Blöcke vom Sendetyp ST und/oder vom Empfangstyp ET. Im Folgenden werden diese Blöcke der Einfachheit halber X-Blöcke X genannt. Während der Dauer des X-Blocks müssen die Gradienten und die Sende- und/oder Empfangsaktivität sehr exakt zusammenspielen, um korrekte Ergebnisse zu erzielen. Für viele Messsequenzen ist das exakte Zusammenspiel einfach zu erreichen, da der Gradient konstant bleibt während des Sende- und/oder Empfangsintervalls. Aufwändigere Messsequenzen wie zum Bespiel VERSE, 2D-Anregung, Spiraltrajektorie usw. erfordern ein exaktes Schalten der Gradienten, um k-Raum Trajektorien zu erzeugen, die zu den HF-Pulsen oder der gewünschten Form der Datenaufnahme passen. Deshalb müssen während der Ausführung des X-Blocks X die exakten Gradientenformen definiert werden.
Aus Sicht des Sequenzprogrammierers ist es wichtig, dass die Kernspins eine definierte Phase haben zu Beginn des X-Blocks X. Darüber hinaus ist wichtig, dass der Gradient einen bestimmten Wert hat, wenn ein X-Block startet, um in der Lage zu sein, das erforderliche Schalten während der Ausführung des X-Blocks auszuführen.
Aufgabe eines Warp-Blocks W ist das Einprägen einer bestimmten Phase auf die Kernspins und einen bestimmten Gradientenwert an seinem Ende zu erreichen. Es soll hier unterstrichen werden, dass es aus Sicht des Sequenzprogrammierers unerheblich ist, wie der Warp-Block W die bekannten Gradientenwerte am Anfang und am Ende des Warp-Blocks W erreicht. Dass heißt, die exakte Gradientenform ist nicht relevant. Wenn man also davon spricht, dass die Gradientenformen relevant sind, so ist in den meisten Fällen gemeint, dass man lediglich die Phase der Kernspins auf eine bestimmte Art und Weise steuern möchte und glaubt, dies wäre über Gradientenformen zu erreichen. Die vorgeschlagene formale Beschreibung der Messsequen zen erhält die Freiheit in der Wahl der Gradientenform, wobei für die Modellierung der formalen Beschreibung der Messsequenz 100 basierend auf dem Sequenzmodell lediglich Anfangs- und Endwert der Gradienten innerhalb des X-Blocks relevant sind.
Daher erscheint es sehr zweckmäßig, jeden X-Block X mit genau einem Warp-Block W zu assoziieren, der diesem voraus geht. Dies liegt daran, dass man zumindest einen Warp-Block W braucht, um die Phase der Kernspins zu manipulieren und die Gradientenamplitude zwischen zwei X-Blöcken zu schalten. Es ist nicht ersichtlich, weshalb man mehr als einen Warp-Block W zwischen zwei X-Blöcken benötigen sollte. Im Gegenteil erscheint die Verwendung von mehr als einem Warp-Block W zwischen zwei X-Blöcken X eine unnötige Einschränkung für die optimale Berechnung des Gradientenverhaltens zwischen zwei X-Blöcken zu sein.
3A zeigt exemplarisch die Form eines WX-Blocks WX als eine Abfolge von einem Warp-Block W, an den sich unmittelbar und ohne Pause ein X-Block X anschließt. Solch eine Einheit wird im Folgenden auch als WX-Block WX bezeichnet. Es soll im Folgenden nur kurz argumentiert werden, weshalb der Warp-Block W nicht zeitlich hinter dem X-Block angeordnet wird und weshalb es notwendig ist, Warp-Block W und X-Block X als eine Einheit, als WX-Block WX zusammenzufassen:
Sofern man einen Warp-Block W mit einem X-Block X assoziieren möchte, muss man noch entscheiden können, ob der Warp-Block W dem X-Block vorausgeht oder umgekehrt.

– Zur Ausführung eines X-Blocks ist es notwendig, den Spins eine Phase aufzuprägen, und zwar in einer vorgegebenen Weise und ferner eine festlegende Startamplitude für die Gradienten anzugeben. Dies ist nicht möglich nach Ausführung des X-Blocks.
– Zur Ausführung eines Warp-Blocks W müssen die Eigenschaften des Warp-Blocks W bekannt sein. Ebenso muss die Anfangs- und Endamplitude der Gradienten des Warp-Blocks bekannt sein. Dies gilt für einen Sequenzprogrammierer ebenso wie für die Software, welche die Messsequenz 100 ausführen soll. In beiden Fällen ist es schwierig, die künftigen Zeitscheiben bzw. Blöcke der Messsequenz 100 zu analysieren, um herauszufinden, was die Endamplitude des Warp-Blocks W für die Gradienten sein könnte. Falls man ferner die Messsequenz 100 in Subsequenzen 101 aufteilen möchte, so ist innerhalb der Subsequenz 101 vollkommen unbekannt, was außerhalb der Subsequenz passiert oder nach Ausführung der Subsequenz auf einer globalen Zeitachse t der Messsequenz 100. Im Gegensatz dazu ist es für eine Software, welche die Messsequenz 100 auf dem MR-Scanner 4 und/oder einer mit dem MR-Scanner 4 verbundenen Steuereinheit 45 ausführt einfach, vergangene Blöcke zu betrachten und die Endamplitude des zuletzt ausgeführten X-Blocks X als Startamplitude des nächsten Warp-Blocks W zu ermitteln. Die Endamplitude des Warp-Blocks W ist gegeben durch die Startamplitude des assoziierten X-Blocks X.
– Für den X-Block selbst ist es in keiner Weise relevant, was nach ihm passiert; sobald der X-Block beendet ist, ist alles erledigt. Was in der Zukunft passiert, braucht der X-Block X nicht zu kennen.
– Grund zum Manipulieren der Gradientenmomente nach den X-Blöcken X ist, Prozesse anzustoßen, wie das Rewinding der Gradientenmomente, oder Spoiling, das sich auf X-Blöcke X in der Zukunft auswirkt. Rewinding und Spoiling sind dem Fachmann bekannt und lassen sich einfach erreichen, indem die erforderlichen Momente gespeichert werden und man dafür sorgt, dass diese ausgespielt werden, durch den jeweils nächsten Warp-Block W.

Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass es einfach und zweckmäßig ist, die Messsequenz 100 in Einheiten von einem Warp-Block W, unmittelbar gefolgt von einem X-Block X, auszuführen, ohne dass dieses Vorgehen die Freiheit des Programmierers einschränkt. Das heißt, die Programmierung von Messsequenzen 100 bleibt unter Verwendung dieses Ansatzes, der kennzeichnend ist für das Sequenzmodell, erhalten. Daher lässt sich die gesamte Messsequenz 100 als ein Strom von X-Blöcken X und deren assoziierten Warp-Blöcken W darstellen. Die Wahl einer Einheit von Warp-Block W assoziiert mit einem X-Block X wird sich als zweckmäßig herausstellen, um die minimale Information anzugeben, die notwendig ist, um eine Messsequenz 100 zu beschreiben.
Im Folgenden wird der Begriff ”Zentrum eines X-Blocks X” verwendet. Für X-Blöcke vom Sendetyp ST ist dieses Zentrum typischerweise definiert durch die Asymmetrie des verwendeten HF-Pulses. Für einen X-Block X vom Empfangstyp ET ist das Zentrum typischerweise definiert durch die Position des Echos innerhalb des X-Blocks vom Empfangstyp ET. Das Zentrum eines X-Blocks X ist ein wichtiger Zeitpunkt in der Bestimmung von Sequenzzeiten und zur Berechnung der Gradientenmomente innerhalb der Messsequenz 100.
Es erscheint ausreichend, dass jeder X-Block X nur über ein Zentrum verfügt. Selbstverständlich wäre die Formulierung von mehr als einem Zentrum pro X-Block X möglich.
Im erfindungsgemäßen Sequenzmodell gibt es drei verschiedene Arten von Zeitmessungen. Diese Arten von Zeitmessungen sind:

– eine Zeitdauer eines X-Blocks X,
– eine Sequenzzeit, die zwischen den Zentren zweier X-Blöcke X gemessen wird. Beispiele für solche Zeiten sind die Repetitionszeit TR, die Echozeit TE, die Inversionszeit TI sowie der Echoabstand.
– Darüber hinaus eine Sequenzstartzeit T.30 als Zeitpunkt eines Zentrums eines jeweils ersten Blocks X innerhalb einer Messsequenz 100.

Diese einzelnen Zeiten sind in 3B dargestellt. Die Sequenzstartzeit T.30 ist durch das Zentrum des ersten X-Blocks markiert X, eine Echozeit TE reicht vom Zentrum des ersten X-Blocks X zum Zentrum des zweiten X-Blocks X. Eine Repetitionszeit TR kennzeichnet eine weitere Sequenzzeit, zu der sich die Messsequenz 100 wiederholt. Um das Timing einer Messsequenz 100 mit diesen drei Typen von Zeitmessungen auf der globalen Zeitachse t vollständig zu beschreiben, ist es notwendig, das eine Sequenzzeit an jedem X-Block X innerhalb der Messsequenz 100 endet. Dies ist tatsächlich der Fall für alle bekannten Messsequenzen 100. Neben der Repetitionszeit TR, der (Spin-)Echozeit TE und einer Inversionszeit TI gibt es ferner den Echoabstand für EPI (Echo Planar Imaging) und Turbo-Spinechosequenzen und den HF-Abstand für binominale Pulse, wie sie in heute üblichen MR-Scannern 4 verwendet werden. Damit handelt es sich um keine neue Information, die der Sequenzprogrammierer angeben muss, allenfalls ändert sich die notwendige Form der Darstellung. Eine Ausnahme ist hingegen zu machen für den ersten der X-Blöcke X innerhalb der Messsequenz 100. Für den ersten X-Block X muss die Zeit seines Auftretens, in Form einer Sequenzstartzeit T.30 bekannt sein. Diese wird angegeben für das Zentrum des ersten X-Blocks X. Sofern diese Zeitmessungen und/oder Zeitpunkte für alle X-Blöcke X innerhalb der Messsequenz 100 bekannt sind, kann die Dauer aller Warp-Blöcke W innerhalb der Messsequenz 100 berechnet werden. Diese Berechnung lässt sich auch während des Ausführens der Messsequenz 100 auf einem MR-Scanner 4 und/oder einer mit dem MR-Scanner 4 verbundenen Steuereinheit 45 zur Laufzeit erledigen.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Wahl der Zeitmessungen zwischen X-Blöcken willkürlich ist. Ebenso wären deren Zeitmessungen zwischen den einzelnen Warp-Blöcken W möglich. Allerdings wäre dann die elegante Übersetzung in Sequenzzeiten nicht mehr so einfach möglich.
Mit der Darstellung einer Messsequenz 100 im Rahmen des Sequenzmodells als eine Folge von Warp-Blöcken W und X-Blöcken X, wobei diese als WX-Blöcke WX zusammengefasst sind, lässt sich für jedes Echo ein Pfad zu dessen Entstehung angeben. 3C zeigt Abfolgen von Warp-Blöcken W und X-Blöcken X für bekannte Sequenzen. In der obersten Zeile ist die Abfolge für eine Gradientenecho-Sequenz GRE gezeigt, darunter befinden sich Darstellungen für die Echo Planar Imaging Sequenz EPI, für eine Spinechosequenz SE, wie sie bereits in 2 gezeigt wurde, eine Kombination aus Spinecho und EPI Messsequenz SE-EPI sowie für eine Turbospinecho-Sequenz TSE. Zu jedem der X-Blöcke X vom Sendetyp ST und/oder Empfangstyp ET ist angegeben, ob ein Echo erzeugt wird und welche Folge von X-Blöcken X von Sendetyp ST und/oder Empfangstyp ET zur Entstehung des Echos beigetragen haben. E steht dabei an dem entsprechenden Label für eine Anregung (englisch excitation), R hingegen für die Refokussierung. Es sei in diesem Zusammenhang nochmals darauf hingewiesen, dass es auch Mischformen aus Anregungspuls und Refokussierungspuls gibt. In diesem Zusammenhang sind auch stimulierte Echos von Bedeutung.
Durch stimulierte Echos sind mehr als eine Echospezifikation pro X-Block X vom Empfangstyp ET möglich. Dazu ist es notwendig, die Gradientmomentgleichungen für jede der Echospezifikationen aufzustellen. Das Sequenzmodell basierend auf der Zusammenfassung von Warp-Block W und X-Block X zu einer Einheit als WX-Blocks WX erlaubt das Aufstellen der Sequenzgleichungen für jeden der Warp-Blöcke W und deren assoziierten X-Block X.
Jedem dieser WX-Blöcke WX kann ein Index i zugeordnet werden.
Die Dauer eines Warp-Blocks W ist T_w,i.
Die Dauer des X-Block X vor dessen Zentrum ist T_xs,i.
Die Dauer des X-Blocks X nach dessen Zentrum ist T_xe,i.
Die Gradientenamplitude zu Beginn des X-Blocks X ist G_s,i.
Die Gradientenamplitude am Ende eines X-Blocks X ist G_e,i.
Das Gradientenmoment der Ordnung h des Warp-Blocks W ist M_h,w,i.
Das Moment der h-ten Ordnung des X-Blocks X vor dessen Zentrum ist M_h,xs,i.
Das Moment h-ter Ordnung des X-Blocks nach dessen Zentrum ist M_h,xe,i.
Jedem X-Block X, der nicht rein vom Sendetyp ST ist, ist eine Echospezifikation ξ zugeordnet, welche den Pfad zur Echoentstehung als Vektor darstellt.
Ein X-Block X, der nicht notwendig ein reiner X-Block X vom Empfangstyp ET ist, hat ein nulltes Gradientenmoment M_0,Echo,i, das in dessen Zentrum umgesetzt werden muss.
Nachdem die Gradientenmomentgleichungen angegeben sind, lassen sich auch die Pfade zur Echoentstehung für jeden X-Block X angeben, der vom Empfangstyp ET ist. Es muss also eine Menge von Indizes I_R erzeugt werden, welche die Indizes i all jener WX-Blöcke WX enthält, für die eine Echospezifikation ξ existiert. Für einen bestimmten Index k aus der Menge der Indizes I_R, für die eine Echospezifikation besteht, muss der Strom von WX-Blöcken WX rückwärts analysiert werden, bis zu jenem WX-Block, welcher den HF-Anregungspuls der Echospezifikation enthält. Der Index für diesen WX-Block WX zur Anregung sei k_ex, wobei gilt, dass k_ex < k, der Index des Echos ist. Ferner wird ein Vektor s erzeugt, für den gilt N_s = k – k_ex, welcher die Elemente s_i mit i ∊ {0, ...,N_s – 1} enthält und angibt, welche Koeffizienten für die Berechnung der Momente innerhalb der Gradientenmomentgleichung zu verwenden sind.
Eine graphische Darstellung für solch eine Analyse der Echospezifikation ist exemplarisch für eine Turbogradienten-Spinechosequenz TGSE in Abbildung 4 gezeigt. Aus diesem Pfad zur Echoentstehung, das heißt der Echospezifikation, lässt sich die benötigte Information zur Berechnung der Gradientenmomente ermitteln. Dieses Ermitteln kann in der Tat automatisch erfolgen. Auf ganz entsprechende Weise ist es möglich, stimulierte Echos ebenfalls zu berücksichtigen.
Durch Zuordnung der Variablen, wie in obiger Liste aufgeführt, lassen sich Momenten- und Sequenzgleichungen für jeden der X-Blöcke X angeben. Das Gradientenmoment nullter Ordnung im Zentrum eines X-Blocks X mit Index h ist gegeben durch
Das Moment genügt folgender Gleichung: M0,k = M0Echo,k
Das Moment erster Ordnung am Zentrum des X-Blocks X mit dem Index k ist M_1,k. Dieses Gradientenmoment erster Ordnung kann folgendermaßen berechnet werden, bezogen auf den Abstand δ zum Zentrum des HF-Pulses:
Sofern man eine Geschwindigkeitskodierung V_k für einen X-Block X mit Index h wünscht, genügt es, einen Einheitsvektor e_v in Richtung der gewünschten Geschwindigkeit zu kennen. Sobald der Einheitsvektor gegeben ist, lässt sich die Ge schwindigkeitskodierung des X-Blocks k direkt über das Gradientenmoment erster Ordnung M_1,k angeben, da gilt Vαev·M1,k
Solch eine Geschwindigkeitskodierung ist insbesondere interessant zur Untersuchung von Signalanteilen, die sich mit der Geschwindigkeit V_k bewegen. Solche Signalanteile können entweder isoliert werden oder unterdrückt werden. Es sei angemerkt, dass diese Diffusionswichtung bereits möglich ist, ohne die Einzelheiten der einzelnen X-Blöcke zu kennen. Vielmehr lässt sich diese Information bereits aus ausreichender ”Buchführung” über alle WX-Blöcke WX erreichen.
Entsprechende Gleichungen lassen sich für höhere Gradientenmomente alsauch Diffusionswichtung formulieren. Man müsste dann den X-Blöcken X einen Diffusionswert zuordnen.
Auf ganz analoge Weise lassen sich die Sequenzgleichungen für jede Sequenzzeitmessung angeben innerhalb der Messsequenz 100. Sofern die Zeitmessung beispielsweise eine Sequenzzeit ist, deren Messung mit einem X-Block X mit Index k_b beginnt und an einem weiteren X-Block X mit Index k_e > k_b endet, dann gilt für diese Sequenzzeit
Heute wird eine Messsequenz 100 beschrieben durch das Einbauen eines sogenannten ”Sequenzkerns” in eine Schleifenstruktur, in welcher der Sequenzkern wiederholt ausgeführt wird. Der Sequenzkern implementiert die grundlegenden Scantechniken wie etwa Gradientenecho GE, Turbospinecho TSE, true fisp TRUFI, echo planer imaging EPI usw. Die Schleifenstruktur ruft den Sequenzkern wiederholt auf in einer wohldefinierten Weise für alle Rohdatenlinien, um aus diesen alle MR-Bilder zu erzeugen, welche durch die Messsequenz 100 gemessen werden sollen. Ein sogenanntes Protokoll ist die Messsequenz 100 zusammen mit einer Menge von spezifischen Parametern für die Messsequenz 100 wie etwa das Sichtfeld (englisch: ”field of view” – FOV) die Auflösung, die Echozeit usw. Eine Untersuchung besteht in der Regel aus einer Vielzahl solcher Protokolle, die der Reihe nach ausgeführt werden. Eine Messsequenz 100 besteht mindestens aus einem einzigen X-Block X mit dessen assoziiertem Warp-Block W, wie in 3A gezeigt. Ebenso kann eine Sequenz eine vollständige Untersuchung eines Patienten darstellen. Eine Messsequenz 100 bewegt sich also zwischen diesen beiden Extremen. Um die Struktur einer Messsequenz 100 zu erkennen, empfiehlt es sich, den gesamten Strom von WX-Blöcken WX in Module zu unterteilen. Dieser Ansatz wird sich als sehr leistungsfähig erweisen.
Der gesamte Strom von WX-Blöcken WX besteht typischerweise aus vielen unterschiedlichen MR-Messungen, zum Beispiel der Aufnahme von mehreren Schichten, die gleichzeitig aufgenommen werden. Die Aufnahme einer einzelnen Schicht könnte zum Beispiel eigenständig beschrieben werden und als ein eigenständiges Modul angesehen werden. Zur Untersuchung, das heißt zur Aufnahme mehrerer Schichten, wären dann mehrere Instanzen dieses Moduls notwendig, die verschachtelt ausgeführt werden, so dass das Timing der unterschiedlichen Module nicht überlappt. Solch ein Modul lässt sich als ”vernünftige Untermenge von WX-Blöcken WX” oder als Subsequenz 101 bezeichnen.
Innerhalb einer Subsequenz 101 wird es Bereiche geben, zu denen der Sequenzprogrammierer explizit zulässt, dass andere Subsequenzen 101 etwas auf der Hardware des MR-Scanners 4 tun, ohne die Messung zu stören. Gründe dafür sind das Verschachteln von Schichten in Mehrschicht-Messungen und die Inversions-Messung an einzelnen Schichten, die heute erlauben, dass etwas ausgeführt wird, selbst zwischen dem Inversionspuls und dem Anregungspuls. Solch einen Bereich innerhalb einer Subsequenz 101 bezeichnet man als Pause P. Nachdem ein X-Block X und dessen assoziierten Warp-Block W als eine Einheit ausgeführt werden, kann solch eine Pause P nur nach einem X- Block X und vor einem Warp-Block W auftreten. Die Pausen P unterteilen die Subsequenz 101 in unteilbare Superblöcke 102, die nicht unterbrochen werden dürfen.
Eine Subsequenz 101 umfasst eine Startzeit T.30, die angibt, wo auf der globalen Zeitachse t der erste X-Block X der Subsequenz 101 auftaucht.
5A zeigt eine Subsequenz 101 eingebettet in einen Strom von WX-Blöcken WX. Ebenfalls gezeigt sind die Sequenzzeiten, über die die einzelnen X-Blöcke X der Subsequenz 101 miteinander verbunden sind.
5B zeigt dieselbe Subsequenz wie in 5a, allerdings ohne die übrigen WX-Blöcke WX. Stattdessen werden die unteilbaren Superblöcke 102 der Subsequenz 101 dargestellt, die über Pausen P verbunden sind.
Interessanterweise genügen die beiden Bedingungen – jede Subsequenz 101 hat globale Startzeit T.30 und die Superblöcke 102 der Subsequenz 101 sind verbunden über Sequenzzeitmessungen für jede der Subsequenzen 101 –, um eine Menge von Subsequenzen 101 korrekt auszuführen. Das bedeutet, das Ausführen der Menge von Subsequenzen 101 funktioniert ohne jede weitere Schleifenstruktur und ohne die Notwendigkeit, Füllzeiten zu berechnen.
Das Konzept der Subsequenzen 101 erlaubt das Aufbauen von Messsequenzen 100 unter Verwendung von Instanzen von beliebigen Subsequenzen 101. Jede Instanz einer Subsequenz 101 hat ein Muster, das heißt eine Charakteristik auf der globalen Zeitachse t. Um kurze Messzeiten zu erreichen oder um einen speziellen physikalischen Effekt, zum Beispiel die regionale Sättigung des Fettsignals, zu erreichen, müssen Instanzen von Subsequenzen 101 auf der Zeitachse t verschachtelt werden. Der Fingerabdruck einer Subsequenz 101 auf der Zeitachse t ist gegeben durch die Anzahl von Superblöcken 102 innerhalb der Subsequenz 101 und der Dauer eines jeden Superblocks 102.
Daher hängt das Verschachteln der Subsequenzen 101 von den Fingerabdrücken bzw. den Charakteristika auf der globalen Zeitachse t aller Subsequenzen 101 ab.
Aufgrund von Langzeithardware- und Patientenlimitierungen, zum Beispiel den Schaltzyklen des RF-Leistungsverstärkers sowie gewebespezifischer Absorptionsraten (englisch SAR) hängt die Länge eines jeden Warp-Blocks W und/oder X-Blocks X ab von allem, was vor einem Warp-Block W auf der globalen Zeitachse t passiert ist. Mit anderen Worten: Es beschreiben Langzeitlimitierungen solche Limitierungen, die über den gesamten Verlauf der Messsequenz 100 eingehalten werden müssen.
Die Zeitachsencharakteristik einer Subsequenz 101 hängt ab von dem Verschachteln der Subsequenzen 101. Um also das Sequenztiming richtig zu beschreiben und zu berechnen, ist es notwendig, das Timingproblem der Subsequenz 101 und das Problem des Subsequenzverschachtelns gemeinsam zu betrachten. Es ist möglich, eine vollständige Problembeschreibung anzugeben, zumindest sofern die Anzahl von Subsequenzen 101 bekannt ist wie auch die Anzahl von WX-Blöcken WX und Superblöcken 102 für jede der Subsequenzen 101. Unglücklicherweise ist dieses Problem nicht allgemein lösbar, sofern man die Rechenleistung berücksichtigt, die derzeit verfügbar ist. Was die Lösung dieses Problems weiter erschwert, ist die Tatsache, dass die ermittelten Timingwerte T.i für die einzelnen WX-Blöcke WX auf das Zeitraster eines Magnetresonanzscanners 4 passen müssen. Sofern diese Anforderung bereits als Randbedingung zur Lösung des einen Problems formuliert wird, wird eine numerische Lösung des Timingproblems sogar nahezu unmöglich.
In diesem Zusammenhang sei auf die parallele Anmeldung der Anmelderin verwiesen, die eine Lösung für die Anpassung der Zeitscheiben innerhalb einer Messsequenz 100 auf das Zeitraster eines Magnetresonanzscanners 4 vorschlägt. Es ist bis jetzt ein Sequenzmodell vorgestellt worden, das zahlreiche Aspekte einer Messsequenz 100 beschreibt, wie z. B. die Ti mingdefinition, das heißt die Definition des relativen zeitlichen Ablaufs innerhalb der Messsequenz 100, die Echospezifikation und Gradientenmomente nullter, erster sowie höherer Ordnungen. Das Sequenzmodell erlaubt es, MR-Messungen aus Subsequenzen 101 bzw. Subsequenzmodulen aufzunehmen, die als Grundlage einer anwendungsspezifischen Programmiersprache für Subsequenzen 101 und damit auch für Messsequenzen 100 gelten können.
Die vorliegende Erfindung stellt ein effizientes Verfahren zum Beschreiben und Erzeugen von Subsequenzmodulen vor. Dies gelingt mittels einer formalisierten Beschreibung. Die formalisierte Beschreibung, die zusätzlich einfach und knapp zu notieren ist, dient letztlich dazu, aus der formalisierten Beschreibung eine komplette MR-Messung und damit die gesamte Messsequenz 100 möglichst vollständig zu parametrisieren. Damit lässt sich eine optimale Mischung aus Formalismus und Flexibilität erreichen. Frühere Scanner hatten einen Formalismus zur Beschreibung der Messsequenz 100, boten aber nur sehr geringe Flexibilität für den Sequenzprogrammierer. Darauf folgten Ansätze zur Beschreibung, die dem Sequenzprogrammierer große Flexibilität in der Programmierung bieten. Diese Flexibilität wird aber durch einen hohen Programmieraufwand erkauft.
Die formale Beschreibung einer Messsequenz 100 eines gerichteten Graphen G kann auch im Sinne eines Automaten oder einer Zustandsmaschine verstanden werden. Das beschriebene Sequenzmodell erlaubt es, dem Sequenzprogrammierer die Spezifikation von Subsequenzen 101 zu schreiben. Diese Subsequenzen 101 werden verwendet, um Softwarebibliotheken zu erzeugen, welche die Subsequenz 101 ausführen und sequenzunabhängige Plug-ins mit den Sequenzdaten, das heißt der Sequenzbeschreibung, vornehmen. Bei den sequenzunabhängigen Ausführungs-Plug-ins kann man z. B. an eine C++ Klasse denken, welche, wenn mit Werten belegt, eine Messsequenz 100 beschreibt, so dass sie auf einem MR-Scanner 4 und/oder auf einer mit dem MR-Scanner 4 verbundenen Steuereinheit 45 ausgeführt werden kann. Diese Aus führungs-Plug-ins stellen die Funktionalität zum Ausführen der Sequenz auf verschiedenen Hardware- und Softwareplattformen bereit, zum Zeichnen der Messsequenz 100. Ferner dient die formale Beschreibung als Eingabewerte für zahlreiche Solver. Jegliche Funktionserweiterung lässt sich als ein weiteres Ausführungs-Plug-in formulieren und verwenden, ohne dass die Sequenzbeschreibungen zu ändern sind.
In 5B ist eine Messsequenz 100 vom Gradientenecho GRE-Typ gezeigt. Ziel der formalisierten Beschreibung einer Messsequenz ist es daher, eine effiziente Art zu finden, alle WX-Blöcke WX zu spezifizieren, ohne dass jeder WX-Block explizit angegeben werden muss. Darüber hinaus sollte die Beschreibung der Subsequenz 101 parametrisiert vorliegen.
In der erfindungsgemäßen formalen Beschreibung einer Messsequenz basierend auf dem Sequenzmodell lässt sich eine gradientenechoartige GRE-Subsequenz darstellen als ein gerichteter Graph G, wie er in 6 gezeigt ist. Für eine praktische Messung, wie sie klinisch verwendet wird, sind z. B. 65536 Zeilen von Rohdaten für ein 3D-Experiment nötig, deren Darstellung auf der globalen Zeitachse t mittels individueller WX-Blöcke WX unzumutbar lang ist. Hingegen ist die parametrisierte graphische Darstellung in Form des gerichteten Graphen G dieselbe, ganz gleich wie viele k-Raum Zeilen aufgenommen werden.
Dieser gerichtete Graph G und die damit zusammenhängende Programmiersprache bzw. das Datenmodell werden im Folgenden erklärt unter Verwendung der Gradientenechosequenz GRE als ein mögliches Beispiel einer Messsequenz 100, die aus einer einzigen Subsequenz 101 besteht. Diese formale Beschreibung des gerichteten Graphen G lässt sich vollkommen und automatisch in ein maschinenlesbares Format übersetzen, wie weiter unten gezeigt wird.
Der gerichtete Graph G für eine Messsequenz 100 und damit auch für eine Subsequenz 101 gibt die relativen Zusammenhän ge, z. B. zeitlicher Art, unter den einzelnen WX-Blöcken WX wieder und kann vollständig parametrisiert, das heißt mit konkreten Werten belegt werden. Das grundlegende Prinzip des Sequenzmodells ist die Tatsache, dass es auf Blöcken aus der Gruppe Warp-Block W, X-Block X, Pause P basiert. Der gerichtete Graph G einer Subsequenz 102 umfasst Knoten, Kanten Ka und Eigenschaften der Kanten zur Ablaufsteuerung des gerichteten Graphen G. Die Knoten umfassen die Gruppe bestehend aus X-Block X, Eintrittspunkt I und Austrittspunkt O. Eintrittspunkt I und Austrittspunkt O nehmen in gewisser Weise eine Sonderstellung ein, da sie den Anfang des gerichteten Graphen G als Eintrittspunkt I und das Ende des gerichteten Graphen G als Austrittspunkt O markieren. In der gewählten graphischen Darstellung des gerichteten Graphen in 6 ist daher der Eintrittspunkt I als ein nach unten gerichtetes Dreieck dargestellt, während der Austrittspunkt O ein nach oben gerichtetes Dreieck darstellt. Sobald ein gerichteter Graph G beendet ist, kann in einen weiteren gerichteten Graphen G einer Subsequenz 102 oder einer Messsequenz 100 gesprungen werden. Die verbleibenden Knoten eines gerichteten Graphen, die also nicht Eintrittspunkt I und/oder Austrittspunkt O sind, sind gegeben durch die X-Blöcke X. In 6 und im Folgenden seien diese dargestellt durch Ellipsen. Die Knoten eines gerichteten Graphen werden verbunden über Kanten Ka. Ferner sind die Kanten Ka mit Eigenschaften zur Ablaufsteuerung des gerichteten Graphen G versehen. Die Kanten Ka stellen gleichermaßen die Transitionen dar, wie sie von Zustandsmodellen eines Automaten oder aus der Graphentheorie bekannt sind. Die Eigenschaften der Kanten Ka zur Ablaufsteuerung bilden charakteristische Eigenschaften der Messsequenz 100 ab. Diese Eigenschaften der Kanten Ka zur Ablaufsteuerung sind gegeben durch die Gruppe bestehend aus: einem Warp-Block W, einer Zeitmessung, einer Pause B und einer Pfadkontrolle P. Für einen gerichteten Graphen G, der eine Messsequenz 100 parametrisieren soll, sind nur ganz bestimmte Transitionen zulässig. Diese zulässigen Transitionen sind:
Ein Übergang von dem Eintrittspunkt I über eine Pfadkontrolle P zu einem X-Block X. Ferner ein Übergang von einem X-Block X über eine Pfadkontrolle P zu dem Austrittspunkt O. Ferner ist ein Übergang von einem X-Block X über eine Pfadkontrolle P zu einem Warp-Block W und von dort zu einem X-Block zulässig. Des Weiteren ein Übergang von einem X-Block X über eine Pfadkontrolle P und einer Pause B zu einem Warp-Block W und von dort zu einem X-Block X und schließlich ein Übergang von einem X-Block über eine Zeitmessung zu einem X-Block X.
Die Kanten Ka des gerichteten Graphen G sind gegeben durch Linien. Zeitmessungen sind im gerichteten Graphen G dargestellt mittels runder Kreise, in denen die jeweils zu messende Sequenzzeit, z. B. die Echozeit TE oder die Repetitionszeit TR, angegeben sind.
Pfadkontrollen P sind zu verstehen im Sinne von Abfragen, die erfüllt sein müssen, damit eine Kante Ka des gerichteten Graphen G betreten werden kann.
Zu den Eigenschaften der Kanten Ka zur Ablaufsteuerung gehören Warp-Blöcke W, die in den gerichteten Graphen wie in 6 als ein Rechteck dargestellt sind. Im Weiteren sind die Zeitmessungen Eigenschaften der Kanten Ka des gerichteten Graphen G zur Ablaufsteuerung als Kreise in dem gerichteten Graphen dargestellt.
Das Prinzip zum Ausführen einer Messsequenz 100 ist das Ausführen eines WX-Blocks, das Verwenden der Pfadkontrollen P um Herauszufinden, welcher WX-Block WX als nächster auszuführen ist, und dies zu wiederholen, bis der Austrittspunkt O der Messsequenz 100 erreicht ist.
Sequenzzeiten innerhalb eines gerichteten Graphen G, zum Beispiel die Echozeit TE oder die Repetitionszeit TR in 6, werden verwendet, um zur Laufzeit die Länge der Warp-Blöcke zu berechnen. Alle Elemente des gerichteten Graphen G, also Knoten, Kanten Ka und Eigenschaften der Kanten Ka zur Ab laufsteuerung, repräsentieren eine ganz bestimmte Funktionalität der Messsequenz 100 bzw. der Subsequenz 101.
Die Warp-Blöcke W und die WX-Blöcke WX repräsentieren eine Steuerungsstruktur für alle Warp-Blöcke W und X-Blöcke X innerhalb einer Messsequenz 100, die aus dem gerichteten Graphen als konkrete Warp-Blöcke W bzw. X-Blöcke X erzeugt werden können. Mit anderen Worten legen die Warp-Blöcke und X-Blöcke X, wie sie in den gerichteten Graphen G repräsentiert sind, den relativen Bezug der beiden Typen von Blöcken zueinander fest, ohne deren konkrete Dauer zu bestimmen. Um aus den im gerichteten Graphen G repräsentierten Warp-Blöcken W und X-Blöcken X Zeitscheiben zu erzeugen, die auf einen Magnetresonanzscanner 4 ausführbar sind, ist es nötig, deren Dauer festzulegen. Daher ist jeder X-Block-Knoten mit einer Zeitindexfunktion versehen. Die Zeitindexfunktion erlaubt, das Gruppieren von X-Blöcken X innerhalb einer Messsequenz 100 zusammenzufassen.
Beim ”Abrollen” des gerichteten Graphen G entsteht für jede benutzte Instanz eines X-Blocks X des gerichteten Graphen G je eine Zeitvariable T_xs,i und T_xe,i. Die Zeitindexfunktion wird verwendet, um festzulegen, ob und wie sich die Werte dieser Zeitvariablen voneinander unterscheiden. Man kann damit z. B. festlegen, dass alle Zeitvariablen, die dem X-Block X zugeordnet sind, identische Werte haben sollen. Alternativ kann man z. B. erlauben, dass alle Zeitvariablen, die dem X-Block X zugeordnet sind, verschiedene Werte haben. Weiterhin kann man z. B. festlegen, dass die Zeitdauer eines Refokussierungspulses innerhalb einer Turbospinecho-Sequenz sich zwar mit der Echo-Nummer ändert, nicht aber mit der Echozug-Nummer. Damit lassen sich – eventuell in Kombination mit den Randbedingungen 2500 für den Solver 2000 – auf einfachste Weise Messsequenzen 100 realisieren, die heute nur mit hohem Programmieraufwand umzusetzen sind. Solche Messsequenzen sind z. B. VET-Messsequenzen (VET: english für ”variable encoding time”) oder Messsequenzen 100 mit variablen Auslesebandbreiten.
Das in 4 gezeigte Beispiel einer Gradientenechosequenz GRE enthält einen X-Block X vom Sendetyp ST zur Anregung (bezeichnet mit ”Excite”) und einen X-Block X vom Empfangstyp ET, der in den Zeichnungen mit ”GradEcho” bezeichnet ist. Der Knoten ”Excite” kann erreicht werden über den Warp-Block W, welcher in der Zeichnungen ”Excite 0”, und zwar von dem Sequenzeintrittspunkt I, und über den Warp-Block W zur n-ten Echoanregung, in den Zeichnungen ”ToExciteN” von Gradientenecho X-Block ”GradEcho”. Der X-Block zur Echoerzeugung ”GradEcho” kann hingegen ausschließlich von dem Anregungspuls ”Excite” über den Warp-Block zum Gradientenecho ”ToGradEcho” erreicht werden.
Die Messung von Sequenzzeiten ist, wie bereits erwähnt, zwischen X-Blöcken X definiert. Der Name der Sequenzzeit ist dabei Teil der Beschreibung. Solch ein Name kann z. B. die Echozeit TE, die Repetitionszeit TR oder die Inversionszeit TI sein. Es müssen genug Sequenzzeiten existieren, um die Länge der Warp-Blöcke W bestimmen zu können. Mindestens eine Messung einer Sequenzzeit muss an jedem X-Block enden; mit Ausnahme des ersten X-Blocks X innerhalb einer Subsequenz 101, dessen globale Zeit t definiert ist über eine Sequenzstartzeit T.30. Jede Sequenzzeitmessung ist ferner assoziiert mit drei Funktionalitäten, die aus der graphischen Darstellung der gerichteten Graphen G nicht ersichtlich sind. Diese sind: Erstens eine Bedingung der Sequenzzeitmessung, die angibt, ob die Messung der Sequenzzeit an einem bestimmten X-Block X auf der globalen Zeitachse t gestartet wird; Zweitens eine weitere Bedingung, die angibt, ob die Messung der Sequenzzeit an dem bestimmten X-Block X auf der globalen Zeitachse t zu stoppen ist; Drittens, eine Zeitindexfunktion, die es dem Sequenzprogrammierer erlaubt, einer gegebenen Sequenzzeit einen Index zuzuordnen. Für das in 6 gezeigte Beispiel für eine Gradientenecho-Subsequenz GRE sind als Sequenzzeiten die Echozeit TE und die Repetitionszeit TR vorhanden. Die Echozeit TE wird stets gemessen von dem Anregungspuls ”Excite” zu dem Gradientenecho ”GradEcho”. TR hin gegen wird gemessen von einem Anregungspuls ”Excite” zum nächsten. Die Messung der Repetitionszeit TR darf nicht gestoppt werden für den ersten Anregungspuls ”Excite”. Ferner darf die Messung der Repetitionszeit TR nicht gestartet werden für den letzten der Anregungspulse ”Excite”.
Der Eintrittspunkt I bezeichnet schlicht den Einstieg, d. h. den Beginn der Subsequenz 102 und damit der Messsequenz 100. Im Gegensatz dazu gibt der Austrittspunkt O das Ende der Subsequenz 101 bzw. der Messsequenz 100 an. Mit einer optionalen Pause B hat der Sequenzprogrammierer die Möglichkeit, explizit das Verschachteln mit anderen Subsequenzen 101 zuzulassen. Eine Pause B findet sich in dem Beispiel von 6 vor jedem Anregungspuls ”Excite”, mit Ausnahme des ersten Anregungspulses ”Excite”. Für eine true-FISP-Messsequenz TRUFI, wie sie dem Fachmann bekannt ist, ist eine solche Pause B nicht vorhanden, weil dadurch der benötigte quaistationäre Zustand, auch steady state, zerstört würde. Daher fehlt die Pause B für eine TRUFI-Messsequenz.
Die Pfadkontrollen P spielen eine sehr wichtige Rolle innerhalb des gerichteten Graphen G. Eine Pfadkontrolle P definiert die Abfolge, in welcher WX-Blöcke WX innerhalb der Subsequenz 101 ausgeführt werden. Jeder X-Block X hat zumindest einen Nachfolger. Nachdem ein WX-Block WX ausgeführt wurde, werden die Pfadkontrollen P aller möglichen Nachfolger in einer beliebigen Reihenfolge gefragt, welcher aus den möglichen Nachfolgern der tatsächliche Nachfolger ist. Nur eine der gefragten Pfadkontrollen P darf diese Frage mit Ja beantworten. Innerhalb der Pfadkontrollen P werden Subsequenzindizes geprüft und verändert. Wenngleich alle anderen Funktionalitäten lokal sind, erfordert die Ablaufsteuerung innerhalb der Subsequenz 101 ein globales Wissen, das für die gesamte Subsequenz 101 gilt. Daher müssen im Allgemeinen alle Pfadkontrollen P innerhalb der Subsequenz 101 kooperieren, um die korrekte Abfolge der WX-Blöcke WX innerhalb der Subsequenz 101 sicherzustellen. Daher scheint das Formulieren einer Gruppe von Pfadkontrollen P die schwierigste Aufgabe für einen Sequenzprogrammierer zu sein.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Darstellung der Messsequenz 100 als gerichteter Graph G ohne Mühe verschachtelte Schleifenstrukturen darstellen kann. Im Gegensatz zu der klassischen Formulierung von verschachtelten Schleifenstrukturen ist die Darstellung als gerichteter Graph G mittels der Pfadkontrollen P mächtiger. Mittels verschachtelter Schleifenstrukturen lässt sich nicht jede der Steuerungsstrukturen, wie sie sich als gerichteter Graph G darstellen lassen, im Rahmen dieser formalen Beschreibung einer Messsequenz 100 formulieren. Für das in 6 gezeigte Beispiel ist z. B. die stets zu erfüllende Pfadkontrolle, in den Zeichnungen mit ”Always” bezeichnet, eine Pfadkontrolle, die sicherstellt, dass nach einem Anregungspuls ”Excite” stets ein Gradientenecho ”GradEcho” aufgenommen wird. Das gezeigte Beispiel einer gradientenechoartigen Sequenz GRE nimmt ein weiteres Gradientenecho ”GradEcho” auf, solange noch nicht alle Gradientenechos ”GradEcho” aufgenommen sind. Sobald das letzte Gradientenecho ”GradEcho” aufgenommen ist, endet die Subsequenz an der Pfadkontrolle P zum Beenden, im gerichteten Graphen G mit ”Finished” bezeichnet.
Es lässt sich ferner eine Umsortierfunktionalität auf einer Subsequenz 102 oder einer Messsequenz 100 ausführen. Diese mögliche Funktionalität des Umsortierens ist in der graphischen Darstellung der gerichteten Graphen G nicht gezeigt. Aufgabe der Umsortierfunktionalität ist das Berechnen von Subsequenzindizes aus einer vorgegebenen Menge von Subsequenzindizes. Diese Umsortierfunktionalität wird ausgeführt in beliebiger Reihenfolge vor jedem Warp-Block W. Um unnötige Komplikationen zu vermeiden, ist es sinnvoll, sicherzustellen, dass die ausgegebenen Indizes der Umsortierfunktionalität nicht jene Indizes sind, welche exklusiv durch die Pfadkontrollen P modifiziert werden. Für das in 6 gezeigte Beispiel der gradientenechoartigen Sequenz GRE werden die k-Raum Zeile und der Partitionsindex aus dem Index des Gradien tenechos berechne. Für ein Gradientenecho innerhalb einer Gradientenechosequenz GRE, für die z. B. fünf Gradientenechos in einem Durchlauf erzeugt werden, der Echozug also fünf Echos lang ist, muss sichergestellt sein, welche Gruppe von k-Raum Zeilen für jedes dieser Echos aufgenommen wird. Aus der Nummer des Echos lässt sich dann ermitteln, welche k-Raum Zeile zu kodieren ist. Dem Fachmann sind diese Arten der Umsortierungen hinreichend bekannt. Ebenso ist ihm bekannt, wie eine mögliche Akzentuierung von Rändern und dergleichen, die sich unmittelbar aus der gewählten Verteilung der einzelnen k-Raum Zeilen auf die unterschiedlichen Echos ergeben, auszuführen ist.
Um das Zusammenspiel der einzelnen Elemente eines gerichteten Graphen G zu zeigen, wird nun das Aufnehmen einer k-Raum Zeile für eine gradientenechoartige Sequenz GRE, wie sie in 6 als gerichteter Graph G gezeigt ist, Schritt für Schritt diskutiert. Die aktuelle Position im gerichteten Graphen G ist dabei durch eine fette Darstellung des jeweiligen Elements gekennzeichnet. Ebenso findet sich in den folgenden Figuren die jeweilige Position auf der globalen Zeitachse t.
7A zeigt den Eintritt in den gerichteten Graphen G am Eintrittspunkt I. In diesem Schritt wird zunächst die Sequenzstartzeit T.30 für die Subsequenz 101 auf der globalen Zeitachse t festgelegt.
7B ist im gerichteten Graphen G einen Schritt weiter, und erreicht den nach der stets zu erfüllenden Pfadkontrolle ”Always” den Warp-Block ”ToExcite0”. Dieser Warp-Block ”ToExcite0” geht dem ersten Anregungspuls ”Excite” voraus.
In 7C ist der erste Anregungspuls ”Excite” erreicht und es erfolgt die Anregung des Spin-Systems für die erste k-Raum Zeile.
7D zeigt, dass mit Erreichen des ersten Anregungspulses ”Excite”, die Sequenzzeitmessung der Echozeit TE gestartet wird. Diese geht aus von dem ”Excite”-Block und ist fett gezeichnet im gerichteten Graphen G im unteren Teil des Bildes.
7E zeigt, dass ferner mit Erreichen des Anregungsblocks ”Excite” eine weitere Messung einer Sequenzzeit, nämlich jene der Repetitionszeit TR, gestartet wird. Damit sind alle Zeitmessungen, die von dem Anregungsblock ”Excite” ausgehen, gestartet.
In 7F erzwingt die stets zu erfüllende Pfadkontrolle ”Always” das Fortschreiten im gerichteten Graphen G zu dem Warp-Block ”ToGradEcho”. Die stets zu erfüllende Pfadkontrolle ”Always” ist daher fett dargestellt in dem gerichteten Graphen G. Auf der globalen Zeitachse t im oberen Teil des Bildes ist dieses Prüfen der Pfadkontrollen P zum Auffinden des Nachfolgers des X-Blocks ”Excite” durch ein Fragezeichen auf der globalen Zeitachse t angedeutet. Es wird also stets ein Gradientenecho ”GradEcho” nach der Anregung durch den Anregungsblock ”Excite” erzwungen. Mit Erreichen des Gradientenechos ”GradEcho”, also des X-Blocks vom Empfangstyp zur Aufnahme des Gradientenechos ”GradEcho”, wird die Messung der Sequenzzeit TE gestoppt. Dies ist in 7G ersichtlich.
7H zeigt weiterhin, dass nach der stets zu erfüllenden Pfadkontrolle ”Always” ein Warp-Block ”ToGradEcho” ausgeführt wird, der einem Gradientenecho ”GradEcho” vorausgeht.
In 7I wird der X-Block ”GradEcho”, zu dem ein Gradientenecho aufgenommen wird, ausgeführt. Dies ist sowohl in dem gerichteten Graphen G als auch auf der globalen Zeitachse t zu erkennen. Nach Ausführen des X-Blocks X erreicht der gerichtete Graph G zwei Pfadkontrollen P, die gleichwertig nebeneinander stehen. Diese Pfadkontrollen P sind zum einen jene, die das Beenden der Subsequenz 101 anzeigt, die Pfadkontrolle ”Finished”; außerdem jene Pfadkontrolle, welche die weitere Aufnahme von k-Raum Zeilen anzeigt. Diese Pfadkontrolle ist im gerichteten Graphen G mit ”AnotherScan” gekennzeichnet. Für den Fall, dass eine weitere k-Raum Zeile aufzu nehmen ist, folgt zunächst eine Pause B, auf die wiederum der Warp-Block ”ToExciteN” folgt, wobei N kennzeichnet, dass dieser Warp-Block der n-ten Anregung vorausgeht. Erst wenn alle k-Raum Zeilen gescannt sind, also alle Gradientenechos ”GradEcho” aufgezeichnet sind, ist die Subsequenz 101 beendet und die Pfadkontrolle ”Finished” zum Beenden der Subsequenz 101 als einzige erfüllt. Daraufhin wird im gerichteten Graphen G der Austrittspunkt O erreicht. Sobald der Anregungspuls ”Excite” für die nächste k-Raum Zeile erreicht wird, wird die Sequenzzeitmessung der Repetitionszeit TR gestoppt. Dies geschieht ganz analog zur Messung der Echozeit TE. Allerdings verbindet die Repetitionszeit TR, wie aus dem zeitlichen Verlauf im oberen Teil der Bilder ersichtlich, zwei Superblöcke 102 innerhalb einer Subsequenz 101 und damit einer Messsequenz 100.
Es sei insbesondere darauf hingewiesen, dass es die Verwendung der formalen bzw. formalisierten Beschreibung, die in einem gerichteten Graph G darstellbar ist, für eine Messsequenz 100, die auf einem MR-Scanner 4 ausgeführt werden soll, erlaubt, aus dem gerichteten Graphen G eine Parametrisierung der Messsequenz 100 zu extrahieren, die bis auf eine Menge von zu bestimmenden Parametern 1100 bereits vollständig parametrisiert ist.
Wie oben im Zusammenhang mit der 7 ausführlich gezeigt, lässt sich aus dem gerichteten Graph G der relative Zusammenhang der einzelnen WX-Blöcke WX innerhalb einer Subsequenz 101 und damit auch innerhalb einer Messsequenz 100 ermitteln. Darüber hinaus stellt der entsprechende gerichtete Graph G einer Subsequenz 101 bzw. einer Messsequenz 100 die minimale Menge von notwendigen Informationen dar, um die Subsequenz 101 bzw. die Messsequenz 100 bis auf eine Menge zu bestimmender Parameter 1100 vollständig zu parametrisieren. Es ist insbesondere keine weitere Schleifenstruktur mehr notwendig, um eine als gerichteter Graph G repräsentierte Messsequenz 100 auf der globalen Zeitachse t darzustellen oder ”auszurollen”.
Damit stellt die auf dem Sequenzmodell basierende Darstellung der Messsequenzen 100 und damit auch die Darstellung der Subsequenzen 102 die Grundlage für eine anwendungsspezifische Programmiersprache für Sequenzprogrammierer dar. Die Spezifikation der Messsequenz 100, die in dem gerichteten Graphen G gegeben sind, umfasst die minimal erforderliche Information, die der Sequenzprogrammierer zur Verfügung stellen muss. Diese Sequenzbeschreibung kann auf ganz gewöhnliche Art und Weise von einem Build-System zum Erzeugen von Software, verwendet werden. Unter einem Build-System ist ein System zu verstehen, das in Quellcodefiles Bibliotheken einbindet und eine ausführbare Software erzeugt. Darüber hinaus ist es möglich, dass sequenzunabhängige Softwaremodule den Datenstrom der als gerichteter Graph G repräsentierten Messsequenz 100 als Eingabedaten verwenden. So ist es möglich, diesen Datenstrom auf verschiedene Arten zu analysieren.
Denkbar ist in diesem Zusammenhang ein Solver 2000, der die Struktur der Messsequenz 100 aus dem gerichteten Graphen G ermittelt, und dann, z. B. unter Berücksichtigung der erstellten Sequenzgleichungen, das Timing-Problem für die Messsequenz löst und zulässige bzw. geeignete Timingwerte T.i ermittelt. Über Solver 2000 wird im Folgenden noch eingehender gesprochen werden. Ferner ist es denkbar, dass neue Messsequenzen 100 direkt als gerichteter Graph G formuliert werden. Ferner kann man daran denken, dass ein externes Softwaremodul die Spezifikation eines gerichteten Graphen G einliest und diesen darstellt, oder Phantombilder für verschiedene Timing-Werte T.i und Kontrastvorgaben berechnet, um einem Benutzer des MR-Scanners 4 die Auswahl der geeigneten Timingwerte T.i und ihrer Parameter zu erleichtern. Für sequenzunabhängige Softwaremodule, wie z. B. einen Solver 2000, ist es durchaus denkbar, dass dieser einen gegebenen gerichteten Graphen G auf der globalen Zeitachse t abwickelt, wie in den 7 gezeigt, und mittels der aus dem gerichteten Graphen G gegebenen Sequenzgleichungen das gesamte Timing-Problem für den gerichteten Graphen G löst. Diese Lösung kann für alle Warp- Blöcke W und alle X-Blöcke X die jeweiligen Zeitdauern umfassen. Aus den Zeitdauern der X-Blöcke ergeben sich implizit die Zeitdauern der Warp-Blöcke W. Daraufhin kann der Solver 2000 die ermittelten Timingwerte T.i an den geeigneten Stellen in den jeweiligen Blöcken eintragen und danach den gerichteten Graphen G wieder aufrollen. Damit sind jetzt alle Eigenschaften des gerichteten Graphen G spezifiziert. D. h. die Menge von zu bestimmenden Parametern 1100, die zunächst aus dem generischen gerichteten Graphen G nicht bekannt waren, ist jetzt mit konkreten Werten belegt.
Im Zusammenhang mit Messsequenzen 100, die auf einem MR-Scanner 4 ausgeführt werden sollen, lässt sich der Solver 2000 auch folgendermaßen beschreiben: Der Solver 2000 ist im allgemeinen ein Softwaremodul, das alle Parameter für eine MR-Messung aus einem wohldefinierten Satz von Eingabewerten ermittelt. Ein solcher Satz wohldefinierter Eingabewerte wird erfindungsgemäß bereitgestellt durch die formalisierte Beschreibung der Messsequenz 100 in Form eines gerichteten Graphen G. Daraus lässt sich gemeinsam mit zulässigen Werten für die Menge von zu bestimmenden Parametern 1100 das Timing-Problem lösen, wobei die noch zu bestimmenden Parameter 1100 mit konkreten Werten belegt werden. Diese konkreten Werte werden durch den Solver 2000 bestimmt. Dabei kann der Solver 2000 zusätzlich noch Randbedingungen 2500 berücksichtigen, die zur Ausführung der Messsequenz 100 auf dem MR-Scanner 4 zu erfüllen sind. Damit ist insbesondere die Messsequenz 100 durch den Solver 2000 vollständig mit zulässigen Werten belegt. Jetzt kann die Beschreibung oder Messsequenzspezifikation automatisch in eine beliebige Programmierungssprache übersetzt werden. Diese Programmiersprache kann dann z. B. direkt auf dem Magnetresonanz-Scanner 4 ausführbar sein und/oder auf der mit dem MR-Scanner 4 verbundenen Steuereinheit 45 ausführbar sein. Die Randbedingungen 2500 können folgende Elemente umfassen: Kontrastvorgaben für das MR-Bild. Diese ergeben sich in der Regel aus der diagnostischen Fragestellung. Alternativ dazu sind z. B. T₂-Wichtungen möglich oder eine gezielte Fettunterdrückung in einem MR-Bild. Diese Kontrastvorgaben haben unmittelbar Auswirkungen auf die zu wählenden Werte der Echozeit TE, die Repetitionszeit TR, die Inversionszeit TI usw. Diese Tatsachen sind dem Fachmann bekannt. Erfindungsgemäß können solche Kontrastvorgaben als mathematische Probleme an den Solver 2000, etwa in Form einer mathematischen Nebenbedingung, die bei der Lösung des Timing-Problems von dem Solver 2000 zu berücksichtigen ist, zur Ausführung und Lösung gegeben werden. Daneben sind Bildauflösungsvorgaben eine weitere Möglichkeit für Randbedingungen 2500, die zu erfüllen sind. Dazu gehören z. B. anatomische Tatsachen, aus denen sich die benötigte Bildauflösung ergibt. Um z. B. die Prostata eines Patienten zu untersuchen, braucht man eine sehr hohe Auflösung, allerdings auch nur in einem sehr kleinen Zielgebiet. Das Zielgebiet wird auch als Sichtfeld oder englisch ”field of view” (FOV) bezeichnet. Darüber hinaus sind die Positionsvorgaben für die zu untersuchenden Schichten einzuhalten. So müssen für die Untersuchung des Herzens geeignete Schichten gewählt werden.
Ferner gibt es Randbedingungen 2500, die sich schon aus der Beschaffenheit der Hardware des Scanners 4 als sogenannte Hardwarelimitierungen ergeben. Dazu gehört z. B. die maximale Leistung eines Leistungsverstärkers, der die Gradientenspulen mit Gradientenströmen versorgt, wie auch nötige Kühlleistungen, um den MR-Scanner 4 in Betrieb zu halten. Wird der MR-Scanner 4, etwa durch eine zu geringe Kühlleistung, überhitzt, so wird die Messsequenz 100 im laufenden Betrieb von einem Überwachungsmodul unterbrochen, so dass von vorne begonnen werden muss. Schon allein aus ökonomischen Gründen ist eine solche Unterbrechung der MR-Messungen nicht wünschenswert, da Totzeiten entstehen, in denen keine Patienten untersucht werden können. Darüber hinaus besteht das Risiko, dass Teile der Hardware des MR-Scanners 4 beschädigt werden. Eine weitere mögliche Randbedingung 2500 ist die Vorgabe, die Messzeit, die benötigt wird, um eine Messsequenz 100 auszuführen, zu minimieren. Dies ist einerseits ökonomisch motiviert, da ein höherer Durchsatz an Patienten pro Zeiteinheit die Kosten des MR-Scanners schneller amortisiert. Darüber hinaus gibt es aber auch Untersuchungen, die eine maximale Messzeit vorgeben, z. B. für Messungen, in denen der Patient den Atem anhält. Des Weiteren gibt es eine ganze Reihe von Patientensicherheitsvorgaben, die insbesondere auch über den gesamten Verlauf der Messsequenz einzuhalten sind. Aus Vorgaben zum Schutz des Patienten vor Verletzung oder Schäden ergibt sich z. B. eine maximale Flankensteilheit der Gradienten, wie bereits erwähnt. Ferner kann eine weitere Patientensicherheitsvorgabe sein, dass die gesendete HF-Leistung einen Maximalwert nicht überschreitet. Ist die eingestrahlte HF-Leistung zu hoch, so kann es zu Verbrennungen am Patienten kommen, wie weiter oben bereits diskutiert. Das Einhalten dieser Grenzwerte lässt sich in der Praxis z. B. durch ein Kontenmodell realisieren, indem mitgeschrieben wird, welche Leistung bereits an den Patienten abgegeben wurden. Solche Verfahren sind dem Fachmann bekannt und werden deshalb hier nicht näher erklärt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur formalen Beschreibung einer Messsequenz 100, die auf einem MR-Scanner 4 ausführbar ist, wie auch das erfindungsgemäße Verfahren zum automatischen Erzeugen einer Messsequenz 100 zur Ausführung auf einem MR-Scanner, die von der formalen Beschreibung einer Messsequenz 100 ausgeht, wie im Zusammenhang mit dieser Offenbarung beschrieben, erleichtern die Arbeit des Sequenzprogrammierers erheblich. Zum einen wird die Verwaltung der benötigten Parameter, um die Messsequenz 100 vollständig zu beschreiben, erheblich vereinfacht, da ein Großteil der die Messsequenz 100 bestimmenden Parameter automatisch aus dem gerichteten Graphen G ermittelt werden kann. Darüber hinaus sind mit der Menge von zu bestimmenden Parametern 1100 alle benötigten Parameter zumindest als Platzhalter bekannt. Das heißt mit anderen Worten, sie sind bekannt, ohne dass ein konkreter Wert festgelegt ist. Der Programmierer braucht sich also um die Vielzahl der Parameter für eine Messsequenz 100 im klinischen Alltag nicht mehr zu kümmern. Die Bestimmung zulässiger Werte für die Menge von zu bestimmenden Parametern 1100 kann dann durch den Solver 2000 erfolgen. Der Solver 2000 ermittelt aus dem gegebenen Parametern und deren Zusammenhängen, wie sie in dem gerichteten Graphen G formal beschrieben sind, die zu bestimmenden Parameter 1100 und belegt diese mit zulässigen Werten. Sobald alle Parameter beschrieben sind, ist es selbstverständlich möglich, diese vollständige Spezifikation der Messsequenz 100 automatisch zu übersetzen. Bisher war das Ermitteln zulässiger Parameterwerte ein langwieriger Prozess. Der Benutzer schlägt eine Vielzahl von Parameterwerten zur Ausführung der Messsequenz vor. Diese Eingaben des Benutzers werden bisher durch ein Prüfmodul geprüft, insbesondere werden Hardwarelimitierungen und/oder Gradientenlimitierungen überprüft. Für den Fall, dass sich dabei Probleme ergaben, wurde der Benutzer des MR-Scanners über ein Fenster oder ein Steuerelement der Benutzerschnittstelle 3000 des MR-Scanners 4 darauf hingewiesen. Dies kann zum Beispiel über den Monitor 205 geschehen. Sodann war ein Eingriff des Benutzers nötig, typischerweise war dies oft für eine neue Messsequenz 100 nötig. Insofern war das Ermitteln von zulässigen Werten, im Wechselspiel mit dem Benutzer des Magnetresonanzscanners 4 mitunter sehr zeitaufwendig und mühsam. Sofern die beiden erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden, wird der Aufwand für den Benutzer erheblich reduziert. In der Regel ist die Menge von zu bestimmenden Parametern 1100 klein. Bei diesen Werten handelt es sich typischerweise um sogenannte Highlevel-Parameter, wie etwa die Echozeit TE, die Repetitionszeit TR und dergleichen. Damit handelt es sich bei den vom Benutzer vorzugebenden Parametern um solche, die für ihn intuitiver zu handhaben sind. Schließlich sind sie unmittelbar mit Kontrasteigenschaften des MR-Bildes verknüpft.
8 zeigt ein Blockdiagramm für ein System gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das die beiden erfindungsgemäßen Verfahren umfasst. Die Komponenten des Systems sind miteinander über durchgezogene Linien verbunden und können untereinander kommunizieren. Ein Netzwerk sei in 8 über das Rechteck dargestellt, an das die beteiligten Module angeschlossen sind. Über eine Benutzerschnittstelle 3000 ist eine Interaktion mit dem Benutzer mög lich. So umfasst die Benutzerschnittstelle 3000 den Monitor 205, der zur Darstellung des gerichteten Graphen G geeignet ist. Das System umfasst eine Graphannahme-Schnittstelle 910, um den gerichteten Graphen G entgegen zu nehmen. Dieser wird durch das Sequenzmodell bereitgestellt. Alternativ kann die Graphannahmeschnittstelle 910 Eingaben der Vorrichtung zur formalen Beschreibung entgegennehmen. Darüber hinaus umfasst das System weiter ein Randbedingungsschnittstellenmodul 915. Dieses nimmt die vom Benutzer und/oder durch die Hardware vorgegebenen Randbedingungen 2500 entgegen. Ein Parametrisierungsmodul 1005 ermittelt eine Parametrisierung der Messsequenz 100 unter Verwendung der Struktur des gerichteten Graphen G. Aus den Randbedingungen 2500 sowie der Menge zu bestimmender Parameter 1100 ermittelt der Solver 2000 einen Satz von Timingwerten T.i, der das Timingproblem löst und zulässige Werte für die Menge zu bestimmender Parameter 1100 umfasst.
Selbstverständlich könnte der Solver 2000 auch verwendet werden, um alle Parameter einer Messsequenz 100 festzulegen, z. B. eine Auflösung von 2 mm innerhalb einer ausgewählten Schicht. Es kann sich als vorteilhaft erweisen, dem Solver 2000 keine festen Schranken für Parameterwerte vorzugeben, sondern Parameterbereiche mit variablen Grenzen in Verbindung mit einer Kosten- bzw. Straf-Funktion. Durch eine Straf-Funktion lässt sich formulieren, wie schwerwiegend ein Abweichen von vorgegebenen Grenzen bewertet wird. Der Solver 2000 sucht dann nach einer Lösung, wobei die variablen Grenzen von dem Solver 2000 geändert werden können, bei gleichzeitig möglichst geringer Straf-Funktion. Nur falls solch eine Lösung unter den vorgegebenen Randbedingungen 2500 nicht möglich ist, ist eine Interaktion mit dem Benutzer des MR-Scanners 4 über die Schnittstelle 3000 nötig. Der Benutzer hat die Möglichkeit Werte für die zu bestimmenden Parameter 1100 und/oder die Randbedingungen 2500 vorzugeben und/oder zu ändern. Aus den durch den Solver 2000 ermittelten Parameterwerten ergibt sich eine vollständige Beschreibung der Messsequenz 100. Mittels eines Übersetzungsmoduls 990 lässt sich die Messsequenz 100 in Zeitscheiben übersetzen, die auf dem MR-Scanner 4 als Teil des erfindungsgemäßen Systems, ausgeführt werden können.
Insgesamt reduziert die vorliegende Erfindung die Zahl der nötigen Interaktionen mit dem Benutzer des MR-Scanners 4 erheblich. Insofern wird die Arbeit nicht nur für den Sequenzprogrammierer einfacher, sondern auch für den Benutzer des MR-Scanners 4. Er hat mit der vorliegenden Erfindung mehr Zeit, sich auf diagnostische Fragestellungen zu konzentrieren.
Darüber hinaus ergibt sich aus der gewählten formalen Beschreibung der Messsequenz 100 eine Reihe von ganz neuen Anwendungen. So ist es möglich, Messsequenzen 100 zum Beispiel graphisch zu beschreiben. Außerdem wird die Analyse von Messsequenzen 100 durch die vorliegende nahezu vollständige Parametrisierung der Messsequenz 100 mittels der gerichteten Graphen G erleichtert. Der Schritt des automatischen Übersetzens der vorliegenden vollständigen Sequenzspezifikation in eine Programmiersprache, wie er durch das Übersetzungsmodul 990 erfolgt, ist leicht und auf bekannte Weise zu realisieren. Im Folgenden ist daher in XML eine Spezifikation für einen FLASH-Sequenz gegeben, wie sie dem Fachmann bekannt ist.
Der oben gegebene XML-Code beschreibt die FLASH-Sequenz zu dem in 6 gegebenen gerichteten Graphen G. Aus der formalen Beschreibung inklusive der gesamten Sequenzgleichungen, ebenso wie den Gleichungen für die Gradientenmomente lassen sich aus dem gerichteten Graphen G auch die Momente für jeden der X-Blöcke X ermitteln. Beispielsweise ist im Folgenden der Quell-Code in C++, für die einzelnen Größen, welche eine FLASH-Sequenz beschreiben, angegeben. Gradientenmoment in 3D-Richtung, BaseMoment_Delta3D
Gradientenmoment in Phasenkodierrichtung, Base_MomentDeltaPE
Gradientenmoment Anregung, BaseMoment_Excite

Gradientenmoment in Auleserichtung, BaseMoment_ReadOut
Nulltes Moment, BaseMoment Zero
FLASH-Subsequenz Quellcode zur Konfiguration eines X-Blocks X, Anregepuls, Tx_Excite
Gradientenecho auslesen, Rx GradEcho

FLASH-Subsequenz Quellcode zur Konfiguration eines Warp-Blocks W Warp-Block ”ToExcite0” zur ersten Anregung, Warp_ToExcite0
Warp-Block ”ToExciteN”, Warp_ToExciteN
Warp-Block ”ToGradEcho”, Warp_ToGradEcho

FLASH-Subsequenz Quellcode: Pfadkontrollen Stets zu erfüllende Pfadkontrolle, ”Always”
Pfadkontrolle ”weiterer Scan?”, ”AnotherScan”
Pfadkontrolle zum Beenden, ”Finished”

FLASH-Subsequenz Quellcode: Bedingungen zur Sequenzzeitmessung Zeitmessungsbedingung ”stets”, SeqTimeCond_Always
Zeitmessbedingung ”nicht bei erstem Scan”, SeqTimeCond_NotAtFirstScan
Zeitmessbedingung ”nicht bei letztem Scan”, SeqTimeCond_NotAtLastScan
Initialisieren des Index, SeqTimeIndex_AlwaysZero
Es sei in diesem Zusammenhang noch darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund des automatischen Übersetzens der formalen Beschreibung eines Sequenzbeschreibung für eine Messsequenz 100 liefern kann, die unmittelbar auf aktueller Hardware eines MR-Scanners 4 verwendet werden kann. Damit lassen sich beide erfindungsgemäße Verfahren nahtlos in aktuelle MR-Scanner 4 einfügen.

Claims

Verfahren zur Erstellung von Messsequenzen (100) zur Ausführung auf einem Magnetresonanz-Scanner (4), wobei das Verfahren auf einem Sequenzmodell aufbaut, das formal als ein gerichteter Graph (G) beschrieben wird, wobei das Sequenzmodell auf Blöcken aus der Gruppe von Warp-Block (W), X-Block (X), Pause (B) basiert, und wobei der gerichtete Graph (G) zumindest Folgendes umfasst: – Knoten, die gebildet sind aus der Gruppe bestehend aus X-Blöcken (X), Eintrittspunkt (I) und Austrittspunkt (O), – Kanten (Ka), die mögliche Transitionen, d. h. Übergänge zwischen einzelnen Knoten des gerichteten Graphen (G), beschreiben; – Eigenschaften der Kanten (Ka) zur Ablaufsteuerung des gerichteten Graphen (G), wobei die Eigenschaften der Kanten (Ka) zur Ablaufsteuerung gegeben sind durch die Gruppe, bestehend aus: – einem Warp-Block (W), – einer Zeitmessung, – einer Pause (B), und – einer Pfadkontrolle (P), wobei die Messsequenz (100) bis auf eine Menge von zu bestimmenden Parametern (1100) automatisch aus dem gerichteten Graphen (G) parametrisierbar ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Kanten (Ka) zwischen den Knoten gegeben sind durch die Gruppe bestehend aus: – einem Übergang von dem Eintrittspunkt (I) über eine Pfadkontrolle (P) zu einem Warp-Block (W) und von dort zu einem X-Block (X), – einem Übergang von einem X-Block (X) über eine Pfadkontrolle (P) zu dem Austrittspunkt (O), – einem Übergang von einem X-Block (X) über eine Pfadkontrolle (P) zu einem Warp-Block (W) und von dort zu einem X-Block (X), – einem Übergang von einem X-Block (X) über eine Pfadkontrolle (P) und eine Pause (B) zu einem Warp-Block (W) und von dort zu einem X-Block (X), und – einem Übergang von einem X-Block über eine Zeitmessung zu einem X-Block (X).
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei jeder X-Block (X) eine Zeitscheibe vom Empfangstyp (ET) und/oder vom Sendetyp (ST) repräsentiert.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei ein X-Block (X) vom Sendetyp (ST) entweder ein Inversionspuls, ein Anregungspuls, ein Refokussierungspuls oder eine Mischform aus diesen ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei stets nur eine der Pfadkontrollen (P) innerhalb des gerichteten Graphen (G) erfüllt sein darf.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei jede der Zeitmessungen ein Element ist aus der Gruppe bestehend aus: – einer Zeitdauer eines X-Blocks (X), – einer Sequenzzeit, die zwischen Zentren zweier X-Blöcke (X) gemessen wird, und – einer Sequenzstartzeit (T.30) als Zeitpunkt eines Zentrums des jeweils ersten X-Blocks (X) innerhalb einer Messsequenz (100), ist.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4 oder 6, weiter umfassend die folgenden Verfahrensschritte: – Ermitteln von Indizes zu jedem der X-Blöcke (X) des gerichteten Graphen (G), – Ermitteln von Variablen zu jedem der Warp-Blöcke (W) und der X-Blöcke (X) aus dem gerichteten Graphen (G), – Ermitteln von Gradientenmomenten nullter Ordnung zu jedem Zentrum eines jeden X-Block (X) vom Sendetyp (ST) und/oder Empfangstyp (ET) aus dem gerichteten Graphen (G).
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 7, weiter umfassend den folgenden Verfahrensschritt: – Ermitteln von Sequenzgleichungen aus dem gerichteten Graphen (G).
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 8, weiter umfassend folgenden Verfahrensschritt: – Ermitteln eines Pfades zur Echoentstehung zu jedem X-Block (X) vom Sendetyp (ST) und/oder Empfangstyp (ET) als eine Folge von Anregungspulsen und/oder Refokussierungspulsen und/oder Mischformen und/oder Inversionspulsen aus dem gerichteten Graphen (G).
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 9, weiter umfassend folgenden Verfahrensschritt: – Ermitteln von Gradientenmomenten erster Ordnung zu jedem Zentrum eines jeden X-Blocks (X) vom Sendetyp (ST) und/oder Empfangstyp (ET) aus dem gerichteten Graphen (G), wodurch Flusskompensierung und/oder Flusskodierung in der Messsequenz (100) einprägbar ist.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 10, weiter umfassend den folgenden Verfahrensschritt: – Ermitteln von Diffusionswichtungen für jeden der X-Blöcke vom Sendetyp (ST) und/oder vom Empfangstyp (ET) aus dem gerichteten Graphen (G).
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 11, weiter umfassend den folgenden Verfahrensschritt: – Ermitteln von Gradientenmomenten höherer Ordnung zu jeweils einem Zentrum eines jeden X-Blocks (X) vom Sendetyp (ST) und/oder vom Empfangstyp (ET) aus dem gerichteten Graphen (G).
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 12, weiter umfassend: – Ermitteln von Subsequenzen (101) innerhalb einer Messsequenz (100), – Identifizieren von unteilbaren Superblöcken (102) innerhalb der ermittelten Subsequenzen (101), wobei unteilbare Superblöcke (102) innerhalb eines gerichteten Graphen (G) über eine Sequenzzeit verbunden sind.
Verfahren zur automatischen Erzeugung einer Messsequenz (100) zur Ausführung auf einem Magnetresonanz-Scanner (4), basierend auf einem Sequenzmodell, das nach einem Verfahren zur Erstellung einer Messsequenz (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 parametrisiert wird und als ein gerichteter Graph (G) vorliegt, wobei die Parametrisierung eine Menge von zu bestimmenden Parametern (1100) umfasst, mit folgenden Schritten: – Bereitstellen von Randbedingungen (2500), die zum Ausführen der Messsequenz (100) auf einem Magnetresonanz-Scanner (4) zu erfüllen sind, – Ermitteln von Timingwerten (T.i) für jeden der Warp-Blöcke (W) und/oder X-Blöcke (X) sowie zulässiger Werte für die Menge von zu bestimmenden Parametern (1100) durch einen Solver (2000), unter Berücksichtigung der Randbedingungen (2500), – Automatisches Übersetzen einer formalen Beschreibung der Messsequenz (100) in eine Folge von Zeitscheiben, die auf einem Magnetresonanz-Scanner (4) ausführbar ist.
Verfahren gemäß Anspruch 14, weiter umfassend folgende Schritte zum verschachtelten Ausführen von Messsequenzen: – Bereitstellen mehrerer Messsequenzen, – Identifizieren von zumindest einer Subsequenz (101) innerhalb einer ersten Messsequenz der mehreren Messsequenzen, die Pausen (B) umfasst, – Ermitteln von Subsequenzen aus den jeweils anderen Messsequenzen der mehreren Messsequenzen, so dass während der Pausen (B) der ersten Messsequenz zumindest eine der ermittelten Subsequenzen überlappungsfrei ausgeführt werden kann.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei die Randbedingungen (2500) mindestens ein Element aus der Gruppe umfassend: – Kontrastvorgaben, – Bildauflösungsvorgaben, – Positionsvorgaben für mindestens eine Schicht, – Hardwarelimitierungen, – Minimierung der Messzeit, und – Patientensicherheitsvorgaben sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der Schritt des automatischen Übersetzens der formalen Beschreibung ein Übersetzen in eine Programmiersprache umfasst, so dass die Messsequenz (100) auf dem Magnetresonanz-Scanner (4) und/oder auf einer mit dem MR-Scanner (4) verbundenen Steuereinheit (45) ausführbar ist.
Vorrichtung zur formalen Beschreibung einer Messsequenz (100) zur Ausführung auf einem Magnetresonanz-Scanner (4), wobei die Vorrichtung umfasst: – eine Sequenzmodellschnittstelle, die bestimmt ist, ein Sequenzmodell entgegen zu nehmen, wobei das Sequenzmodell auf Blöcken aus der Gruppe von Warp-Block (W), X-Block (X), Pause (B) basiert, – ein Monitor (205), der geeignet ist, basierend auf dem Sequenzmodell, die Messsequenz (100) als einen gerichteten Graphen (G) darzustellen, wobei der gerichtete Graph (G) mindestens umfasst: – Knoten, die gebildet sind aus der Gruppe bestehend aus X-Blöcken (X), Eintrittspunkt (I) und Austrittspunkt (O), – Kanten (Ka), die mögliche Transitionen, d. h. Übergänge zwischen einzelnen Knoten des gerichteten Graphen (G), beschreiben; – Eigenschaften der Kanten (Ka) zur Ablaufsteuerung des gerichteten Graphen (G); wobei die Vorrichtung weiter ein Parametrisierungsmodul (1005) umfasst, das geeignet ist, die Messsequenz (100) ausgehend von dem Sequenzmodell bis auf eine Menge zu bestimmender Parameter (1100) aus dem gerichteten Graphen (G) automatisch zu parametrisieren.
Vorrichtung zur automatischen Erzeugung einer Messsequenz (100) zur Ausführung auf einem Magnetresonanz-Scanner (4), wobei die Vorrichtung umfasst: – eine Graphannahmeschnittstelle (910), die bestimmt ist, gerichtete Graphen (G) entgegenzunehmen, wobei der gerichtete Graph (G) ausgehend von einem Sequenzmodell erzeugt wird mittels einer Vorrichtung zur formalen Beschreibung einer Messsequenz (100) zur Ausführung auf einem Magnetresonanz-Scanner (4) gemäß Anspruch 18, – ein Randbedingungsschnittstellenmodul (915), das bestimmt ist, vorgegebene Randbedingungen (2500), die optional bei der Ausführung der Messsequenz (100) zu erfüllen sind, entgegenzunehmen, – einen Solver (2000), der bestimmt ist zur Ermittlung von Timingwerten (T.i) für jeden der Warp-Blöcke (W) und/oder X-Blöcke (X) sowie zur Ermittlung zulässiger Werte für die Menge von zu bestimmenden Parametern (1100) optional unter Berücksichtigung der Randbedingungen (2500), – ein Übersetzungsmodul (990), das bestimmt ist zum automatischen Übersetzen der formalen Beschreibung der Messsequenz (100) zur Ausführung auf einem Magnetresonanz-Scanner (4) in eine Folge von Zeitscheiben, die auf einem Magnetresonanz-Scanner (4) ausführbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 19, wobei die Vorrichtung weiter mindestens eines der folgenden Module umfasst: – ein Indizierungsmodul, das bestimmt ist zum Ermitteln von Indizes zu jedem der X-Blöcke (X) aus dem gerichteten Graphen (G), – ein Variablenmodul, das bestimmt ist, zu jedem der Warp-Blöcke (W) und/oder jedem der X-Blöcke (X) aus dem gerichteten Graphen (G) Variablen zu bestimmen, – ein Sequenzgleichungsmodul, das bestimmt ist, aus dem gerichteten Graphen (G) Sequenzgleichungen zu ermitteln, – ein Echopfadmodul, das bestimmt ist, aus dem gerichteten Graphen (G) einen Pfad zur Echoentstehung zu jedem X-Block (X) vom Sendetyp (ST) und/oder Empfangstyp (ET) als eine Folge von Anregungspulsen und/oder Refokussierungspulsen und/oder Mischformen und/oder Inversionspulsen zu bestimmen, – ein Gradientenmomentmodul, das bestimmt ist zur Bestimmung eines Gradientenmoments nullter Ordnung und/oder eines Gradientenmoments erster Ordnung und/oder eines Gradientenmoments höherer Ordnung zu jedem Zentrum eines jeden X-Block (X) vom Sendetyp (ST) und/oder Empfangstyp (ET) aus dem gerichteten Graphen (G), – ein Diffusionswichtungsmodul, das bestimmt ist zur Ermittlung von Diffusionswichtungen für jeden der X-Blöcke vom Sendetyp (ST) und/oder vom Empfangstyp (ET) aus dem gerichteten Graphen (G), – ein Verschränkungsmodul, das bestimmt ist, mehrere Messsequenzen entgegenzunehmen, die verschränkt ausgeführt werden sollen, – ein Subsequenzbestimmungsmodul, das dazu bestimmt ist, mindestens eine Subsequenz (101) innerhalb einer jeweils ersten Messsequenz der mehreren Messsequenzen zu identifizieren, die Pausen (B) umfasst, – ein Subsequenzermittlermodul, das bestimmt ist zum Ermitteln von Subsequenzen aus den jeweils anderen Messsequenzen der mehreren Messsequenzen, so dass während der Pausen (B) der jeweils ersten Messsequenz zumindest eine der ermittelten Subsequenzen überlappungsfrei ausgeführt werden kann.
Computerprogrammprodukt, das ein Verfahren zur Erstellung einer Messsequenz (100) zur Ausführung auf einem Magnetresonanz-Scanner (4) nach einem der Ansprüche 1–13 und/oder ein Verfahren zur automatischen Erzeugung einer Messsequenz (100) zur Ausführung auf einem Magnetresonanz-Scanner (4) nach einem der Ansprüche 14–17 implementiert, wenn das Programm auf einer mit einem Magnetresonanz-Scanner (4) verbundenen Rechnereinheit und/oder auf dem Magnetresonanz-Scanner ausgeführt wird.
System zur automatischen Erzeugung einer Messsequenz (100) zur Ausführung auf einem Magnetresonanz-Scanner (4), wobei das System umfasst: – einen Magnetresonanz-Scanner (4), auf dem Messsequenzen (100) ausgeführt werden können, – eine Benutzerschnittstelle (3000), die bestimmt ist zur Interaktion mit dem Benutzer des Magnetresonanz-Scanners (4), – eine Vorrichtung zur formalen Beschreibung einer Messsequenz (100) zur Ausführung auf einem Magnetresonanz-Scanner (4) gemäß Anspruch 18, – eine Vorrichtung zur automatischen Erzeugung einer Messsequenz (100) zur Ausführung auf einem Magnetresonanz-Scanner (4) gemäß einem der Ansprüche 19 oder 20.