DE102009014461B4

DE102009014461B4 - Verfahren, Magnetresonanzgerät und Computerprogramm zur Erstellung von Bildern mittels paralleler Akquistionstechnik

Info

Publication number: DE102009014461B4
Application number: DE102009014461A
Authority: DE
Inventors: Alto 91183 Stemmer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2009-03-23
Filing date: 2009-03-23
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2029-03-24
Also published as: US20100237864A1; CN101846731A; US8570034B2; CN101846731B; DE102009014461A1

Abstract

Verfahren zur Erstellung von Bilddaatensätzen mittels paralleler Akquisitionstechnik, umfassend die Schritte:
– Einstrahlen eines Anregungspulses in ein Untersuchungsobjekt,
– Erzeugen eines ersten Echozuges nach dem Anregungspuls, wobei der erste Echozug ein Segment eines für eine Akquisition von Spulenkalibrierungsdaten abzutastenden k-Raums hinreichend dicht abtastet,
– Akquirieren von Spulenkalibrierungsdaten mittels des ersten Echozuges nach dem Anregungspuls,
– Speichern der akquirierten Spulenkalibrierungsdaten in einem Spulenkalibrierungsdatensatz,
– Erzeugen eines zweiten Echozuges nach demselben Anregungspuls, wobei der zweite Echozug ein Segment eines für eine Akquisition von Bilddaten abzutastenden k-Raums unterabtastet,
– Akquirieren von Bilddaten mittels des zweiten Echozuges nach demselben Anregungspuls,
– Speichern der akquirierten Bilddaten in einem unvollständigen Bilddatensatz,
– Erzeugen eines Bilddatensatzes durch Substituieren von durch die Unterabtastung fehlenden Daten in dem unvollständigen Bilddatensatz mittels einer ausgewählten PAT-Rekonstruktionstechnik unter Verwendung des Spulenkalibrierungsdatensatzes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Magnetresonanzgerät und ein Computerprogramm zur Erstellung von Bildern mittels paralleler Akquisitionstechnik.
Parallele Akquisitionstechniken (engl. „parallel acquisition techniques” – PAT) ermöglichen es in der Magnetresonanztomographie (MRT) während einer Datenakquisition, d. h. einer Messung, den räumlichen Frequenzraum, den sogenannten k-Raum, unterabzutasten, das heißt, die nach dem Nyquist-Theorem erforderliche Dichte der gemessenen Datenpunkte bzw. Datenzeilen zu unterschreiten, und während der Bildrekonstruktion die fehlenden Datenpunkte, zumeist ganze Datenzeilen, näherungsweise zu berechnen bzw. direkt im zugehörigen Bildraum die aus der Unterabtastung resultierenden Aliasing-Artefakte zu unterdrücken. Somit kann die Messzeit, die zur Akquisition der Rohdaten aufgewandt werden muss, deutlich reduziert werden. Des Weiteren lassen sich mithilfe der parallelen Akquisitionstechniken typische Artefakte, die bei speziellen Anwendungen bzw. Sequenztechniken auftreten, teilweise drastisch reduzieren. Voraussetzung, um parallele Akquisitionstechniken anwenden zu können, sind mehrere Empfangsspulen und die Kenntnis über die räumlichen Empfindlichkeiten der bei der Akquisition der Rohdaten verwendeten Empfangsspulen; man spricht auch von einer Kenntnis der Spulensensitivitäten. Die Spulensensitivitäten können aus sogenannten Spulenkalibrierungsdaten näherungsweise berechnet werden. Die Spulenkalibrierungsdaten werden in der Regel zusätzlich gemessen. Die durch die Unterabtastung fehlenden Rauminformationen der Messdaten werden dann mithilfe der Spulenkalibrierungsdaten, bzw. mit Hilfe der aus den Spulenkalibrierungsdaten berechneten Spulensensitivitäten der Empfangsspulen, ausgeglichen. Dabei werden die fehlenden Datenpunkte entweder mit Hilfe der Spulenkalibrierungsdaten, bzw. mit Hilfe der aus den Spulenkalibrierungsdaten berechneten Spulensensitivitäten der Empfangsspulen sowie der gemessenen Datenpunkte (Messdaten) substituiert, oder die aus der Unterabtastung resultierenden Aliasing-Artefakte werden direkt im Bildraum mit Hilfe der Spulensensitivitäten unterdrückt. In beiden Fällen spricht man hierbei von einer PAT-Rekonstruktion.
Dabei hängen die Spulensensitivitäten der Empfangsspulen unter anderem von der Orientierung der Empfangsspulen auf dem Untersuchungsobjekt, z. B. einem Patienten, und der jeweiligen Last im Feld, also von Eigenschaften des Untersuchungsobjekts am Ort der Empfangsspule, ab. Deshalb müssen die Spulensensitivitäten zumindest für jedes Untersuchungsobjekt neu bestimmt werden. Auch während einer Messung kann die Empfindlichkeit der Empfangsspulen durch Bewegungen, insbesondere makroskopische Bewegungen, des Untersuchungsobjekts, z. B. Atembewegungen oder andere Bewegungen eines Patienten, beeinflusst werden. Daher werden die Spulenkalibrierungsdaten idealerweise für jede Messung neu und zeitlich eng benachbart mit den Messdaten akquiriert.
Verschiedene Methoden zur Messung der Spulenkalibrierungsdaten bzw. zur Bestimmung der Spulensensitivitäten von Empfangsspulen für parallele Akquisitionstechniken sind beispielsweise in dem Artikel von M. Griswold et al., „Autocalibrated coil sensitivity estimation for parallel Imaging”, NMR Biomed. 2006; 19: S. 316–324, beschrieben.
Allerdings sind die bekannten Methoden zur Bestimmung von Spulenkalibrierungsdaten nicht für jede Sequenztechnik für die Datenakquisition geeignet und/oder sind unerwünscht zeitaufwendig.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren, ein Magnetresonanzgerät und ein Computerprogramm anzugeben, die eine bewegungsunempfindliche und schnelle Akquisition von Spulenkalibrierungsdaten für parallele Akquisitionstechniken (PAT) ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, ein Magnetresonanzgerät gemäß Anspruch 15 und ein Computerprogramm gemäß Anspruch 16.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erstellung von Bildern mittels paralleler Akquisitionstechnik umfasst die Schritte:

– Einstrahlen eines Anregungspulses in ein Untersuchungsobjekt,
– Erzeugen eines ersten Echozuges nach dem Anregungspuls, wobei der erste Echozug ein Segment eines für eine Akquisition von Spulenkalibrierungsdaten abzutastenden k-Raums dicht abtastet,
– Akquirieren von Spulenkalibrierungsdaten mittels des ersten Echozuges nach dem Anregungspuls,
– Speichern der akquirierten Spulenkalibrierungsdaten in einem Spulenkalibrierungsdatensatz,
– Erzeugen eines zweiten Echozuges nach demselben Anregungspuls, wobei der zweite Echozug ein Segment eines für eine Akquisition von Bilddaten abzutastenden k-Raums unterabtastet,
– Akquirieren von Bilddaten mittels des zweiten Echozuges nach demselben Anregungspuls,
– Speichern der akquirierten Bilddaten in einem unvollständigen Bilddatensatz,
– Erzeugen eines Bilddatensatzes durch Substituieren von durch die Unterabtastung fehlender Daten in dem unvollständigen Bilddatensatz mittels einer ausgewählten PAT-Rekonstruktionstechnik unter Verwendung des Spulenkalibrierungsdatensatzes.

Der Erfindung liegen folgende Erkenntnisse zugrunde:
Eine besonders häufig bei sich ändernden Messbedingungen eingesetzte, an sich bekannte Methode zur Bestimmung von Spulenkalibrierungsdaten ist die sogenannte Autokalibrierungstechnik. Bei dieser wird ein Teil des k-Raums, meist der innere, zentrale Bereich, vollständig (man spricht auch von „dicht”) entsprechend dem bereits genannten Nyquist-Theorem, abgetastet, während der Rest des k-Raums, entsprechend meist der periphere Bereich, unterabgetastet wird. Aus dem vollständig abgetasteten Bereich werden direkt die Spulenkalibrierungsdaten ermittelt, die zur Substitution der unterabgetasteten Bereiche benötigt werden. Somit werden die entsprechenden Spulenkalibrierungsdaten während jeder Messung direkt bestimmt. Ein weiterer Vorteil der Autokalibrierungstechnik besteht darin, dass die dicht abgetasteten Bereiche keiner Substitution bedürfen und damit das Signal-Rausch-Verhältnis (engl. „signal to noise ratio”, SNR) in den akquirierten Daten gegenüber vollständig unterabgetasteten Daten verbessert ist.
Allerdings ist die Autokalibrierungstechnik nicht für alle Sequenztechniken geeignet, insbesondere nicht für Echoplanar-Sequenzen (EPI-Sequenzen). Wendet man diese Autokalibrierungstechnik beispielsweise bei einer single-shot-Echoplanar-Sequenz (engl. „single shot echo planar imaging”, single shot EPI) an, so akquiriert man in einem einzigen Echozug die Spulenkalibrierungsdaten und auch die gewünschten Messdaten, zumeist Bilddaten. Dies ist möglich, indem man das Moment des Phasenkodiergradienten (bei EPI auch mit „Slip” bezeichnet), der zwischen der Akquisition zweier benachbarter Zeilen geschalten wird, während des Echozugs variiert. Beispielsweise ist das Moment des Phasenkodiergradienten in dem unterabgetasteten Bereich, z. B. zwischen zwei peripheren Zeilen, die zu Beginn und am Ende des Echozuges akquiriert werden, um einen Faktor A höher als zwischen zwei Zeilen in dem dicht abgetasteten Bereich, z. B. zwischen zwei zentralen Zeilen. A ist dabei der sogenannte Beschleunigungsfaktor. Diese Variation in der Geschwindigkeit, mit der der k-Raum entlang der Phasenkodierrichtung während des Echozuges durchlaufen wird, führt zu Verschmierungsartefakten, die die Qualität der gewonnenen Daten unbefriedigend machen. Daher wird die Autokalibrierungstechnik trotz ihrer Schnelligkeit und Bewegungsunempfindlichkeit nicht für diese Sequenztechniken, wie single shot EPI, eingesetzt.
Eine andere an sich bekannte Methode, die in Verbindung mit EPI eingesetzt wird, ist die Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten separiert von den weiteren gewünschten Messdaten nach einem oder mehreren separaten Anregungspulsen, beispielsweise im Zuge eines sogenannten „Prescans”.
Werden die Spulenkalibrierungsdaten dabei nach einer einzigen Anregung im „Prescan” ausgelesen, hat der Phasenkodiergradient zwischen zwei benachbarten Zeilen eines EPI-Echozugs, der zur Akquisition der Bilddaten eingesetzt wird, das A-fache Moment des Phasenkodiergradienten zwischen zwei Zeilen eines Echozugs, der zur Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten eingesetzt wird. Entsprechend ist die Geschwindigkeit entlang der Phasenkodierrichtung während eines bildgebenden Echozugs um den Faktor A höher als während eines Echozugs zur Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten. Wie bereits oben erwähnt, hängt die Geschwindigkeit entlang der Phasenkodierrichtung mit Verzerrungs- bzw. Verschmierungsartefakten zusammen. Somit kommt es zu unterschiedlichen Verzerrungen zwischen den gewonnenen Bilddaten und den aus den Spulenkalibrierungsdaten bestimmbaren Spulensensitivitäten. Dies kann negative Auswirkungen auf die PAT-Rekonstruktion haben. Des Weiteren ist hier der T₂*-Zerfall zwischen zwei benachbarten gemessenen Zeiten der Bilddaten proportional zu e^–ES/T₂*, während der T₂*-Zerfall zwischen entsprechenden Zeilen im Spulenkalibrierungsdatensatz proportional zu e^{–A·ES/T₂*} ist. Dabei ist ES der zeitliche Echoabstand (engl. „echo spacing”, ES), also die Zeit zwischen der Akquisition unmittelbar aufeinander folgender Phasenkodierzeilen. Auch dies wirkt sich negativ auf die PAT-Rekonstruktion aus.
Diese beiden genannten Probleme bei dem „Prescan”-Verfahren könnten gelöst werden, wenn die „Prescans” segmentiert, also nach mehreren separaten Anregungen gemessen, werden. Dabei werden die Spulenkalibrierungsdaten segmentiert unter Verwendung von A Echozügen akquiriert. Das Moment des Phasenkodiergradienten zwischen zwei benachbarten Zeilen der A Echozüge zur Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten und das Moment des Phasenkodiergradienten des bildgebenden Echozugs sind dann gleich. Damit ist auch die Geschwindigkeit entlang der Phasenkodierrichtung und der T₂*-Zerfall zwischen benachbart gemessenen Zeilen gleich. Dabei wird ein Phasenkodier-Vophasier-Gradient (engl. „prephasing gradient”) zu Beginn jedes der A Echozüge zur Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten jeweils so gewählt, dass die Daten der A Echozyklen zusammen den k-Raum dicht abtasten. Diese segmentierte Methode hat jedoch wieder als Nachteil gegenüber der Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten nach einer einzigen Anregung, dass einerseits mehr Zeit für die Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten benötigt wird (A Echozüge statt eines einzigen) und andererseits durch die Segmentierung die Sensitivität der Messung gegenüber Bewegungen, z. B. des Patienten, und anderen physiologischen Effekten, wie z. B. Fluss, erhöht wird.
Welche Methode zur Bestimmung der Spulenkalibrierungsdaten eingesetzt wird, hängt bisher von vielen Faktoren ab, unter anderem von der eingesetzten PAT-Rekonstruktionstechnik, z. B. GRAPPA (engl. „generalized autocalibrating partially parallel acquisitions”), SMASH (engl. „simultaneous acquisition of spatial harmonics”), oder SENSE (engl. „SENSitivity Encoding”) und/oder dem eingesetzten Beschleunigungsfaktor A.
In beiden Fällen der Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten im Zuge von „Prescans” beträgt jedoch der zeitliche Abstand zwischen der Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten und der Bilddaten, bzw. der gewünschten Messdaten, mindestens eine Wiederholzeit TR der verwendeten Sequenz. Diese Wiederholzeit TR liegt, z. B. bei diffusionsgewichteter Bildgebung, bei bis zu mehreren Sekunden. Dieser Zeitabstand ist insbesondere bei Messungen an Untersuchungsobjekten, die sich in Zeitabständen der gleichen Größenordnung bewegen, wie insbesondere Atembewegungen, Herzschlag oder Darmbewegungen bei einem Patienten, nicht vernachlässigbar, da er zu Inkonsistenzen zwischen den akquirierten Spulenkalibrierungsdaten und den mit Verzögerung akquirierten Bilddaten führt. Diese Inkonsistenzen wirken sich wiederum negativ auf die Qualität der parallelen Bildrekonstruktion aus, z. B. indem sie zu einer unvollständigen Unterdrückung der aus der Unterabtastung resultierenden Aliasing-Artefakte führen oder zu einer Verschlechterung des SNR.
Dies trifft umso mehr bei Messungen zu, bei denen eine anatomische Schicht mehrmals gemessen wird, z. B. mit dem eigentlichen Ziel, das SNR zu verbessern. Dies ist z. B. bei diffusionsgewichteter Bildgebung jedoch die Regel, wobei nicht nur jede Schicht mehrmals, sondern evtl. auch mit unterschiedlicher Ausrichtung und/oder Amplitude eines angewandten Diffusionsgradienten gemessen wird. Aus Gründen der Effektivität, insbesondere im Bezug auf die nötige Akquisitionszeit, werden bei diffusionsgewichteter Bildgebung die Spulenkalibrierungsdaten bisher trotzdem meist nur einmal pro Schicht, und dabei in der Regel mit ausgeschalteten Diffusionsgradienten, akquiriert. Dadurch beträgt der zeitliche Abstand zwischen der Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten und der der Bilddaten sogar mehrere TR-Intervalle.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann durch die Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten und der Bilddaten nach einem gemeinsamen Anregungspuls in zwei separaten Echozügen kann der zeitliche Abstand zwischen der Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten und der Bilddaten klein gehalten werden, insbesondere kleiner als eine Wiederholzeit TR der Datenmessung. Je nach verwendeter Sequenztechnik und nach verwendeter Hardware, insbesondere je nach Gradientensystem, kann der zeitliche Abstand zwischen der Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten und der Akquisition der Bilddaten auf einige Zehntel Millisekunden verkürzt werden, wodurch er unterhalb der zeitlichen Größenordung von typischen makroskopischen Bewegungen von Untersuchungsobjekten, wie z. B. Atmung oder Herzschlag eines Patienten, liegt. Damit wird eine robuste parallele Bildrekonstruktion unter typischen makroskopischen Bewegungen des Untersuchungsobjekts möglich, ohne dass die genannten Nachteile der bekannten Autokalibrierungstechniken bei speziellen Sequenztechniken, wie EPI-Sequenzen, auftreten.
Vorteilhaft wird der erste und/oder der zweite Echozug durch eine Sequenztechnik für echoplanare Bildgebung (EPI) erzeugt. Die echoplanare Bildgebung zeichnet sich durch eine besonders schnelle Datenakquisition aus und verkürzt somit die Akquisitionszeiten für die jeweiligen Daten.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird eine Reihe von Anregungspulsen in das Untersuchungsobjekt eingestrahlt, wobei nach jedem Anregungspuls je Spulenkalibrierungsdaten und Bilddaten verschiedener Segmente des jeweils für die Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten bzw. für die Akquisition der Bilddaten abzutastenden k-Raums akquiriert werden. Durch eine derartige segmentierte Aufnahme mit mehren Anregungspulsen kann z. B. bei unveränderter Echozuglänge die akquirierte Datenmenge, die superpositioniert oder auch verglichen werden kann, erhöht werden, und somit z. B. die Auflösung der berechneten Bilder verbessert werden. Des Weiteren kann bei einer solchen segmentierten Akquisition von Spulenkalibrierungsdaten und Bilddaten die Geschwindigkeit, mit der der k-Raum entlang der Phasenkodierrichtung während des Echozuges durchlaufen wird, erhöht werden und damit können z. B. Verzerrungsartefakte reduziert werden.
Vorteilhaft werden in der eben genannten Ausführungsform der erste und der zweite Echozug durch eine Sequenztechnik für echoplanare Bildgebung (EPI) erzeugt, wobei die verschiedenen Segmente zueinander rotiert sind. Eine bekannte Sequenztechnik hierfür ist z. B. die sogenannte PROPELLER-EPI. Eine PROPELLER-Methode in Verbindung mit paralleler Akquisitionstechnik ist z. B. in der US 7,482,806 B2 beschrieben. Allerdings ist diese wegen der dort auftretenden variablen Geschwindigkeiten in Phasenkodierrichtung aus den oben genannten Gründen nicht für EPI-Techniken geeignet.
Die parallele Rekonstruktion erfolgt bei PROPELLER-Methoden individuell für jedes Segment (auch Einzelblatt, engl. „blade”, genannt) vor einer Superposition der Einzelblätter.
Durch Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer PROPELLER-EPI-Technik werden für jedes Segment des k-Raums, das abgetastet wird, und damit für jede Ausrichtung des Segments, passende Spulenkalibrierungsdaten akquiriert. Die Zeit, die zur Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten benötigt wird, kann die Echozeit, bei EPI-Sequenzen die Zeit zwischen Anregungspuls und Akquisition der zentralen k-Raumzeile, verlängern. Diese Verlängerung ist jedoch klein, da die Zeit zwischen Anregungspuls und ersten Inversionspuls bei üblichen Sequenzen in der Regel nicht voll genutzt wird, z. B. wegen einer gewünschten Symmetrie des Diffusionsmoduls und einer Mindestzahl von Zeilen, die vor der zentralen k-Raumzeile akquiriert werden muss.
Daher ist das Verfahren trotz Akquisition passender Spulenkalibrierungsdaten für jedes abgetastete Segment besonders zeiteffizient, da Spulenkalibrierungsdaten und Bilddaten zwar mittels zweier Echozüge, jedoch nach einem gemeinsamen Anregungspuls akquiriert werden können. Dabei muss eine Messzeit für ein Einzelblatt trotz der Erzeugung eines ersten und eines zweiten Echozug nach dem gemeinsamen Anregungspuls nicht unbedingt verlängert werden, z. B. wenn ansonsten ungenutzte Füllzeiten der Sequenz, die bei manchen Sequenztechniken vorkommen, für die Akquisition des zweiten Echozugs genutzt werden. Je nach verwendeter Sequenztechnik ist aber unter Umständen eine Verlängerung der Messzeit zwischen zwei Anregungspulsen nötig. Doch selbst diese Verlängerung kann in der Regel vernachlässigt werden gegenüber einer Verlängerung der Gesamtmesszeit, wie sie bei separater Akquisition von Spulenkalibrierungsdaten und Bilddaten entsteht.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der erste und der zweite Echozug durch eine gleiche Sequenztechnik derart erzeugt, dass jeder Echozug eine Folge von Echos umfasst, wobei der zeitliche Abstand der Echos einer Folge des ersten Echozuges kürzer ist als der zeitliche Abstand der Echos einer Folge des zweiten Echozuges. Durch die Verkürzung des Echoabstands des ersten Echozuges wird die Gesamtmessdauer der beiden Akquisitionen weiter verringert. Darüber hinaus wird gleichzeitig die Geschwindigkeit entlang der Phasenkodierrichtung in den beiden Echozügen einander angepasst und damit z. B. die bereits oben erwähnten Verzerrungsartefakte in den jeweiligen Daten ebenso. Somit wird die anschließende Substitution durch eine PAT-Rekonstruktionstechnik nicht mehr negativ durch Inkonsistenzen in den jeweiligen Verzerrungen beeinflusst. Ebenso wird der T₂*-Zerfall zwischen entsprechenden k-Raumzeilen in dem Spulenkalibrierungsdatensatz und in dem Bilddatensatz angepasst, wodurch die oben genannten Nachteile ebenfalls vermieden werden, ohne dass, wie im Stand der Technik, die Messdauer verlängert und die Empfindlichkeit gegenüber Bewegung und Fluss erhöht werden müsste.
Neben einer Sequenztechnik für EPI Bildgebung kommt auch eine Sequenztechnik für Turbo-Spin-Echo(TSE)-Bildgebung für die Erzeugung des ersten und des zweiten Echozuges in Frage.
Besonders vorteilhaft wird der zeitliche Abstand der Echos einer Folge des ersten Echozuges um einen Faktor A gegenüber dem zeitlichen Abstand der Echos einer Folge des zweiten Echozuges verkürzt und gleichzeitig der Abstand von mittels des ersten Echozuges abgetasteten Zeilen in dem Segment des für die Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten dicht abgetasteten k-Raums um denselben Faktor A gegenüber dem Abstand von mittels des zweiten Echozuges abgetasteten Zeilen in dem Segment des für die Akquisition der Bilddaten unterabgetasteten k-Raums verkürzt. Auf diese Weise werden die Anpassung der Geschwindigkeit entlang der Phasenkodierrichtungen und die Anpassung des T₂*-Zerfalls optimiert.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden auf Basis des Spulenkalibrierungsdatensatzes Artefakte in dem unvollständigen Bilddatensatz und/oder in einem aus dem Bilddatensatz gewonnenen Bilddatensatz korrigiert. Da die Spulenkalibrierungsdaten des Spulenkalibrierungsdatensatzes mittels eines ein Segment des k-Raums vollständig abtastenden Echozuges akquiriert wurden, können diese Daten z. B. zum Vergleich von Ergebnissen der Rekonstruktion und/oder für eine Mittelung von auf diese Weise einmal im Spulenkalibrierungsdatensatz und einmal im ggf. bereits substituierten unvollständigen Bilddatensatz vorhandenen Daten herangezogen werden, wodurch z. B. das SNR weiter erhöht werden kann.
Ein erfindungsgemäßes Magnetresonanzgerät umfasst mehrere Empfangsspulen zum Empfang von Hochfrequenzsignalen und eine Recheneinheit, die zur Durchführung eines oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist.
Ein erfindungsgemäßes Computerprogramm implementiert ein oben beschriebenes Verfahren auf einer Recheneinheit, die mit einem Magnetresonanzgerät verbunden ist, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Die bezüglich des Verfahrens aufgeführten Vorteile und Ausgestaltungen gelten für das Magnetresonanzgerät und das Computerprogramm analog.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Die aufgeführten Beispiele stellen keine Beschränkung der Erfindung dar. Es zeigen:
1 einen schematischen Aufbau eines an sich bekannten Magnetresonanzgeräts,
2 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des beanspruchten Verfahrens,
3 ein schematisches Sequenzdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 u. 5 Beispiele für Trajektorien im k-Raum, die bei einem erfindungsgemäßen Verfahren abgetastet werden und
6 ein schematisches Ablaufdiagramm für eine prinzipielle PAT-Rekonstruktion.
1 zeigt schematisch den Aufbau eines Magnetresonanzgeräts 1 mit seinen wesentlichen Komponenten. Um einen Körper mittels Magnet-Resonanz-Bildgebung zu untersuchen, werden verschiedene, in ihrer zeitlichen und räumlichen Charakteristik genauestens aufeinander abgestimmte Magnetfelder auf den Körper eingestrahlt.
Ein in einer hochfrequenztechnisch abgeschirmten Messkabine 3 angeordneter starker Magnet, üblicherweise ein Kryomagnet 5 mit einer tunnelförmigen Öffnung, erzeugt ein statisches starkes Hauptmagnetfeld 7, das üblicherweise 0,2 Tesla bis 7 Tesla und mehr beträgt. Ein zu untersuchendes Untersuchungsobjekt, z. B. ein Patient – hier nicht dargestellt – wird auf einer Patientenliege 9 gelagert und im homogenen Bereich des Hauptmagnetfeldes 7 positioniert.
Die Anregung der Kernspins in dem Untersuchungsobjekt erfolgt über magnetische Hochfrequenz-Anregungspulse, die über mindestens eine Hochfrequenzantenne, z. B. eine hier als Körperspule 13 dargestellte Hochfrequenzantenne, eingestrahlt werden. Die Hochfrequenz-Anregungspulse werden von einer Pulserzeugungseinheit 15 erzeugt, die von einer Pulssequenz-Steuerungseinheit 17 gesteuert wird. Nach einer Verstärkung durch einen Hochfrequenzverstärker 19 werden sie zu der mindestens einen Hochfrequenzantenne geleitet. Das hier gezeigte Hochfrequenzsystem ist lediglich schematisch angedeutet. Üblicherweise werden mehr als eine Pulserzeugungseinheit 15, mehr als ein Hochfrequenzverstärker 19 und mehrere Hochfrequenzantennen in einem Magnetresonanzgerät 1 eingesetzt.
Weiterhin verfügt das Magnetresonanzgerät 1 über Gradientenspulen 21, mit denen bei einer Messung magnetische Gradientenfelder unter anderem zur selektiven Schichtanregung und zur Ortskodierung des Messsignals eingestrahlt werden. Die Gradientenspulen 21 werden von einer Gradientenspulen-Steuerungseinheit 23 gesteuert, die ebenso wie die Pulserzeugungseinheit 15 mit der Pulssequenz-Steuerungseinheit 17 in Verbindung steht.
Die von den angeregten Kernspins ausgesendeten Signale werden von der Körperspule 13 und/oder von lokalen Empfangsspulen 25 empfangen, durch zugeordnete Hochfrequenzvorverstärker 27 verstärkt und von einer Empfangseinheit 29 weiterverarbeitet und digitalisiert.
Bei einer Spule, die sowohl im Sende- als auch im Empfangsmodus betrieben werden kann, wie z. B. die Körperspule 13, wird die korrekte Signalweiterleitung durch eine vorgeschaltete Sende-Empfangs-Weiche 39 geregelt.
Eine Recheneinheit 37, die mit dem Magnetresonanzgerät verbunden ist, verarbeitet die Messdaten. Insbesondere führt die Recheneinheit 37 z. B. eine PAT-Rekonstruktion erhaltener Messdaten durch, wobei die Recheneinheit 37 mit einer Speichereinheit 35 derart verbunden ist, dass die Recheneinheit 37 Ergebnisse der PAT-Rekonstruktion sowie Zwischenergebnisse der Verarbeitung der Messdaten, wie etwa (unvollständige) Bilddatensätze oder Spulenkalibrierungsdatensätze, auf der Speichereinheit 35 speichern und auch wieder aufrufen kann. Weiterhin kann die Recheneinheit 37, ggf. unter weiteren Verarbeitungsschritten, wie z. B. Korrekturen, Bilder aus den Messdaten erzeugen, die über eine Bedienkonsole 33 einem Anwender dargestellt oder in der Speichereinheit 35 gespeichert werden können. Die Recheneinheit 37 steuert weiterhin die einzelnen Anlagekomponenten, insbesondere während der Aufnahme der Messdaten. Die Recheneinheit 37 ist dabei so ausgebildet, dass mit ihr das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Dazu ist beispielsweise ein erfindungsgemäßes Computerprogramm 40 ausführbar auf der Recheneinheit 37 installiert, das ein erfindungsgemäßes Verfahren auf der Recheneinheit 37 implementiert, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Die dargestellten Einheiten, wie insbesondere die Recheneinheit 37 und die Speichereinheit, 35 sind hierbei nicht nötigerweise als eine physikalische Einheit zu verstehen, sondern können sich auch aus mehreren Teileinheiten, die ggf. räumlich getrennt angeordnet sind, zusammensetzen.
2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Erstellung von Bilddatensätzen mittels paralleler Akquisitionstechnik. Dabei wird in einem ersten Schritt 101 ein Anregungspuls in ein Untersuchungsobjekt eingestrahlt.
Nach dem Anregungspuls wird in einem weiteren Schritt 102 ein erster Echozug erzeugt. Der erste Echozug tastet hierbei ein Segment eines für eine Akquisition von Spulenkalibrierungsdaten abzutastenden k-Raums hinreichend dicht ab. Die durch den ersten Echozug erzeugten Signale in dem Untersuchungsobjekt werden als Spulenkalibrierungsdaten 105 akquiriert und in einem Spulenkalibrierungsdatensatz 107 gespeichert.
Ebenfalls nach dem Anregungspuls aus Schritt 101 wird in einem weiteren Schritt 104 ein zweiter Echozug erzeugt. Hierbei wird durch den zweiten Echozug ein Segment eines für eine Akquisition von Bilddaten abzutastenden k-Raums unterabgetastet. Die durch den zweiten Echozug erzeugten Signale in dem Untersuchungsobjekt werden als Bilddaten 106 akquiriert und in einem unvollständigen Bilddatensatz 108 gespeichert.
Zwischen dem ersten und dem zweiten Echozug können in einem Schritt 103 vorteilhaft weitere Pulse oder spezielle Gradientenfelder zur Präparation bestimmter Signale geschaltet werden. Beispielsweise kann mindestens ein Inversionspuls zur Refokusierung von Phasen verschiedener Spins in dem Untersuchungsobjekt geschaltet werden. Es ist weiterhin möglich, in Schritt 102 mindestens einen Diffusionsgradienten zwischen dem ersten und dem zweiten Echozug zu schalten. Somit können z. B. diffusionsgewichtete Bilddaten akquiriert werden.
In einem letzten Schritt 109 wird aus dem unvollständigen Bilddatensatz ein neuer Bilddatensatz gewonnen, indem in dem unvollständigen Bilddatensatz fehlende Daten unter Verwendung des Spulenkalibrierungsdatensatzes mittels einer ausgewählten PAT-Rekonstruktionstechnik substituiert werden. Mögliche PAT-Rekonstruktionstechniken sind beispielsweise die bereits erwähnten GRAPPA, SENSE oder SMASH. Genaueres zum möglichen Ablauf einer solchen Rekonstruktion wird später in Verbindung mit 6 erläutert.
Der so gewonnene Bilddatensatz kann weiter verarbeitet, gespeichert und/oder angezeigt werden, wie z. B. in Bezug auf 1 allgemein angegeben.
Die Schritte 101 bis 104 werden gegebenenfalls für mehrere Segmente des k-Raums wiederholt, wie in 2 durch den gestrichelten Pfeil angedeutet wird. Somit wird eine Reihe von Anregungspulsen in das Untersuchungsobjekt eingestrahlt, wobei nach jedem Anregungspuls, also für jedes Segment, Spulenkalibrierungsdatensätze 107 und unvollständige Bilddatensätze 108 gewonnen werden, aus denen in Schritt 109 mittels der ausgewählten PAT-Rekonstruktionstechnik mindestens ein Bilddatensatz erzeugt wird. Werden nach jedem Anregungspuls sowohl Spulenkalibrierungsdaten als auch Bilddaten mittels eines ersten und eines zweiten Echozuges akquiriert, sind die Ergebnisse der PAT-Rekonstruktion besonders zuverlässig, da die jeweiligen Spulenkalibrierungsdaten jeweils zeitnah zu den entsprechenden Bilddaten gewonnen wurden. Somit wird eine Bewegungsempfindlichkeit des Verfahrens reduziert. Unter Umständen ist es bereits ausreichend, wenn nur nach einem, beispielsweise dem ersten, Anregungspuls in der oben beschriebenen Art und Weise Spulenkalibrierungsdaten und Bilddaten akquiriert werden und nach den restlichen Anregungspulsen der Reihe nur noch Bilddaten. Dies erhöht unter Umständen die Zeiteffizienz, verschlechtert aber die Bewegungsunempfindlichkeit des Verfahrens.
3 zeigt ein schematisches Sequenzdiagramm am Beispiel einer für echoplanare Bildgebung (EPI) geeigneten Basissequenz, mit dem ein erfindungsgemäßes Verfahren vorteilhaft durchführbar ist. Hierbei ist in herkömmlicher Weise die zeitliche Abfolge von Hochfrequenzpulsen (Zeitstrahl „RF”, engl. „radio frequency”), beispielhaften Schichtselektionsgradienten (Zeitstrahl „G_S”), gegebenenfalls einzustrahlenden Diffusionsgradienten (Zeitstrahl „G_D”), beispielhaften Phasenkodiergradienten (Zeitstrahl „G_P”), beispielhaften Auslesegradienten (Zeitstrahl „G_R”, engl. „readout gradient”) und der Signalakquisition (Zeitstrahl „ADC”) in Relation zueinander dargestellt.
Nach einem Anregungspuls 201, z. B. einem 90°-Puls „90”, wird mittels einer Folge von ersten Auslesegradienten 203 und mittels einer Folge von ersten Phasenkodiergradienten 202 ein erster Echozug 204 (Signal nicht explizit dargestellt) erzeugt und akquiriert. Nach demselben Anregungspuls 201 wird ein zweiter Echozug 207 (Signal nicht explizit dargestellt) mittels einer Folge von zweiten Auslesegradienten 206 und mittels einer Folge von zweiten Phasenkodiergradienten 205 erzeugt und akquiriert. Die durch das Auslesen akquirierten Daten werden jeweils wie oben beschrieben in entsprechenden Datensätzen gespeichert, wobei aus dem ersten Echozug Spulenkalibrierungsdaten und aus dem zweiten Echozug unvollständige Bilddaten gewonnen werden. Die Folgen erster und zweiter Phasenkodiergradienten 202, 205 ist hierbei jeweils als Folge sogenannter „Blies” dargestellt.
Dabei tastet der erste Echozug 204 den k-Raum hinreichend dicht ab, während der zweite Echozug 207 den k-Raum unterabtastet. Eine hinreichend dichte Abtastung kann hierbei auch eine Überabtastung nach dem Nyquist-Theorem sein, d. h. es können auch mehr Datenpunkte als nach dem Nyquist-Theorem nötig gemessen werden.
Zeitlich zwischen dem ersten und dem zweiten Echozug 204 und 207 kann mindestens ein Inversionspuls 208, z. B. ein 180°-Puls „180”, geschaltet werden, und der zweite Echozug in einem Zeitfenster akquiriert werden, in dem auch der Peak eines Spin-Echos liegt, dass von dem Anregungspuls 201 und dem mindestens einen Inversionspuls 208 erzeugt wird. Dadurch können Artefakte in den Bildern, z. B. in Folge von Signalverlust in Regionen mit variierender magnetischer Suszeptibilität oder in Folge von Inhomogenitäten des Magnetfeldes, reduziert werden, insbesondere dann, wenn die zentralen k-Raum Zeilen des unvollständigen Bilddatensatzes in der unmittelbaren Nähe des Spin-Echos akquiriert werden.
Weiterhin kann zwischen dem ersten und dem zweiten Echozug 204 und 207 mindestens ein Diffusionsgradient 209 geschalten werden, um mittels des zweiten, in diesem Fall zeitlich nach dem Diffusionsgradienten 209 erzeugten, Echozugs diffusionsgewichtete Bilddaten zu gewinnen. Dabei ist es für die Signalqualität wiederum von Vorteil, zwischen die Diffusionsgradienten 209 einen oder mehrere Inversionspulse 208 zu schalten. Werden die Spulenkalibrierungsdaten 204 auf diese Weise vor dem Diffusionsgradienten 209 gewonnen, unterliegen sie nicht der durch den Diffusionsgradienten 209 erzeugten Diffusionswichtung.
Ein zeitlicher Abstand zwischen Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten und der Bilddaten, also ein zeitlicher Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Echozug, liegt hierbei in der Größenordnung von einigen Zehntel Millisekunden. Ein aktueller Wert des zeitlichen Abstands hängt dabei von der gewünschten maximalen Diffusionswichtung der akquirierten Bilder ab, die in der Regel als b-Wert (engl. „b-value”) spezifiziert wird. Die Zeit, die benötigt wird, um eine spezifizierte maximale Diffusionswichtung zu erzielen, hängt wiederum von dem Gradientensystem der Anlage ab, insbesondere von der maximalen Gradientenamplitude. Die maximale Gradientenamplitude von klinischen MR-Tomographen liegt heutzutage oberhalb von 10 mT/m und die maximale gewünschte Diffusionswichtung in der Regel um b = 1000 s/mm². Unter diesen Vorraussetzungen ist der zeitliche Abstand der beiden Echozüge in der Regel deutlich unter 100 ms. Die untere Grenze des zeitlichen Abstandes der beiden Echozüge bei kleiner maximalen Diffusionswichtung (b~50 s/mm²) oder ohne Diffusionsgradient ist durch die Dauer des ersten Echozuges und die Dauer des Inversionspulses begrenzt. Sie kann mit 5 ms angegeben werden. Der zeitliche Abstand liegt also im Bereich zwischen 5 ms und 100 ms und ist damit deutlich kürzer als die typischen Zeitkonstanten des menschlichen Herzzyklus (~ eine Sekunde) und der menschlichen Atmung (3–10 Sekunden). Somit ist eine besonders geringe Bewegungsempfindlichkeit der Sequenz gegeben.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn mit dem ersten Echozug zusätzlich Navigatorechos 210 und mit dem zweiten Echozug zusätzlich Navigatorechos 211 erzeugt werden, die unter Auslesegradienten der Folge 203 bzw. 206 akquiriert und jeweils als Navigatordaten gespeichert werden. Während der Akquisition der Navigatordaten aus den Navigatorechos 210 bzw. 211 ist das akkumulierte Gradientenmoment in Phasenkodierrichtung gleich Null. Dies erreicht man z. B. indem man die Navigatordaten zu Beginn des jeweiligen Echozuges akquiriert, indem man den Phasenkodier-Vorphasiergradienten 202.1 bzw. 205.1 erst nach der Akquisition der jeweiligen Navigatordaten schaltet und indem man zwischen den Navigatorechos keine Phasenkodiergradienten 202 bzw. 205 schaltet.
Die akquirierten Navigatordaten können zur Korrektur von Phasendifferenzen zwischen geraden und ungeraden Echos des jeweilig zugehörigen Echozuges 204, 207 herangezogen werden. Derartige Phasendifferenzen können z. B. entstehen durch nicht optimal austarierte Gradientenmomente, und führen ohne Korrektur zu Artefakten, etwa zu sogenannten Nyquist-Geistern oder N/2-Geistern.
In dem in 3 dargestellten Beispiel werden jeweils die drei ersten Echos als Navigatorechos 210, 211 erzeugt, unter den jeweils ersten Auslesegradienten der Folge 203, 206 akquiriert und jeweils als Navigatordaten gespeichert. Das jeweils vierte Echo wird nicht akquiriert, da parallel zu diesem ein Phasenkodier-Vorphasiergradient 202.1, 205.1 geschaltet wird. Die jeweils folgenden Echos bilden den ersten bzw. zweiten Echozug im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens. Nach dem Phasenkodier-Vorphasiergradienten 202.1, 205.1 und nach einer Folge von Phasenkodiergradienten 202, 205 wird vorteilhaft je einen Phasenkodier-Rephasiergradient 202.2, 205.2 geschaltet, dessen Moment derart gewählt wird, dass das akkumulierte Moment des Phasenkodier-Vorphasiergradient 202.1 bzw. 205.1, aller Phasenkodiergradienten der Folge 202 bzw. 205 und des Phasenkodier-Rephasiergradienten 202.2 bzw. 205.2 jeweils gleich Null ist.
Vorteilhaft ist ein Echoabstand ES1, also der zeitliche Abstand zwischen Echos und damit die Zeit zwischen der Akquisition unmittelbar aufeinander folgender Phasenkodierzeilen, des ersten Echozugs 202 kürzer als der zeitliche Abstand (Echoabstand) ES2 zwischen Echos des zweiten Echozuges. In 3 sind die Echoabstände ES1 und ES2 beispielhaft zu den jeweiligen Auslesegradienten dargestellt. Insbesondere gilt ES2 = A·ES1, wobei A der Beschleunigungsfaktor ist. Besonders vorteilhaft ist es, gleichzeitig das Moment eines Phasenkodiergradienten der zweiten Folge von Phasenkodiergradienten 205 gleich dem A-fachen Moment eines Phasenkodiergradienten der Folge 202 zu wählen. Damit erreicht man, dass ein Abstand dl im k-Raum (siehe auch 4) zweier während aufeinanderfolgender Echos des ersten Echozug akquirierter k-Raumzeilen um den Beschleunigungsfaktor A kürzer ist als ein Abstand d2 im k-Raum (siehe 4) zweier während aufeinanderfolgender Echos des zweiten Echozug akquirierter k-Raumzeilen, sodass zusätzlich gilt: d2 = A·d1.
Auf diese Weise werden die Anpassung der Geschwindigkeit entlang der Phasenkodierrichtungen und die Anpassung des T₂*-Zerfalls optimiert. Es ist aber auch denkbar, dass für die Echoabstände und die Abstände gilt:
ES2 = A'·ES1 und d2 = A·d1, mit A' < A,
d. h. dass der Echoabstand ES1 im ersten Echozug um weniger als den Beschleunigungsfaktor A gegenüber dem Echoabstand ES2 im zweiten Echozug verkürzt wird.
Mögliche aus solchermaßen erzeugten ersten und zweiten Echozügen resultierende k-Raumtrajektorien sind beispielhaft in den 4 und 5 dargestellt. Dabei entspricht die gestrichelte k-Raumtrajektorie 301, 301' dem ersten Echozug und die gepunktete k-Raumtrajektorie 302, 302' dem zweiten Echozug, wobei in den Darstellungen der 4 und 5 ein Beschleunigungsfaktor A = 2 angesetzt wurde. Somit ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Zeilen, die während des ersten Echozugs abgetastet werden, um die Hälfte kleiner als der Abstand zwischen zwei benachbarten Zeilen, die während des zweiten Echozugs abgetastet werden. Wie bereits oben erwähnt, ist dabei idealerweise der Echoabstand des ersten Echozugs um den bereits genannten Beschleunigungsfaktor A kürzer als der Echoabstand des zweiten Echozugs. Dafür nimmt man in Kauf, dass die Distanz, die die k-Raumtrajektorie 301 entlang der Ausleserichtung, z. B. k_x in 4, während eines Echos durchschreitet, kürzer ist als die Distanz, die die k-Raumtrajektorie 302 entlang der Ausleserichtung, z. B. k_x in 4, während eines Echos durchschreitet.
Vorteilhaft umfasst das Segment des k-Raums, das von dem zweiten Echozug abgetastet wird, das Segment des k-Raums, das von dem ersten Echozug abgetastet wird. Insbesondere wenn auf diese Weise bestimmte k-Raumpunkte sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Echozug abgetastet werden und daher sowohl in dem Spulenkalibrierungsdatensatz als auch in dem unvollständigen Bilddatensatz gespeichert sind, können weiter vorteilhaft auf Basis des Spulenkalibrierungsdatensatzes Artefakte in dem unvollständigen Bilddatensatz und/oder in einem aus dem unvollständigen Bilddatensatz gewonnenen Bilddatensatz korrigiert werden.
5 unterscheidet sich von 4 dadurch, dass die k-Raumtrajektorien 301' und 302' gegenüber den k-Raumtrajektorien 301 und 302 aus 4 um einen Winkel α im k-Raum rotiert wurden, wie es z. B. bei PROPELLER-Sequenzen üblich ist. Es wird hier also ein anderes Segment des k-Raums als in 4 abgetastet.
Derartige k-Raumtrajektorien 301, 301', 302, 302' werden in Verbindung mit PROPELLER-Sequenzen wegen ihrer Form auch als „Propeller(einzel)blatt” (engl. „blade”) bezeichnet. Die Abtastung verschiedener Propellerblätter geschieht hierbei, z. B. wie bereits in Bezug auf 2 beschrieben, nach je einem Anregungspuls. Dabei wird die in 3 dargestellte Basissequenz zur Akquisition der kompletten Daten, also aller gewünschter Segmente des k-Raums, für jedes Segment wiederholt, wobei die Richtung des Propellerblattes, und damit die Richtung der angewandten Phasenkodiergradenten und Auslesegradienten, variiert. Für die Akquisition eines kompletten PROPELLER-Datensatzes wird hierbei die Richtung des Propellerblattes z. B. sukzessive um das k-Raum-Zentrum gedreht, bis alle Segmente zusammen einen kreisförmigen Bereich um das k-Raum-Zentrum abdecken.
Auch wenn keine PROPELLER-Sequenz angewandt werden soll, kann die in 3 dargestellte Basissequenz in der beschriebenen Weise wiederholt werden, wobei z. B. das Moment und/oder die Richtung gegebenenfalls angewandter Diffusionsgradienten variiert werden, um unterschiedlich diffusionsgewichtete Bilddaten zu erhalten.
Unter diffusionsgewichteter (engl. „diffusion weighted”, DW) Bildgebung versteht man Magnetresonanz-Bildgebungstechniken (MRT), die Diffusionseigenschaften des untersuchten Gewebes aufzeigen. Unter Diffusion versteht man die Brownsche Bewegung von Molekülen in einem Medium. In der MRT führt die Diffusion der Wassermoleküle beim Anlegen eines Gradientenfeldes zu einer Phasen-Dispersion der Quermagnetisierung, die zu einer Abschwächung des akquirierten Signals führt. Das Ausmaß der Signalabschwächung hängt einerseits von der Dauer und Amplitude des Gradientenfeldes und andererseits von der Art des Gewebes und seiner Mikrostruktur ab.
Die starken Gradientenfelder, die bei der diffusionsgewichteten Bildgebung eingesetzt werden, machen die Techniken extrem empfindlich für makroskopische Bewegungen, z. B. Patientenbewegungen, während der Diffusionspräparation, also während des Schaltens von Diffusionsgradienten. Häufig bezeichnet man die RF-Pulse und Gradienten der Basissequenz, die primär der Diffusionspräparation der Quermagnetisierung dienen, auch als Diffusionsmodul und die restlichen Gradienten und gegebenenfalls RF-Pulse, die primär zur Erzeugung eines Echozugs dienen, als Auslesemodul. Um Artefakte durch derartige makroskopische Bewegungen während der Diffusionspräparation zu vermeiden, können besonders schnelle Bildakquisitionstechniken eingesetzt werden. Unter besonders schnelle Akquisitionstechniken zählen beispielsweise single-shot-EPI-Techniken, die es erlauben, ein komplettes Bild nach einem einzigen Anregungspuls und Diffusionsmoduls zu akquirieren. Oftmals bei üblichen single-shot-EPI-Techniken auftretende Artefakte, wie z. B. Verzerrungen an Suszeptibilitätsgrenzen, können durch das oben beschriebene Verfahren vermieden oder stark reduziert werden, da die Geschwindigkeit, mit der der k-Raum entlang der Phasenkodierrichtung durchlaufen wird, durch die Unterabtastung während des zweiten Echozuges erhöht wird. Gleichzeitig wird, wie bereits oben beschrieben, die Bewegungsempfindlichkeit des Verfahrens nicht wie bei üblichen PAT-Verfahren erhöht. Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für Diffusionsbildgebung mit EPI-Techniken geeignet. Unter den EPI-Techniken sind hier weiter insbesondere single-shot-EPI-Techniken zu nennen, die einen ersten und/oder zweiten Echozug erzeugen, der mit dem Segment für die jeweilige Akquisition von Spulenkalibrierungsdaten bzw. Bilddaten jeweils den kompletten abzutastenden k-Raum umfasst.
In Versuchen konnte durch Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens eine deutliche Verbesserung der Bildqualität von diffusionsgewichteten Bildern des Gehirns einer Probandin, die mit einer short-axis-PROPELLER-EPI-Sequenz aufgenommen wurden, gegenüber einer konventionellen short-axis-PROPELLER-EPI ohne erfindungsgemäße Maßnahmen nachgewiesen werden. Dabei wurden folgende bildgebende Parameter gewählt: Beschleunigungsfaktor A = 2; Matrixgröße: 256; FOV („field-of-view”): 230 mm; TR = 3000 ms; TE = 73 ms; Schichtdicke: 4 mm; Diffusionswichtung, isotrop b = 1000 s/mm²; Ausleselänge 64; 16 PROPELLER-Blätter pro Bild; Echozuglänge: 88 ms; Echoabstand für den bildgebenden Echozug: ES2 = 500 μs; Echoabstand für den Echozug, mit dem Spulenkalibrierungsdaten akquiriert wurden: ES1 = 250 μs.
Bei DW-Bildgebung in Verbindung mit PROPELLER-Aufnahmetechniken ist es denkbar, dass nur jeweils für jede Ausrichtung der Propellerblätter, also der Segmente, Spulenkalibrierungsdaten akquiriert werden, z. B. bei geringstem Diffusionsgradienten, die bei späteren Akquisitionen von Bilddaten mit derselben Ausrichtung aber anderem Diffusionsgradienten für die Substitution herangezogen werden. Dadurch wird zwar die Zeiteffizienz des Verfahrens in der Regel weiter erhöht, allerdings muss mit Einbußen bei der Bewegungsempfindlichkeit gerechnet werden.
Alternativ zu EPI-Techniken können der erste und zweite Echozug auch ansonsten analog durch eine Sequenztechnik für Turbo-Spin-Echo(TSE)-Bildgebung erzeugt werden.
In 6 ist schematisch ein Ablaufdiagramm für die Durchführung einer prinzipiellen PAT-Rekonstruktion dargestellt, wie sie in Schritt 109 aus 2 eingesetzt werden kann.
Hierbei werden ein dicht bzw. hinreichend dicht abgetasteter Spulenkalibrierungsdatensatz 401, beispielsweise der Spulenkalibrierungsdatensatz 107 aus 2, und ein unterabgetasteter und damit unvollständiger Bilddatensatz 404, beispielsweise der unvollständige Bilddatensatz 108 aus 2, vorteilhaft zunächst für die Substitution vorbereitet (Schritte 402 und 405).
Eine Vorbereitung 402 des Spulenkalibrierungsdatensatzes 401 und/oder eine Vorbereitung 405 des unvollständigen Bilddatensatzes 404 kann jeweils insbesondere ein Spiegeln 402.1, 405.1 jeder zweiten k-Raumzeile am Ursprung in Ausleserichtung umfassen, wenn die Richtung der zugehörigen k-Raumtrajektorie(n), wie bei einer EPI-k-Raumtrajektorie, in Ausleserichtung (k_x-Richtung in 4) in aufeinanderfolgenden Echos alterniert. Somit werden die Daten sozusagen „ausgerichtet”, was die weitere Verarbeitung erleichtert.
Weiterhin kann die Vorbereitung 402 des Spulenkalibrierungsdatensatzes 401 und/oder die Vorbereitung 405 des unvollständigen Bilddatensatzes 404 eine Interpolation 402.2, 405.2 auf ein kartesisches Gitter umfassen (engl. „readout regridding”). Hierbei wird ein möglicherweise durch nichtideale Auslesegradienten variierender Abstand im k-Raum zwischen mit konstantem zeitlichen Abstand akquirierten Datenpunkten ausgeglichen. Danach sind die einzelnen Datenpunkte auf einem kartesischen Gitter angeordnet, was die weiteren Verarbeitungsschritte in der Regel drastisch vereinfacht. Insbesondere können damit besonders effiziente Algorithmen wie die schnelle Fourier-Transformation eingesetzt werden. Derartige nichtideale Auslesegradienten entstehen beispielsweise bei EPI-Sequenzen, wenn die Datenakquisition vor dem Erreichen eines Plateaus eines trapezförmigen Auslesegradienten startet. Eine solche, auch „ramp sampling” genannte Datenakquisiton wird z. B. wegen der dadurch möglichen Minimierung des zeitlichen Echoabstands der EPI-Sequenz eingesetzt. Ein kurzer zeitlicher Echoabstand erhöht wiederum die Geschwindigkeit, mit der die k-Raumtrajektorie entlang der Phasenkodierrichtung durchlaufen wird.
Sind auch dem Spulenkalibrierungsdatensatz 401 und/oder dem unvollständigen Bilddatensatz 404 zugehörige Navigatordaten vorhanden, z. B. durch eine Akquisition von Navigatordaten, wie sie in der in Bezug auf 3 beschriebenen Basissequenz erfolgen kann, ist es weiterhin möglich, dass die Vorbereitung 402 des Spulenkalibrierungsdatensatzes 401 und/oder die Vorbereitung 405 des unvollständigen Bilddatensatzes 404 eine Korrektur 402.3, 405.3 von Phaseninkonsistenzen zwischen geraden und ungeraden Echos eines Echozugs, mittels dem der Spulenkalibrierungsdatensatz 401, bzw. eines Echozuges, mittels dem der unvollständige Bilddatensatz 402 gewonnen wurde, umfasst. Aus den Navigatordaten können die genannten Phaseninkonsistenzen erkannt und auch für die folgenden Echos des Echozuges korrigiert werden. Dadurch können z. B. Nyquist-Geister-Artefakte in Bildern, die aus dem Spulenkalibrierungsdatensatz 401 bzw. dem unvollständigen Bilddatensatz 402 berechnet werden, vermieden oder zumindest reduziert werden.
Die Reihenfolge, in der die genannten Vorbereitungsschritte 402.1, 402.2, 402.3 und 405.1, 405.2, 405.3, wenn sie denn alle in der jeweiligen Vorbereitung 402 bzw. 405 umfasst sind, in 6 dargestellt sind, ist hierbei nur beispielhaft.
Aus dem gegebenenfalls vorbereiteten hinreichend abgetasteten Spulenkalibrierungsdatensatz werden in einem nächsten Schritt 403 beispielsweise Faktoren berechnet, mittels derer in einem weiteren Schritt 406 die in dem unterabgetasteten unvollständigen Bilddatensatz fehlenden Daten substituiert werden.
Dies wird im Folgenden am Beispiel einer GRAPPA-PAT-Rekonstruktion näher erläutert.
In GRAPPA wird das Signal s_i(k →) jedes fehlenden, weil durch die Unterabtastung nicht abgetasteten, k-Raum-Punktes k → als Linearkombination der diesem Punkt k → benachbarten gemessenen, also abgetasteten Punkte dargestellt:
mit i = 1, ..., N_C und
als lineare Faktoren (sogenannte „GRAPPA weights”), wobei die erste Summe die Empfangsspulen zählt, also N_C gleich der Anzahl der beteiligten Empfangsspulen des Magnetresonanzgeräts ist, die zweite Summe alle in einer Nachbarschaft
von k → gemessenen Datenpunkten zählt und s_j(q →) das gemessene Signal der Empfangsspule j am Abtastpunkt q → darstellt. Bei kartesischer Abtastung sind hierbei die linearen Faktoren unabhängig von k → = (k_x, k_y) und können daher aus jenen Daten des Spulenkalibrierungsdatensatzes berechnet werden, für die die s_i(k →)-Werte auf der linken Seite des obigen Gleichungssystems bekannt sind.
Es werden somit bei GRAPPA in Schritt 403 z. B. durch eine Pseudo-Inversion des obigen Gleichungssystems die Faktoren
die Substitution berechnet. Anschließend werden in Schritt 406 die in dem unvollständigen Bilddatensatz fehlenden Daten durch Einsetzen der berechneten Faktoren
in das obige Gleichungssystem berechnet.
Anstelle von GRAPPA kann auch ein anderes bekanntes PAT-Rekonstruktionsverfahren eingesetzt werden, z. B. SMASH oder SENSE.
Es wird somit in Schritt 406 der unterabgetastete und damit unvollständige Bilddatensatz 404 mittels der in Schritt 403 berechneten Daten ergänzt, und gegebenenfalls weiteren, von der für die Datenakquisition verwendeten Sequenztechnik abhängigen, bekannten Korrekturen und/oder Verarbeitungsschritten unterzogen, um einen Bilddatensatz 407 zu erhalten. Wurde für die Datenakquisition des unvollständigen Bilddatensatzes z. B. eine single-shot-EPI-Sequenztechnik verwendet, kann als weiterer Verarbeitungsschritt bereits eine zweidimensionale diskrete Fourier-Transformtion genügen, um den Bilddatensatz zu erhalten. Weitere Korrekturen können z. B. auf Basis des Spulenkalibrierungsdatensatzes durchgeführt werden, indem beispielsweise ein Vergleich von Signalen von k-Raumpunkten, die sowohl in dem Spulenkalibrierungsdatensatz 401 als auch in dem unvollständigen Bilddatensatz 404 abgetastet wurden, durchgeführt wird.

Claims

Verfahren zur Erstellung von Bilddaatensätzen mittels paralleler Akquisitionstechnik, umfassend die Schritte: – Einstrahlen eines Anregungspulses in ein Untersuchungsobjekt, – Erzeugen eines ersten Echozuges nach dem Anregungspuls, wobei der erste Echozug ein Segment eines für eine Akquisition von Spulenkalibrierungsdaten abzutastenden k-Raums hinreichend dicht abtastet, – Akquirieren von Spulenkalibrierungsdaten mittels des ersten Echozuges nach dem Anregungspuls, – Speichern der akquirierten Spulenkalibrierungsdaten in einem Spulenkalibrierungsdatensatz, – Erzeugen eines zweiten Echozuges nach demselben Anregungspuls, wobei der zweite Echozug ein Segment eines für eine Akquisition von Bilddaten abzutastenden k-Raums unterabtastet, – Akquirieren von Bilddaten mittels des zweiten Echozuges nach demselben Anregungspuls, – Speichern der akquirierten Bilddaten in einem unvollständigen Bilddatensatz, – Erzeugen eines Bilddatensatzes durch Substituieren von durch die Unterabtastung fehlenden Daten in dem unvollständigen Bilddatensatz mittels einer ausgewählten PAT-Rekonstruktionstechnik unter Verwendung des Spulenkalibrierungsdatensatzes.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste und/oder der zweite Echozug durch eine Sequenztechnik für echoplanare Bildgebung (EPI) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste und/oder der zweite Echozug durch eine Sequenztechnik (z. B. single-shot-EPI) erzeugt werden, bei der das Segment für die Akquisition von Spulenkalibrierungsdaten bzw. das Segment für die Akquisition von Bilddaten jeweils den kompletten abzutastenden k-Raum umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Echozug mindestens ein Inversionspuls geschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Echozug mindestens ein Diffusionsgradient geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der erste Echozug zeitlich vor dem mindestens einen Diffusionsgradienten erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Reihe von Anregungspulsen in das Untersuchungsobjekt eingestrahlt wird, nach welchen Anregungspulsen je Spulenkalibrierungsdaten und Bilddaten verschiedener Segmente des jeweils für die Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten bzw. für die Akquisition der Bilddaten abzutastenden k-Raums akquiriert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der erste und der zweite Echozug durch eine Sequenztechnik für echoplanare Bildgebung (EPI) erzeugt werden, und die verschiedenen Segmente zueinander rotiert sind (PROPELLER-EPI).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Echozug durch eine gleiche Sequenztechnik derart erzeugt werden, dass jeder Echozug eine Folge von Echos umfasst, wobei ein zeitlicher Abstand der Echos einer Folge des ersten Echozuges kürzer ist als ein zeitlicher Abstand der Echos einer Folge des zweiten Echozuges.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der erste und der zweite Echozug durch eine gleiche Sequenztechnik derart erzeugt werden, dass jeder Echozug eine Folge von Echos umfasst, wobei ein zeitlicher Abstand der Echos einer Folge des ersten Echozuges um einen Faktor A kürzer ist als ein zeitlicher Abstand der Echos einer Folge des zweiten Echozuges, und ein Abstand im k-Raum von mittels des ersten Echozuges abgetasteten Zeilen in dem Segment des für die Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten dicht abgetasteten k-Raums um den Faktor A kürzer ist als ein Abstand im k-Raum von mittels des zweiten Echozuges abgetasteten Zeilen in dem Segment des für die Akquisition der Bilddaten unterabgetasteten k-Raums.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei der erste und der zweite Echozug durch eine Sequenztechnik für echoplanare Bildgebung (EPI) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei der erste und der zweite Echozug durch eine Sequenztechnik für Turbo-Spin-Echo(TSE)-Bildgebung erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Segment des k-Raums, das von dem zweiten Echozug abgetastet wird, das Segment des k-Raums, das von dem ersten Echozug abgetastet wird, umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf Basis des Spulenkalibrierungsdatensatzes Artefakte in dem unvollständigen Bilddatensatz und/oder in einem aus dem unvollständigen Bilddatensatz gewonnenen Bilddatensatz korrigiert werden.
Magnetresonanzgerät, umfassend mehrere Empfangsspulen zum Empfang von Hochfrequenzsignalen und eine Recheneinheit, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgebildet ist.
Computerprogramm, das ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 auf einer Recheneinheit, die mit einem Magnetresonanzgerät verbunden ist, implementiert, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.