DE102012217819A1

DE102012217819A1 - Automatische Berechnung einer maximalen Pulslänge in der Magnetresonanztechnik

Info

Publication number: DE102012217819A1
Application number: DE102012217819.8A
Authority: DE
Inventors: David Grodzki
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-04-03
Anticipated expiration: 2032-09-29
Also published as: US20140091795A1; DE102012217819B4; US9494662B2

Abstract

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur automatischen Berechnung einer maximalen Pulslänge eines nichtselektiven Anregungspulses für eine Pulssequenz, bei welcher während des Einstrahlens des nichtselektiven Anregungspulses gleichzeitig Gradienten geschaltet sind, umfasst die Schritte: – Laden eines ersten Parameters, welcher das bei der Messung, für welche die Pulslänge des Anregungspulses maximiert werden soll, gewünschte Gesichtsfeld (FOV) angibt, – Laden eines zweiten Parameters, welcher die maximale Gradientenstärke (Gmax) angibt, welche mit der für die Messung verwendete Magnetresonanzanlage erreichbar ist, – Berechnen der maximalen Pulslänge des Anregungspulses auf Grundlage des ersten und des zweiten Parameters. Durch die Maximierung der Pulslänge sinkt die SAR-Belastung für das Untersuchungsobjekt, welches mittels einer Pulssequenz, deren Pulslänge erfindungsgemäß berechnet wurde, untersucht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Berechnung einer maximalen Pulslänge in der Magnetresonanztechnik, eine Magnetresonanzanlage, ein Computerprogramm sowie einen elektronisch lesbaren Datenträger hierzu.
Die Magnetresonanz-Technik (im Folgenden steht die Abkürzung MR für Magnetresonanz) ist eine bekannte Technik, mit der Bilder vom Inneren eines Untersuchungsobjektes erzeugt werden können. Vereinfacht ausgedrückt wird hierzu das Untersuchungsobjekt in einem Magnetresonanzgerät in einem vergleichsweise starken statischen, homogenen Grundmagnetfeld, auch B₀-Feld genannt, mit Feldstärken von 0,2 Tesla bis 7 Tesla und mehr positioniert, so dass sich dessen Kernspins entlang des Grundmagnetfeldes orientieren. Zum Auslösen von Kernspinresonanzen werden hochfrequente Anregungspulse (RF-Pulse) in das Untersuchungsobjekt eingestrahlt, die ausgelösten Kernspinresonanzen als sogenannte k-Raumdaten gemessen und auf deren Basis MR-Bilder rekonstruiert oder Spektroskopiedaten ermittelt. Zur Ortskodierung der Messdaten werden dem Grundmagnetfeld schnell geschaltete magnetische Gradientenfelder überlagert. Die aufgezeichneten Messdaten werden digitalisiert und als komplexe Zahlenwerte in einer k-Raum-Matrix abgelegt. Aus der mit Werten belegten k-Raum-Matrix ist z.B. mittels einer mehrdimensionalen Fourier-Transformation ein zugehöriges MR-Bild rekonstruierbar.
Sequenzen mit sehr kurzen Echozeiten TE, etwa TE kleiner als 0,5 Millisekunden, bieten der Kernspintomographie neue Anwendungsgebiete. Sie ermöglichen die Darstellung von Stoffen, die mit herkömmlichen Sequenzen wie (T)SE ((Turbo)Spin Echo) oder GRE (Gradientenecho) nicht darstellbar sind, da deren jeweilige Zerfallszeit der Quermagnetisierung T2 deutlich kürzer als die möglichen Echozeiten der herkömmlichen Sequenzen ist, und ihr Signal zum Aufnahmezeitpunkt daher bereits zerfallen ist. Mit Echozeiten im Bereich dieser Zerfallszeiten ist es hingegen möglich, die Signale dieser Stoffe z.B. in einem MR-Bild darzustellen. Beispielsweise die Zerfallszeiten T2 von Zähnen, Knochen oder Eis liegen zwischen 30 und 80 Mikrosekunden.
Die Anwendung von Sequenzen mit ultra-kurzen Echozeiten (UEZ-Sequenzen) ermöglicht somit zum Beispiel Knochen- und/oder Zahnbildgebung und/oder die Darstellung von Kryoablationen mittels MR, und ist zur MR-PET (Kombination von MR und Positronenemissionstomographie, PET) oder PET Schwächungskorrektur einsetzbar.
Beispiele für UEZ-Sequenzen sind UTE ("Ultrashort Echo Time"), wie sie z.B. in dem Artikel von Sonia Nielles-Vallespin „3D radial projection technique with ultrashort echo times for sodium MRI: Clinical applications in human brain and skeletal muscle", Magn. Res. Med. 2007; 57; S. 74–81, beschrieben wird, PETRA („Pointwise Encoding Time reduction with Tadial Acquisition“), wie von Grodzki et al. in "Ultra short Echo Time Imaging using Pointwise Encoding Time reduction with Radial Acquisition (PETRA)", Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 19 (2011) S. 2815 beschrieben, oder z-TE, wie von Weiger et al. in „MRI with zero echo time: hard versus sweep pulse excitation", Magn. Reson. Med. 66 (2011) S. 379–389 beschrieben.
Bei diesen Sequenzen wird zumeist ein harter Delta-Puls als Hochfrequenz-Anregungspuls appliziert und danach mit der Datenakquisition begonnen. Bei der PETRA oder der z-TE sind die Gradienten während der Anregung bereits eingeschaltet. Das spektrale Profil des Anregungspulses entspricht hierbei in etwa einer sinc-Funktion. Bei nicht ausreichender Pulsbandweite oder zu starken Gradienten kann es vorkommen, dass die äußeren Bildbereiche nicht mehr ausreichend angeregt werden. Im rekonstruierten MR-Bild wirkt sich diese fehlerhafte Anregung durch Verschmierungsartefakte am Bildrand aus, welche stärker ausgeprägt sind je stärker die während der Anregung geschalteten Gradienten sind.
Eine unzureichende Anregung führt somit zu artefaktbehafteten MR-Bildern. Dieses Problem wird bisher zumeist vernachlässigt. Allenfalls wird versucht, die Stärke der Gradienten möglichst zu reduzieren. Damit ändern sich jedoch abbildungsrelevante Größen wie die Auslesebandweite, die Wiederholzeit TR und der Kontrast des Bildes. Beispielsweise erhöht eine Reduzierung der Gradientenstärke die minimal nötige Wiederholzeit TR und damit auch die Gesamtmesszeit. Derartige Artefakte könnten weiterhin vermindert werden, indem die Anregungspulse besonders kurz gewählt werden, um die Anregungsbreite zu erhöhen. Damit werden jedoch zugleich der maximal mögliche Flipwinkel und die Genauigkeit des tatsächlich gesendeten HF-Anregungspulses proportional zu der Dauer des HF-Anregungspulses reduziert. Beispielsweise beträgt der maximale Flipwinkel bei einer Dauer des Anregungspulses von 14 Mikrosekunden ca. 9° und betrüge bei einer reduzierten Dauer des Anregungspulses auf 7 Mikrosekunden nur noch ca. 4,5°. Auch diese Vorgehensweise ist daher nicht uneingeschränkt einsetzbar und geht mit einer Verschlechterung der Bildqualität einher.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur automatischen Berechnung einer maximalen Pulslänge in der Magnetresonanztechnik, eine Magnetresonanzanlage, ein Computerprogramm sowie einen elektronisch lesbaren Datenträger anzugeben, welche eine zuverlässige Korrektur von durch unzureichende Anregung verursachte Artefakte zu ermöglichen, wobei gleichzeitig eine SAR-Belastung (SAR: spezifische Absorptionsrate) des Untersuchungsobjekts durch die Messung möglichst gering ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur automatischen Berechnung einer maximalen Pulslänge eines nichtselektiven Anregungspulses für eine Pulssequenz, bei welcher während des Einstrahlens des nichtselektiven Anregungspulses gleichzeitig Gradienten geschaltet sind, gemäß Anspruch 1, eine Magnetresonanzanlage gemäß Anspruch 7, ein Computerprogramm gemäß Anspruch 9 sowie einen elektronisch lesbaren Datenträger gemäß Anspruch 10.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur automatischen Berechnung einer maximalen Pulslänge eines nichtselektiven Anregungspulses für eine Pulssequenz, bei welcher während des Einstrahlens des nichtselektiven Anregungspulses gleichzeitig Gradienten geschaltet sind, umfasst die Schritte:

– Laden eines ersten Parameters, welcher das bei der Messung, für welche die Pulslänge des Anregungspulses maximiert werden soll, gewünschte Gesichtsfeld (FOV) angibt,
– Laden eines zweiten Parameters, welcher die maximale Gradientenstärke (G_max) angibt, welche mit der für die Messung verwendete Magnetresonanzanlage erreichbar ist,
– Berechnen der maximalen Pulslänge des Anregungspulses auf Grundlage des ersten und des zweiten Parameters.

Durch die Maximierung der Pulslänge sinkt die SAR-Belastung für das Untersuchungsobjekt, welches mittels einer Pulssequenz, deren Pulslänge erfindungsgemäß berechnet wurde, untersucht wird.
Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde. Bei Messungen mit während der Anregung geschalteten Gradienten ändert sich der angeregte Bereich mit jeder Repetition, weil in jeder Repetition andere Gradientenkonstellationen geschaltet werden. Dies führt zu Verzerrungen, da z.B. bei einer Repetition mit einer Gradientenkonstellation von Gx = 0 und Gy = G ein aus diesem Messpunkt resultierendes Bild entsprechend der fehlerhaften Anregung mit einer sinc-Funktion, welche in y-Richtung symmetrisch ist, überlagert wird, wohingegen bei einer Repetition mit einer Gradientenkonstellation von z.B. Gx = G und Gy = 0 ein aus diesem Messpunkt resultierendes Bild entsprechend der fehlerhaften Anregung mit einer sinc-Funktion, welche in x-Richtung symmetrisch ist, überlagert wird.
In 1 ist beispielhaft die Abhängigkeit des Anregungsprofils in x-Richtung (angegeben in Millimetern „mm“) und damit der bewirkten Anregung P(k, x) (angegeben in willkürlichen Einheiten „a.U.“) von einer momentan angelegten Gradientenstärke G1, G2, G3, G4, G5 dargestellt. In dem gezeigten Beispiel gilt G5 > G4 > G3 > G2 > G1. Wie man sieht, ist das Anregungsprofil breiter je geringer die angelegte Gradientenstärke ist. Das breiteste Anregungsprofil (mit durchgehender Linie gezeichnet), d.h. eine möglichst homogene Anregung (P(k, x)) über den größten räumlichen Bereich (x), wird daher bei G1 erreicht. Das schmalste Anregungsprofil (mit doppelt strichpunktierter Linie eingezeichnet), das bereits bei einer geringen räumlichen Änderung (x) eine drastische Änderung in der Anregung (P(k, x)) mit sich bringt, wird bei G5 erhalten.
Mathematisch lässt sich das Problem wie folgt beschreiben. Bei MR-Messungen wird der sogenannte k-Raum F(k) abgetastet, welcher dem abzubildenden Untersuchungsbereich des zu messenden Objekts entspricht, wobei gilt: F(k) = ∫f(x)e^ikxdx. (1)
Dabei beschreibt f(x) das Signal des zu messenden Objekts. Und der k-Raum F(k) ist mit den aufgenommenen Messdaten gefüllt. Aus dem mit den Messdaten gefüllten k-Raum wird durch Fourier-Rücktransformation das Bild I(x) berechnet: I(x) = f(x) = ∫F(k)e^–ikxdk. (2)
Im Falle unzureichender Anregung wird anstelle des gewünschten k-Raums F(k) der gestörte k-Raum F’(k) gemessen, d.h. mit den Messdaten befüllt. Bei dem gestörten k-Raum F’(k) ist das Signal des zu messenden Objekts f(x) mit einer Stör-Funktion P(k,x) überlagert, welche der spektralen Form des tatsächlichen Anregungspulses, also dem Anregungsprofil, entspricht: F'(k) = ∫f(x)P(k, x)e^ikxdx. (3)
Das Anregungsprofil P(k, x) hängt dabei sowohl vom Ort x als auch vom gemessenen k-Raumpunkt k und von der Gradientenstärke ab. Das Anregungsprofil eines Anregungspulses entspricht im Wesentlichen der Fouriertransformierten der Pulsform des Anregungspulses im Zeit-Raum p(t), im anhand von 1 gezeigten Beispiel entsprechen die Anregungsprofile jeweils einer sinc-Funktion, wie sie sich beispielsweise bei „harten“, rechteckigen Anregungspulsen p(t), welche nur während der Dauer τ des Anregungspulses einen konstanten Wert, z.B. B1, ungleich Null aufweisen, ergeben:
Ein rechteckiger Anregungspuls
entspricht im Frequenz-Raum einem sinc-förmigen spektralen Anregungsprofil P(ω) mit
Die Resonanzfrequenz ω ist in Anwesenheit von geschalteten Gradienten eine Funktion des Ortes (hier durch x repräsentiert), im Bildraum:
ω = 2πγωG, mit γ dem gyromagnetischen Verhältnis und G der Stärke des angelegten Gradienten. Bei sich im Laufe der MR-Pulssequenz, z.B. bei verschiedenen Repetitionen, verändernden Gradienten ist ω auch eine Funktion des ausgelesenen k-Raum-Punktes k, weshalb das Anregungsprofil P(ω) = P(k, x) geschrieben werden kann.
Aus dem gestörten k-Raum F’(k) kann ein gestörtes, mit Artefakten behaftetes, MR-Bild I’(x) rekonstruiert werden: I'(x) = ∫F'(k)e^–ikxdk. (4)
Erfindungsgemäß wird der störende Einfluss des fehlerhaften Anregungspulses aus den gemessenen Messdaten herausgerechnet, indem der Anregungsfehler in einer Störungsmatrix D_kx berechnet wird, und der Fehler der Anregung anschließend durch Inversion der Störungsmatrix D_kx behoben wird.
Schreibt man Gleichung (3) als Summe (tatsächlich werden diskrete Werte gemessen) und definiert die Störmatrix D_kx = P(k, x)e^ikx (5) mit N × N Elementen (wobei N eine natürliche Zahl ist) kann man Gleichung (3) in Matrixform schreiben: F'_k = D_kxf_x. (6)
Die Störmatrix D_kx gibt somit ein Anregungsprofil des zur Aufnahme der Messdaten verwendeten Anregungspulses wieder. Die Elemente von Gleichung (5) sind aus der Form des Anregungspulses, dem anzuregenden Ort x und ausgelesenen k-Raumpunkt k sowie dem angelegten Gradienten G bekannt und können berechnet werden. Der gestörte k-Raum F’(k) wird gemessen. Das ungestörte Bild I(x) kann man daher durch Matrixinversion von D_kx und Matrixmultiplikation mit dem gestörten k-Raum berechnen: f_x = I_x = D –1 / kxF'_k. (7)
Die Berechnung eines korrigiertes Bild I_x (x) umfasst eine Matrixmultiplikation der durch die Matrixinversion invertierten Störmatrix D_kx ^–1 mit den im k-Raum F’_k aufgenommenen Messdaten.
Somit kann anstatt einer Fourierrücktransformation eine Matrixinversion für die Bildrekonstruktion eines korrigierten Bildes genutzt werden. Die Berechnung der Störmatrix D_kx als ganzes und ihre anschließende Invertierung benötigen allerdings einen erhöhten Rechenaufwand, welcher viel Rechenleistung und auch Rechenzeit beansprucht. Darüber hinaus müssen zur Matrixinversion mit herkömmlichen Methoden die Punkte der im k-Raum aufgenommenen Messdaten, auch z.B. von Projektionen, symmetrisch um das k-Raumzentrum angeordnet sein und der Mittelpunkt muss dem k-Raumzentrum entsprechen.
Anstatt wie soeben beschrieben zunächst die Störmatrix D_kx zu berechnen und dann gesamt zu invertieren, können auch einzelne Elemente der transponierten invertierten Störmatrix aus den bei der Messung verwendeten Anregungsprofilen berechnet werden. In einem einfachen Beispiel umfasst das Berechen eines Elements der transponierten invertierten Störungsmatrix D_xk ^–1 eine Invertierung des zugehörigen Anregungsprofils P(k, x) in 1 / P(k, x) .
Die Berechnung der Elemente der transponierten invertierten Störungsmatix D_xk ^–1 kann weiter eine Multiplikation mit einem Phasenfaktor e^–ikx umfassen.
Damit ergibt sich eine erfindungsgemäße Berechnung eines Elements der transponierten invertierten Störungsmatrix D_xk ^–1 insbesondere aus der Formel:
für alle Orte x und alle k-Raumpunkte k und es gilt: D –1 / kx = (D –1 / xk)^T, (9) womit sich die für die Berechnung des ungestörten Bildes I(x) gemäß Formel (1) benötigte invertierte Störmatrix D_kx ^–1 durch transponieren der transponierten invertierten Störmatrix D_xk ^–1 ergibt.
Derartige Korrekturen mittels Matrixinversion liefern besonders zuverlässige Ergebnisse, wenn das erste Minimum r₀ des Anregungsprofils P(k, x) bei der stärksten im Rahmen der Messung verwendeten Gradientenstärke außerhalb des zu messenden Untersuchungsobjekts, d.h. außerhalb des gewünschten Gesichtsfeldes (FOV, engl.: „field of view“) liegt.
Aus dieser Bedingung lässt sich die Lage des ersten Minimums r₀ bestimmen zu:
Somit kann die Berechnung der maximalen Pulslänge auf Grundlage der Vorgabe erfolgen, dass das erste Minimum der mit dem Anregungspuls erzielten Anregung P(k, x) außerhalb des gewünschten Gesichtsfeldes (FOV) liegt. Diese Bedingung stellt gleichzeitig sicher, dass eine oben beschriebene Korrektur mittels einer Matrixinversion besonders zuverlässig arbeitet.
Allgemein ist das erste Minimum r₀ gegeben durch: r₀ = (γτG_max)^–1, (11)
Wobei γ das gyromagnetische Verhältnis der im zu untersuchenden Untersuchungsobjekt vorherrschenden Spins, bei Untersuchungen von Patienten in der Regel als das gyromagnetische Verhältnis von Protonen, τ die Pulslänge und G_max die maximale Gradientenstärke bezeichnet.
Löst man Formel (11) nach der Pulslänge auf und setzt für das erste Minimum der Anregung r0 die Bedingung (10) ein, ergibt sich die maximale Pulslänge τ_max zu:
Die Berechnung der maximalen Pulslänge hängt somit von dem gyromagnetischen Verhältnis der im zu untersuchenden Objekt vorherrschend befindlichen Spins ab und umfasst eine Berechnung des Kehrwerts des ersten Parameters (FOV) und eine Berechnung des Kehrwerts des zweiten Parameters (G_max).
Die maximale Pulslänge kann demnach berechnet werden durch einer Multiplikation des Kehrwerts des ersten Parameters mit dem Kehrwert des zweiten Parameters und dem Kehrwert des gyromagnetischen Verhältnises der im zu untersuchenden Objekt vorherrschend befindlichen Spins und einem geometrischen Faktor.
Eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage umfasst einen Grundfeldmagneten, ein Gradientenfeldsystem, eine Hochfrequenzantenne und eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Gradientenfeldsystems und der Hochfrequenzantenne, und einen Bildrechner zum Empfang von von der Hochfrequenzantenne aufgenommenen Messsignalen, zur Auswertung der Messsignale und zur Erstellung von Magnetresonanzbildern. Die Steuereinrichtung umfasst hierbei insbesondere eine Pulslängenbestimmungseinrichtung zur Berechnung der maximalen Pulslänge für eine Pulssequenz.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Steuereinrichtung der Magnetresonanzanlage weiterhin eine Berechnungseinrichtung zur Berechnung von Elementen einer Matrix zur Korrektur von Artefakten in Magnetresonanzbildern und eine Korrektureinrichtung zur von Artefakten in Magnetresonanzbildern, welche mittels einer MR-Pulssequenz aufgenommen wurden, bei welcher während des Einstrahlens mindestens eines nichtselektiven Anregungspulses gleichzeitig Gradienten geschalten sind.
Insbesondere ist die Magnetresonanzanlage derart ausgestaltet, ein hierin beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Ein erfindungsgemäßes Computerprogramm implementiert ein hierin beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren auf einer Steuereinrichtung implementiert, wenn es auf der Steuereinrichtung ausgeführt wird.
Ein erfindungsgemäßer elektronisch lesbarer Datenträger umfasst darauf gespeicherte elektronisch lesbare Steuerinformationen, welche zumindest ein erfindungsgemäßes Computerprogramm umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in einer Steuereinrichtung einer Magnetresonanzanlage ein hierin beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren durchführen.
Die in Bezug auf das Verfahren angegebenen Vorteile und Ausführungen gelten analog auch für die Magnetresonanzanlage, das Computerprogramm und den elektronisch lesbaren Datenträger.
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 eine Darstellung des Einflusses der angelegten Gradientenstärke auf das Anregungsprofil eines Anregungspulses,
2 schematisch eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage,
3 ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur automatischen Berechnung einer maximalen Pulslänge eines nichtselektiven Anregungspulses,
4 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Korrektur von Artefakten in Magnetresonanzbildern, welche mittels einer Pulssequenz aufgenommen wurden, bei welchen Anregungspulse mit einer erfindungsgemäß maximierten Pulslänge verwendet wurden.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Magnetresonanzanlage 5 (eines Magnetresonanz-Bildgebungs- bzw. Kernspintomographiegeräts). Dabei erzeugt ein Grundfeldmagnet 1 ein zeitlich konstantes starkes Magnetfeld zur Polarisation bzw. Ausrichtung der Kernspins in einem Untersuchungsgebiet eines Untersuchungsobjekts U, wie z.B. eines zu untersuchenden Teils eines menschlichen Körpers, welcher auf einem Tisch 23 liegt und in die Magnetresonanzanlage 5 geschoben wird. Die für die Kernspinresonanzmessung erforderliche hohe Homogenität des Grundmagnetfelds ist in einem typischerweise kugelförmigen Messvolumen M definiert, in welches die zu untersuchenden Teile des menschlichen Körpers eingebracht werden. Zur Unterstützung der Homogenitätsanforderungen und insbesondere zur Eliminierung zeitlich invariabler Einflüsse werden an geeigneter Stelle, so genannte Shim-Bleche aus ferromagnetischem Material angebracht. Zeitlich variable Einflüsse werden durch Shim-Spulen 2 und eine geeignet Ansteuerung 27 für die Shim-Spulen 2 eliminiert.
In den Grundfeldmagneten 1 ist ein zylinderförmiges Gradientenspulensystem 3 eingesetzt, welches aus drei Teilwicklungen besteht. Jede Teilwicklung wird von einem entsprechenden Verstärker 24–26 mit Strom zur Erzeugung eines linearen Gradientenfeldes in die jeweilige Richtung eines kartesischen Koordinatensystems versorgt. Die erste Teilwicklung des Gradientenfeldsystems 3 erzeugt dabei einen Gradienten G_x in x-Richtung, die zweite Teilwicklung einen Gradienten G_y in y-Richtung und die dritte Teilwicklung einen Gradienten G_z in z-Richtung. Die Verstärker 24–26 umfassen jeweils einen Digital-Analog-Wandler (DAC), welcher von einer Sequenzsteuerung 18 zum zeitrichtigen Erzeugen von Gradientenpulsen angesteuert wird.
Innerhalb des Gradientenfeldsystems 3 befindet sich eine Hochfrequenzantenne 4, welche die von einem Hochfrequenzleistungsverstärker abgegebenen Hochfrequenzpulse in ein magnetisches Wechselfeld zur Anregung der Kerne und Ausrichtung der Kernspins des zu untersuchenden Objekts bzw. des zu untersuchenden Bereiches des Objekts umsetzt. Die Hochfrequenzantenne 4 besteht aus einer oder mehreren HF-Sendespulen und einer oder mehreren HF-Empfangsspulen in Form einer beispielsweise ringförmigen, linearen oder matrixförmigen Anordnung von Spulen. Von den HF-Empfangsspulen der Hochfrequenzantenne 4 wird auch das von den präzedierenden Kernspins ausgehende Wechselfeld, d.h. in der Regel die von einer Pulssequenz aus einem oder mehreren Hochfrequenzpulsen und einem oder mehreren Gradientenpulsen hervorgerufenen Kernspinechosignale, in eine Spannung (Messsignal) umgesetzt, welche über einen Verstärker 7 einem Hochfrequenz-Empfangskanal 8, 8' eines Hochfrequenzsystems 22 zugeführt wird. Das Hochfrequenzsystem 22 umfasst weiterhin einen Sendekanal 9, in welchem die Hochfrequenzpulse für die Anregung der magnetischen Kernresonanz erzeugt werden. Dabei werden die jeweiligen Hochfrequenzpulse aufgrund einer vom Anlagerechner 20 vorgegebenen Pulssequenz in der Sequenzsteuerung 18 digital als Folge komplexer Zahlen dargestellt. Diese Zahlenfolge wird als Real- und als Imaginärteil über jeweils einen Eingang 12 einem Digital-Analog-Wandler (DAC) im Hochfrequenzsystem 22 und von diesem dem Sendekanal 9 zugeführt. Dabei umfasst die Steuereinrichtung 10 oder direkt der Anlagenrechner 20 insbesondere eine Pulslängenbestimmungseinrichtung 32, mit der erfindungsgemäß eine maximale Pulslänge berechnet wird. Im Sendekanal 9 werden die Pulssequenzen einem Hochfrequenz-Trägersignal aufmoduliert, dessen Basisfrequenz der Resonanzfrequenz der Kernspins im Messvolumen entspricht. Über einen Verstärker 28 werden die modulierten Pulssequenzen der HF-Sendespule der Hochfrequenzantenne 4 zugeführt.
Die Umschaltung von Sende- auf Empfangsbetrieb erfolgt über eine Sende-Empfangsweiche 6. Die HF-Sendespule der Hochfrequenzantenne 4 strahlt die Hochfrequenzpulse zur Anregung der Kernspins in das Messvolumen M ein und tastet resultierende Echosignale über die HF-Empfangsspulen ab. Die entsprechend gewonnenen Kernresonanzsignale werden in einem ersten Demodulator 8' des Empfangskanals des Hochfrequenzsystems 22 phasenempfindlich auf eine Zwischenfrequenz demoduliert und im Analog-Digital-Wandler (ADC) digitalisiert. Dieses Signal wird noch auf die Frequenz Null demoduliert. Die Demodulation auf die Frequenz Null und die Trennung in Real- und Imaginärteil findet nach der Digitalisierung in der digitalen Domäne in einem zweiten Demodulator 8 statt, welcher die demodulierten Daten über Ausgänge 11 an einen Bildrechner 17 ausgibt. Durch den Bildrechner 17 wird aus den derart gewonnenen Messdaten ein MR-Bild rekonstruiert, insbesondere unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wozu die Steuereinheit 10 z.B. eine Berechnungseinrichtung 31 zur erfindungsgemäßen Berechnung von Elementen einer Matrix zur Korrektur von Artefakten in Magnetresonanzbildern und eine Korrektureinrichtung 30 zur Korrektur von Artefakten in Magnetresonanzbildern, welche mittels einer MR-Pulssequenz aufgenommen wurden, bei welcher während des Einstrahlens mindestens eines nichtselektiven Anregungspulses gleichzeitig Gradienten geschalten sind, umfasst. Diese Berechnungseinrichtung 31 und/oder die Korrektureinrichtung 30 sind beispielsweise von dem Bildrechner 17 umfasst. Die Verwaltung der Messdaten, der Bilddaten und der Steuerprogramme erfolgt über den Anlagenrechner 20. Aufgrund einer Vorgabe mit Steuerprogrammen kontrolliert die Sequenzsteuerung 18 die Erzeugung der jeweils gewünschten Pulssequenzen und das entsprechende Abtasten des k-Raumes. Insbesondere steuert die Sequenzsteuerung 18 dabei das zeitrichtige Schalten der Gradienten, das Aussenden der Hochfrequenzpulse mit definierter Phasenamplitude sowie den Empfang der Kernresonanzsignale. Die Zeitbasis für das Hochfrequenzsystem 22 und die Sequenzsteuerung 18 wird von einem Synthesizer 19 zur Verfügung gestellt. Die Auswahl entsprechender Steuerprogramme zur Erzeugung eines MR-Bildes, welche z.B. auf einer DVD 21 gespeichert sind, sowie sonstige nutzerseitige Eingaben und die Darstellung des erzeugten MR-Bildes erfolgen über ein Terminal 13, welches zur Ermöglichung einer Eingabe Eingabemittel wie z.B. eine Tastatur 15 und/oder eine Maus 16 und zur Ermöglichung einer Anzeige Anzeigemittel wie z.B. einen Bildschirm 14 umfasst.
In 3 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur automatischen Berechnung einer maximalen Pulslänge eines nichtselektiven Anregungspulses für eine Pulssequenz, bei welcher während des Einstrahlens des nichtselektiven Anregungspulses gleichzeitig Gradienten geschaltet sind, dargestellt.
Dabei wird ein erster Parameter FOV, welcher das bei der Messung, für welche die Pulslänge des Anregungspulses maximiert werden soll, gewünschte Gesichtsfeld angibt geladen (Block 301). Weiter wird ein zweiter Parameter G_max geladen, welcher die maximale Gradientenstärke angibt, welche der größten bei der gesamten Messung angewandten Gradientenstärke entspricht (Block 302). G_max kann nicht größer sein als der Wert Gradientenstärke, der mit der für die Messung verwendete Magnetresonanzanlage maximal erreichbar ist.
Auf Grundlage des ersten Parameters FOV und des zweiten Parameters G_max kann nun die maximale Pulslänge des Anregungspulses berechnet werden (Block 305). In die Berechnung der maximalen Pulslänge (Block 305) gemäß Formel (12), geht auch das gyromagnetische Verhältnis γ der im zu untersuchenden Objekt vorherrschend befindlichen Spins mit ein.
Die maximale Pulslänge wird demnach berechnet mittels einer Multiplikation des Kehrwerts des ersten Parameters mit dem Kehrwert des zweiten Parameters und dem Kehrwert des gyromagnetischen Verhältnises der im zu untersuchenden Objekt vorherrschend befindlichen Spins und einem geometrischen Faktor.
Als Zwischenschritt kann gemäß Formel (10) auf Grundlage des ersten Parameters FOV eine Lage des ersten Minimums r₀ der mit dem Anregungspuls erzeugten Anregung P(k, x) berechnet werden, für welche ein oben angegebenes Korrekturverfahren mittels Matrixinversion besonders zuverlässig arbeitet (Block 304).
Weiterhin kann ein dritter Parameter B1 geladen werden, welcher das maximale magnetische Wechselfeld (B1) angibt, welches maximal mit der zu verwendenden Hochfrequenzantenne erreichbar ist (Block 303).
Auf Grundlage des dritten Parameters B1 und der berechneten maximalen Pulslänge kann weiterhin ein maximaler Flipwinkel θ_max berechnet werden (Block 306).
Allgemein ergibt sich der Flipwinkel θ aus dem gyromagnetischen Verhältnis γ der in dem Untersuchungsobjekt vorherrschenden Spins, dem verwendeten magnetischen Wechselfeld B1 und der Pulslänge τ des verwendeten Anregungspulses: θ = γB1τ. (13)
Für den mit der maximalen Pulslänge τ_max erreichbaren maximalen Flipwinkel θ_max gilt somit:
Der maximale Flipwinkel kann somit berechnet werden mittels einer Multiplikation des Kehrwerts des ersten Parameters FOV und des Kehrwerts des zweiten Parameters G_max mit dem dritten Parameter B1 und einem geometrischen Faktor.
Beispielsweise bei einer Messung eines Kopfes als Untersuchungsobjekt mittels einer PETRA-Sequenz, bei der eine maximale Gradientenstärke G_max = 8 mT/m verwendet wird, und das Gesichtsfeld (entsprechend der Ausdehnung des zu messenden Kopfes) ca. 300 mm beträgt, ergibt sich ein erstes Minimum der Anregung r₀ bei ca. r₀ = 260 mm.
Damit ergibt sich nach Formel (12) eine maximale Pulsdauer τ_max von 19 μs.
Wird hierbei z.B. eine Körperspule mit einem maximalen magnetischen Wechselfeld von B1 = 40 mT/m verwendet, führt dies gemäß Formel (13) zu einem maximalen Flipwinkel von 8,5°.
Wird ein Anregungspuls mit einer erfindungsgemäßen maximalen Pulslänge verwendet, können somit einerseits höhere Flipwinkel erzielt werden, als bei Verwendung von kürzeren Anregungspulsen. Ist ein größerer Flipwinkel nicht erforderlich oder gewünscht, kann durch Verwendung eines Anregungspulses mit einer erfindungsgemäßen maximalen Pulslänge die Stärke des verwendeten magnetischen Wechselfeldes B1 verringert werden, was zu einer Reduzierung der SAR-Belastung beiträgt.
4 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Korrektur von Artefakten in Magnetresonanzbildern, welche aus Messdaten rekonstruiert werden, welche mittels einer Pulssequenz aufgenommen wurden, bei welcher Anregungspulse mit einer erfindungsgemäß maximierten Pulslänge verwendet wurden.
In einem Schritt 401 werden mit der MR-Pulssequenz aufgenommenen Messdaten im k-Raum F’(k) geladen.
In einem weiteren Schritt 402 wird mindestens ein Anregungsprofil P(k, x) eines zur Aufnahme der Messdaten verwendeten Anregungspulses geladen, welches von dem gemessenen Ort x und dem gemessenen k-Raumpunkt k und der bei der Messung angewendeten Gradientenstärke abhängt.
Aus jedem geladenen Anregungsprofil P(k, x) wird gemäß einem oben beschriebenen Verfahren mindestens ein Element einer Matrix D zur Korrektur von Artefakten berechnet, wobei die Matrix D zur Korrektur von Artefakten in der oben gewählten Schreibweise beispielsweise der invertierten Störmatrix D_kx ^–1 oder nur einem Element der transponierten invertierten Störmatrix D_xk ^–1 entspricht (Block 403).
In einem weiteren Schritt 404 wird beispielsweise gemäß oben angegebener Formel (7) ein korrigierten Bild I(x) aus den aufgenommenen Messdaten im k-Raum F’(k) und der Matrix D zur Korrektur von Artefakten berechnet.
Das korrigierte Bild I(x) kann beispielsweise gespeichert und/oder angezeigt werden (Block 405).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Sonia Nielles-Vallespin „3D radial projection technique with ultrashort echo times for sodium MRI: Clinical applications in human brain and skeletal muscle“, Magn. Res. Med. 2007; 57; S. 74–81 [0005]
Grodzki et al. in “Ultra short Echo Time Imaging using Pointwise Encoding Time reduction with Radial Acquisition (PETRA)“, Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 19 (2011) S. 2815 [0005]
Weiger et al. in „MRI with zero echo time: hard versus sweep pulse excitation“, Magn. Reson. Med. 66 (2011) S. 379–389 [0005]

Claims

Verfahren zur automatischen Berechnung einer maximalen Pulslänge eines nichtselektiven Anregungspulses für eine Pulssequenz, bei welcher während des Einstrahlens des nichtselektiven Anregungspulses gleichzeitig Gradienten geschaltet sind, umfassend die Schritte: – Laden eines ersten Parameters, welcher das bei der Messung, für welche die Pulslänge des Anregungspulses maximiert werden soll, gewünschte Gesichtsfeld (FOV) angibt, – Laden eines zweiten Parameters, welcher die maximale Gradientenstärke (G_max) angibt, welche der größten bei der gesamten Messung angewandten Gradientenstärke entspricht, – Berechnen der maximalen Pulslänge des Anregungspulses auf Grundlage des ersten und des zweiten Parameters.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Berechnung der maximalen Pulslänge auf Grundlage der Vorgabe, dass das erste Minimum der mit dem Anregungspuls erzielten Anregung außerhalb des gewünschten Gesichtsfeldes (FOV) liegt, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Berechnung der maximalen Pulslänge weiterhin von dem gyromagnetischen Verhältnis der im zu untersuchenden Objekt vorherrschend befindlichen Spins abhängt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Berechung der maximalen Pulslänge eine Berechnung des Kehrwerts des ersten Parameters und eine Berechnung des Kehrwerts des zweiten Parameters umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren weiterhin die Schritte umfasst: – Laden eines dritten Parameters, welcher das maximale magnetischen Wechselfeld (B1) angibt, welches mit der zu verwendenden Hochfrequenzantenne erreichbar ist, – Berechnen eines maximalen Flipwinkels auf Grundlage des dritten Parameters und der berechneten maximalen Pulslänge.
Verfahren zur Korrektur von Artefakten in Magnetresonanzbildern, welche aus Messdaten rekonstruiert werden, welche mittels einer Pulssequenz aufgenommen wurden, bei welcher während des Einstrahlens mindestens eines nichtselektiven Anregungspulses, dessen Pulslänge nach einem der Ansprüche 1 bis 5 berechnet wurde, gleichzeitig Gradienten geschaltet sind, umfassend die Schritte: – Laden von mit der Pulssequenz aufgenommenen Messdaten im k-Raum (F’(k)), – Laden von mindestens einem Anregungsprofil P(k, x) eines zur Aufnahme der Messdaten verwendeten Anregungspulses, welches von dem gemessenen Ort x und dem gemessenen k-Raumpunkt k und der bei der Messung angewendeten Gradientenstärke abhängt, – Aus jedem geladenen Anregungsprofil P(k, x), Berechnen mindestens eines Elements einer Matrix (D) zur Korrektur von Artefakten, – Berechnen eines korrigierten Bildes (I(x)) aus den aufgenommenen Messdaten im k-Raum (F’(k)) und der Matrix (D) zur Korrektur von Artefakten, – Anzeigen und/oder Speichern des korrigierten Bildes (I(x)).
Magnetresonanzanlage, wobei die Magnetresonanzanlage (5) einen Grundfeldmagneten (1), ein Gradientenfeldsystem (3), eine Hochfrequenzantenne (4) und eine Steuereinrichtung (10) zur Ansteuerung des Gradientenfeldsystems (3) und der Hochfrequenzantenne (4), und einen Bildrechner (17) zum Empfang von von der Hochfrequenzantenne (4) aufgenommenen Messsignalen, zur Auswertung der Messsignale und zur Erstellung von Magnetresonanzbildern umfasst, und wobei die Steuereinrichtung (10) eine Pulslängenbestimmungseinrichtung (32) umfasst.
Magnetresonanzanlage gemäß Anspruch 7, wobei die Magnetresonanzanlage (5) weiterhin eine Berechnungseinrichtung (31) zur Berechnung einer Matrix zur Korrektur von Artefakten in Magnetresonanzbildern und eine Korrektureinrichtung (30) zur Korrektur von Artefakten in Magnetresonanzbildern, welche mittels einer MR-Pulssequenz aufgenommen wurden, bei welcher während des Einstrahlens mindestens eines nichtselektiven Anregungspulses gleichzeitig Gradienten geschalten sind, umfasst.
Computerprogramm, das ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf einer Steuereinrichtung (10) implementiert, wenn es auf der Steuereinrichtung (10) ausgeführt wird.
Elektronisch lesbarer Datenträger mit darauf gespeicherten elektronisch lesbaren Steuerinformationen, welche zumindest ein Computerprogramm nach Anspruch 9 umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers (21) in einer Steuereinrichtung (10) einer Magnetresonanzanlage (5) ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchführen.