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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur quantitativen Magnetresonanzbildgebung, wobei eine Zeitserie von verschiedenen Zeitpunkten nach einer Anregung zugeordneten Magnetresonanzbildern eines Untersuchungsbereichs mit einer Magnetresonanzeinrichtung aufgenommen wird, aus denen für jedes Pixel ein zeitlicher Signalverlauf aus den Magnetresonanzdaten aller Magnetresonanzbilder ermittelt wird und durch Vergleich des Signalverlaufs mit in einer Datenbank gespeicherten Vergleichsverläufen einem jeweiligen Pixel wenigstens ein dem die größte Übereinstimmung aufweisenden Vergleichsverlauf zugrundeliegender quantitativer Ergebniswert zugeordnet wird. Daneben betrifft die Erfindung eine Magnetresonanzeinrichtung, ein Computerprogramm und einen elektronisch lesbaren Datenträger.
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Die Magnetresonanzbildgebung stellt ein wichtiges Werkzeug insbesondere in der Medizin, beispielsweise bei der Diagnose, dar. Dabei war es bislang meisthin gängig, qualitativ gewichtete Magnetresonanzbilder aufzunehmen, beispielsweise T1-gewichtete, T2-gewichtete und/oder protondichtegewichtete Bilder. Inzwischen wurde allerdings auch eine quantitative Magnetresonanzbildgebung vorgeschlagen, um als Ergebnis letztlich eine quantitative Messkarte zu erhalten, in der beispielsweise pixelweise Relaxationszeiten oder sonstige Materialparameter abgebildet werden. Ein bekanntes quantitatives Magnetresonanzbildgebungsverfahren ist das sogenannte Magnetresonanz-Fingerprinting (MRF), mit dem in einer Messung pixelweise mehrere physikalische Werte gleichzeitig gemessen werden können, beispielsweise die Relaxationszeiten T1 und T2. Hierbei werden bevorzugt mit einer Einzelschuss-Bildgebungstechnik eine große Zahl von Magnetresonanzbildern als Zeitserie nacheinander akquiriert, wobei sich über den Verlauf Messparameter wie die Repetitionszeit, Flipwinkel und dergleichen ändern, so dass abhängig von den physikalischen Eigenschaften in den durch die Pixel vermessenen Bereichen andere Signalverläufe über die Magnetresonanzbilder entstehen. Diese Signalverläufe, die auch als Fingerabdrücke bezeichnet werden, können durch Abgleich mit Vergleichsverläufen in Datenbanken einem n-Tupel physikalischer Ergebniswerte, beispielsweise Materialparameter, zugeordnet werden.
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Ein erhoffter Vorteil des Magnetresonanz-Fingerprintings ist eine gewisse Robustheit gegenüber kleineren Abweichungen beziehungsweise Fehlern im Fingerabdruck, also Signalverlauf. Diese Robustheit wird gemäß dem Stand der Technik beispielsweise zum Ausgleich von Unterabtastungsartefakten der einzelnen Magnetresonanzbilder genutzt und soll insgesamt dazu führen, dass Magnetresonanz-Fingerprinting gegenüber kleineren Bewegungen im aufzunehmenden Untersuchungsbereich insensitiv ist.
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Neben diesen technischen Vorteilen bietet das Magnetresonanz-Fingerprinting zudem einen großen Vorteil in der Einfachheit der Bedienung, da für die Messung letztlich lediglich ein Start-Bedienelement und ein Stopp-Bedienelement benötigt werden. Die Reihenfolge und Art der Magnetresonanzbilder ist dann gemäß den in der Datenbank vorliegenden Vergleichsverläufen automatisch gewählt. Auf diese Weise ist das Magnetresonanz-Fingerprintingverfahren besonders attraktiv für Benutzer mit schlechter ausgebildetem Personal, die gegebenenfalls nach kostengünstigen Lösungen suchen und von Magnetresonanz-Fingerprinting angesprochen werden.
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Ein weiterer aktueller Forschungsfokus, der auf derartige kostengünstige Lösungen abzielt, ist die Entwicklung von Magnetresonanzanlagen, bei denen die Magnetresonanzeinrichtung nicht in einer Abschirmkabine (RF-Kabine) angeordnet ist. Wird keine Abschirmkabine benötigt, so können Kosten und Aufwand für die Installation und Instandhaltung eingespart werden und die Magnetresonanzeinrichtung wird räumlich unabhängiger. Dabei ist es aus Magnetresonanzsicht das größte Problem, die Messung möglichst robust gegenüber von außen eindringenden Hochfrequenz-Störungen, die ansonsten von der Schirmkabine abgehalten wurden, zu gestalten. Hierzu wurde vorgeschlagen, zusätzliche Hardware, beispielsweise außerhalb der Patientenaufnahme angeordnete Pick-Up-Antennen, einzusetzen, um solche potentiellen Störfelder zu vermessen, wodurch jedoch die Systemkosten und die Systemkomplexität wieder steigen.
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Beim Versuch der Kombination dieser Techniken ist jedoch festzuhalten, dass nicht vorhersagbare Störungen, die aufgrund eines Fehlens einer Abschirmkabine, mithin bei einzelnen oder mehreren Magnetresonanzbildern, auftreten können, zu kaum erkennbaren, die Signalverläufe deutlich verändernden Effekten führen können, wogegen eine geringere Robustheit des Magnetresonanz-Fingerprintings gegeben ist.
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Nachdem beim Magnetresonanz-Fingerprinting häufig eine große Anzahl von Magnetresonanzbildern aufgenommen wird, mithin ein äußerst komplexer Vergleichsvorgang mit in einer Datenbank gespeicherten Vergleichsverläufen (häufig auch als vorbestimmtes Lexikon bezeichnet) vorliegt, wurde beispielsweise in einem Artikel von Debra F. McGivney et al., „SVD Compession for Magnetic Resonance Fingerprinting in the Time Domain“, IEEE Transactions on Medical Imaging (Volume: 33 , Issue: 12, Dec. 2014), vorgeschlagen, sowohl für die Vergleichsverläufe als auch für die Signalverläufe eine Singulärwertzerlegung anzusetzen, um so die Mustererkennungsalgorithmen, die den Vergleich der Signalverläufe mit den Vergleichsverläufen vornehmen, zu beschleunigen. Allerdings bilden sich durch Störungen unbekannter Art entstehende Verlaufsänderungen auch bei einer Singulärwertzerlegung ab, so dass dieses Verfahren die Robustheit bei Hochfrequenzstörungen nicht erhöht.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber nicht vorhersagbaren Hochfrequenzstörungen robustere Variante eines Magnetresonanz-Fingerprintingverfahrens anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß ein Verfahren, eine Magnetresonanzeinrichtung, ein Computerprogramm und ein elektronisch lesbarer Datenträger gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgesehen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zur Durchführung des Vergleichvorgangs
- - wenigstens zwei Untersuchungsverläufe definiert werden, von denen insbesondere einer dem vollständigen Signalverlauf und wenigstens einer einem nicht alle Zeitpunkte umfassenden Teilverlauf entspricht,
- - jeder Untersuchungsverlauf mit aus den gleichen Zeitpunkten jeweiliger Vergleichsverläufe gebildeten Referenzverläufen zum Erhalt eines Vergleichsergebnisses verglichen wird, und
- - der die größte Übereinstimmung aufweisende Vergleichsverlauf unter Verwendung aller Vergleichsergebnisse ermittelt wird.
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Dabei sei an dieser Stelle angemerkt, dass es auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen kann, dann, wenn kein die größte Übereinstimmung aufweisender Vergleichsverlauf sinnvoll zuordenbar, das heißt ermittelbar, ist, dieser Umstand, also die Nichtermittelbarkeit, ausgegeben wird. Hierauf wird im Folgenden noch näher eingegangen werden.
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Die Idee der vorliegenden Erfindung ist es also, nicht nur den gesamten, alle Zeitpunkte und somit Magnetresonanzbilder abdeckenden Signalverlauf mit den jeweiligen Vergleichsverläufen zu vergleichen, sondern Unterzeitfenster beziehungsweise sonstige Auswahlen aus den Zeitpunkten zu betrachten, insbesondere eine möglichst große Gleichverteilung über alle Zeitpunkte anzustreben, so dass die Wahrscheinlichkeit erhöht wird, dass bei Vorliegen einer vorübergehenden Störung auch Untersuchungsverläufe analysiert werden, bei denen diese Störung gerade nicht enthalten ist. Dabei werden bevorzugt deutlich mehr als zwei Untersuchungsverläufe, beispielsweise wenigstens zehn Untersuchungsverläufe, betrachtet, da dann insbesondere bei vereinzelten Störeffekten während der Aufnahme der Magnetresonanz-Fingerabdrücke in dem hier beschriebenen Magnetresonanz-Fingerprintingverfahren die Wahrscheinlichkeit steigt, dass eine größere Anzahl von Untersuchungsverläufen nicht oder nicht auf relevante Weise von Störeffekten betroffen ist, mithin das Vorgehen insgesamt robuster gegenüber solchen Störungen wird. Dies ermöglicht es insbesondere, dass eine nicht in einer Abschirmkabine angeordnete Magnetresonanzeinrichtung verwendet wird.
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Mit anderen Worten beschreibt die vorliegende Erfindung eine Vorgehensweise, mit der der Einfluss von nichtpermanenten Hochfrequenzstörungen auf Magnetresonanz-Fingerprinting-Messungen ohne weitere Hardware möglichst weitgehend reduziert werden soll. Dabei wird ausgenutzt, dass das Magnetresonanz-Fingerprinting robust gegen derartige Störungen sein kann, wenn nur eine Untermenge an Signalpunkten „gestört“ ist.
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Es wird also zunächst wie üblich eine Zeitserie von Magnetresonanzbildern aufgenommen, so dass für jeden Bildpunkt der Magnetresonanzbilder, also jedes Pixel, als Signalverlauf über alle Zeitpunkte der Magnetresonanz-Fingerabdruck entsteht. Diese jeweils entstehenden Magnetresonanz-Fingerabdrücke werden nun mehrfach, zumindest zweimal, in unterschiedlicher Auswahl untersucht, um mögliche „Ausreißer“, also Fehlmessungen, durch Hochfrequenzstörungen zu identifizieren. Dabei ist die Anzahl an untersuchten Zeitpunkten zumindest in einer der zumindest zwei Vergleichsvorgänge geringer als die Anzahl der nach dem Stand der Technik zur Berechnung verwendeten Fingerprintingsignalpunkte, nachdem der Stand der Technik üblicherweise den gesamten Signalverlauf, also alle Zeitpunkte, mit der Datenbank abgleicht, um den passenden Vergleichsverlauf auffinden zu können.
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Dabei sei an dieser Stelle angemerkt, dass es zwar bevorzugt, jedoch nicht zwangsläufig notwendig ist, als einen der Untersuchungsverläufe auch den (alle Zeitpunkte enthaltenden) Signalverlauf zu wählen. Nachdem allerdings in dem Fall keiner oder geringer Störung der Signalverlauf den verlässlichsten Abgleich mit sich bringt, ist es vorteilhaft, ihn als einen der Untersuchungsverläufe heranzuziehen. Dann wird also im Sinne der Erfindung nicht nur der gesamte Magnetresonanz-Fingerabdruck, also der Signalverlauf, mit der Datenbank abgeglichen, sondern zusätzlich noch wenigstens ein „Subset“, also nicht alle Zeitpunkte abdeckender Untersuchungsverlauf, mit der Datenbank abgeglichen.
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Dabei sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vor, dass mehrere insgesamt alle Zeitpunkte abdeckende Teilverläufe definiert werden. Beispielsweise kann also eine Aufteilung von Zeitpunkten auf mehrere Untersuchungsverläufe derart stattfinden, dass alle Zeitpunkte durch zumindest einen Satz von Teilverläufen abgedeckt sind. Bevorzugt ist hierbei eine Gleichverteilung vorgesehen, so dass beispielsweise die Teilverläufe alle gleich große, unterschiedliche beziehungsweise in gleichem Maße überlappende Zeitbereiche abdecken oder dergleichen.
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Konkret kann beispielsweise vorgesehen sein, dass wenigstens einer des wenigstens eines Teilverlaufs mittels eines eine feste Anzahl an aufeinanderfolgenden Zeitpunkten auswählenden Fensters definiert wird. Auf diese Weise entsprechen Teilverläufe der Untersuchungsverläufe also Abschnitten des gesamten Signalverlaufs. Beispielsweise kann also ein Subset der Magnetresonanzsignale an verschiedenen, durch einen Startzeitpunkt und einen Endzeitpunkt definierten Stellen betrachtet und mit der Datenbank abgeglichen werden. Werden beispielsweise 250 Magnetresonanzbilder aufgenommen, besteht also ein Signalverlauf aus 250 Zeitpunkten mit zugeordneten Magnetresonanzsignalen, kann vorgesehen sein, dass das Fenster 20 bis 50 Zeitpunkte auswählt. Eine zweckmäßige Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann auch vorsehen, dass mehrere Teilverläufe durch ein Verschieben des Fensters definiert werden, insbesondere als eine disjunkte Folge an Teilverläufen oder nach der Art eines gleitenden Fensters. Bei der Verwendung eines gleitenden Fensters kann für eine besonders gute Abdeckung zwar vorgesehen sein, dass das gleitende Fenster immer um einen Zeitpunkt verschoben wird, möglich ist es aber selbstverständlich auch, insbesondere zur Reduzierung des Rechenaufwands, ein gleitendes Fenster um eine größere Anzahl von Zeitpunkten zwischen verschiedenen Teilverläufen zu verschieben.
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Eine andere, bevorzugt zusätzlich zur Verwendung eines Zeitpunkts der kontinuierlich auswählenden Fenster eingesetzte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass wenigstens einer des wenigstens einen Teilverlaufs durch um eine bestimmte und/oder eine zufällige Zahl, insbesondere 4 bis 10, von Zeitpunkten beabstandete Zeitpunkte oder Gruppen aufeinanderfolgender Zeitpunkte, insbesondere umfassend 2 bis 8 Zeitpunkte, definiert wird. Das bedeutet, Teilverläufe können auch durch Zeitpunkte oder Zeitpunktgruppen in einem vorgegebenen oder zufälligen Abstand definiert werden, also beispielsweise für jeden zweiten, fünften oder allgemein x-ten Zeitpunkt. Dabei können auch jeweils mehrere aufeinanderfolgende Zeitpunkte ausgewählt werden, so dass beispielsweise ein Teilverlauf gebildet wird, in dem fünf aufeinanderfolgende Zeitpunkte ausgewählt werden, dann fünf Zeitpunkte übersprungen werden und so weiter.
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Insbesondere durch Bildung von Zeitverläufen sowohl durch Verwendung kontinuierlicher Fenster als auch durch Mess-Zeitpunkte auslassende Teilverläufe können auf verschiedene Arten durch Hochfrequenzstörungen beziehungsweise sonstige ungewollte, nicht vorhersagbare Störungen unbeeinflusste oder weniger beeinflusste Untersuchungsverläufe entstehen, so dass insgesamt eine hohe Robustheit erreicht wird.
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Die Untersuchungsverläufe werden durch bekannte Vergleichsalgorithmen, insbesondere Mustererkennungsalgorithmen (pattern recognition algorithm), mit der Datenbank abgeglichen, wobei selbstverständlich die zum Abgleich eines Untersuchungsverlaufs verwendeten Zeitpunkte aus der Datenbank denen des Untersuchungsverlaufs entsprechen. Wird also beispielsweise der Zeitpunkt 78 aus dem gesamten Signalverlauf betrachtet, muss auch der Zeitpunkt 78 aus den Vergleichsverläufen der Datenbank zum Abgleich verwendet werden. Beispielsweise kann eine Korrelation des jeweiligen Untersuchungsverlaufs mit dem entsprechenden Referenzverlauf ermittelt werden und als Vergleichsergebnis können die Referenzverläufe (und somit Vergleichsverläufe, aus denen sie hergeleitet sind) angegeben werden, für die die höchste Korrelation beziehungsweise allgemein höchste Übereinstimmung bezüglich des Untersuchungsverlaufs vorliegt. Um nun alle Vergleichsergebnisse zusammenzuführen, existiert grundsätzlich eine Vielzahl von Möglichkeiten, wobei insbesondere auch bei der Bestimmung von Korrelationen vorgesehen sein kann, dass eine korrelationsgewichtete Zusammenführung der Vergleichsergebnisse vorgenommen wird.
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Gemäß einer zweckmäßigen, einfach umzusetzenden und robusten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann konkret vorgesehen sein, dass zur Ermittlung des die größte Übereinstimmung aufweisenden Vergleichsverlaufs
- - bei übereinstimmenden Vergleichsergebnissen hinsichtlich der besten Übereinstimmung der entsprechende, durch die Vergleichsergebnisse angezeigte Vergleichsverlauf als der die größte Übereinstimmung aufweisende Vergleichsverlauf ermittelt wird,
- - bei einem einen ersten Schwellwert unterschreitenden Anteil der größten Anzahl von den gleichen Vergleichsverlauf als am besten übereinstimmend anzeigenden Vergleichsergebnissen an allen Vergleichsergebnissen eine Nichtermittelbarkeit eines die größte Übereinstimmung aufweisenden Vergleichsverlaufs ausgegeben wird, und
- - bei einem den ersten Schwellwert überschreitenden Anteil der größten Anzahl von den gleichen Vergleichsverlauf als am besten übereinstimmend anzeigenden Vergleichsergebnissen an allen Vergleichsergebnissen dieser meistangezeigte Vergleichsverlauf als der die größte Übereinstimmung aufweisende Vergleichsverlauf ermittelt wird.
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Werden also für alle Untersuchungsverläufe die gleichen Vergleichsergebnisse ermittelt, kann davon ausgegangen werden, dass die Messung der Magnetresonanzbilder ungestört ablief. Es sind keine weiteren Maßnahmen notwendig und der ermittelte Vergleichsverlauf und somit das ermittelte n-Tupel von quantitativen Magnetresonanz-Fingerprinting-Ergebnissen (also Ergebniswerten, insbesondere Materialparametern) wird für dieses Pixel als Ergebnis der Fingerprintuntersuchung verwendet.
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In dem Fall jedoch, in dem die meisten Untersuchungsverläufe unterschiedliche Vergleichsergebnisse liefern, beispielsweise nur weniger als 25 % aller Untersuchungsverläufe das gleiche Vergleichsergebnis zeitigen, ist anzunehmen, dass die Messung einer permanenten und/oder häufigen und/oder stark variablen, starken Störung unterliegt, so dass die Angabe eines eindeutigen Endergebnisses nicht möglich ist. Der entsprechende Sachverhalt kann ausgegeben werden. In solchen Fällen kann beispielsweise eine erneute Messung angeregt werden; tritt der Effekt wiederholt auf, kann davon ausgegangen werden, dass die Störungen bei dieser Magnetresonanzeinrichtung zumindest zur Zeit zu stark sind, so dass beispielsweise die Anschaffung zusätzlicher Hardware, beispielsweise von Pick-Up-Antennen als Sensoren zur Messung von Störfeldern, zweckmäßig erscheint.
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Liefert jedoch eine hinreichend große Anzahl von Untersuchungsverläufen im Vergleich dieselben Vergleichsergebnisse hinsichtlich des für diesen Untersuchungsverlauf am besten übereinstimmten Vergleichsverlauf, im Beispiel über 25 % aller betrachteten Untersuchungsverläufe, ist anzunehmen, dass bei einigen Zeitpunkten die Messung gestört war, als Ergebnis für das Pixel jedoch dennoch der Vergleichsverlauf, der beim größten Anteil der Vergleichsergebnisse bestimmt wurde, beziehungsweise das zugehörige n-Tupel von Ergebniswerten, insbesondere Materialparametern, als Endergebnis angenommen werden.
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In einer Weiterbildung in diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass bei einem den ersten Schwellwert überschreitenden Anteil der größten Anzahl von den gleichen Vergleichsverlauf als am besten übereinstimmend anzeigenden Vergleichsergebnissen an allen Vergleichsergebnissen dann, wenn ein zweiter, höherer Schwellwert durch den Anteil unterschritten wird, eine Hinweisinformation auf eine geringere Verlässlichkeit erzeugt und ausgegeben wird. Mithin kann ein Toleranzbereich definiert werden, in dem zwar ein vermutlich korrektes Ergebnis für das n-Tupel von Ergebniswerten für das Pixel ermittelt werden kann, dennoch aufgrund von Störungen gewisse Unsicherheiten bestehen, über die ein Benutzer entsprechend informiert werden kann. In einer beispielhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass dann, wenn der erste Schwellwert 25 % beträgt, als zweiter Schwellwert 50 % gewählt wird.
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Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass selbstverständlich auch andere Auswertungsmethoden für die Vergleichsergebnisse im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, insbesondere, gegebenenfalls auch bei der oben beschriebenen Berechnung von Anteilen, eine Gewichtung von Vergleichsergebnissen vorgenommen werden kann. Dabei muss die Gewichtung nicht beziehungsweise nicht nur von einem Grad der Übereinstimmung im Vergleichsergebnis abhängen, sondern kann auch abhängig von Eigenschaften des Untersuchungsverlaufs, beispielsweise der Anzahl der untersuchten Zeitpunkte, gewählt werden.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass zur Ermittlung einer Kandidatengruppe von Zeitpunkten, an denen die Messung möglicherweise gestört war, der die größte Übereinstimmung aufweisende Vergleichsverlauf zeitpunktweise mit dem Signalverlauf verglichen wird und Zeitpunkte, an denen das gemessene Magnetresonanzsignal des Signalverlaufs um mehr als einen Grenzwert von dem Vergleichswert des Vergleichsverlaufs abweicht, als zu der Kandidatengruppe gehörig markiert werden. Mit besonderem Vorteil kann also erfindungsgemäß, allgemein gesagt, eine Identifikation gestörter Zeitpunkte vorgenommen werden. Der erwartete Vergleichsverlauf, der am häufigsten aufgetreten ist, wird mit dem tatsächlich gemessenen Signalverlauf verglichen. Alle Punkte, die stark, beispielsweise um mehr als einen Grenzwert von insbesondere 10 bis 20 %, bevorzugt 10 %, vom erwarteten Vergleichswert abweichen, können zunächst als gestört angenommen werden und einer Kandidatengruppe zugeordnet werden. Bezüglich dieser Kandidatengruppe kann nun auf unterschiedliche Art und Weise ein Nutzen gezogen werden.
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Zunächst sieht eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass bei wenigstens einem, bevorzugt mehreren, später bearbeiteten Pixeln für jeden Zeitpunkt der Kandidatengruppe überprüft wird, ob auch in diesem Pixel eine den Grenzwert überschreitende Abweichung vorliegt, wobei ein Zeitpunkt nur dann in der Kandidatengruppe verbleibt, wenn der Anteil an Pixeln, für die die Abweichung den Grenzwert überschreitet, eine vorbestimmte Größe übersteigt. Mit besonderem Vorteil wird die Kandidatengruppe mit den Vergleichsergebnissen wenigstens eines, bevorzugt mehrerer anderer Pixel abgeglichen, wobei überprüft wird, ob dort dieselben Zeitpunkte als gestört erkannt werden. Auf diese Weise können einzelne Ausreißer in den Magnetresonanzbildern an sich von tatsächlich zeitlich allgemein vorliegenden Störungen unterschieden werden. Beispielsweise können, falls die Information zur Kandidatengruppe möglichst früh während des gesamten Auswertungsprozesses eingesetzt werden soll, 5 bis 15 Pixel auf diese Art und Weise untersucht werden. Möglich ist es aber in einer anderen Variante auch, alle Pixel der Magnetresonanzbilder auf diese Art und Weise zu analysieren, um die Kandidatengruppe zu bestimmen.
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Vorzugsweise kann die Kandidatengruppe wenigstens eines insbesondere ersten Pixels bei dem Vergleichsvorgang für wenigstens ein weiteres Pixel berücksichtigt werden, insbesondere durch Auslassen von Zeitpunkten der Kandidatengruppe und/oder durch geringere Gewichtung von Vergleichsergebnissen, die Zeitpunkte der Kandidatengruppe umfassen. Dabei ist es, wie bereits erwähnt, bevorzugt, mehr als ein derartiges erstes Pixel heranzuziehen, beispielsweise 5 bis 15 Pixel, um eine robustere Bestimmung der Kandidatengruppe zu erlauben. Die Kandidatengruppe kann dann für die Berechnung weiterer Pixel als Grundlage angenommen werden, so dass die beschriebene Untersuchung der Untersuchungsverläufe dort entweder reduziert oder nur für den Signalverlauf ohne die gestörten Zeitpunkte durchgeführt werden kann. Es sei angemerkt, dass selbstverständlich auch eine Ausgestaltung denkbar ist, in der für die Pixel, auf deren Grundlage die Kandidatengruppe ermittelt wurde, eine erneute Auswertung unter Berücksichtigung der Kandidatengruppe erfolgt, um das erhaltene Ergebnis zu verifizieren.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass bei zu großen Kandidatengruppen, die einen zu großen Anteil an Zeitpunkten ausschließen würden, selbstverständlich auch eine Maßnahme ergriffen werden kann, beispielsweise eine Ausgabe dieser Information an einen Benutzer, eine dynamische Anpassung des Grenzwerts oder dergleichen.
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Es sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, dass das hier vorgeschlagene Vorgehen selbstverständlich auch bei Magnetresonanzeinrichtungen eingesetzt werden kann, die sich innerhalb einer Abschirmkabine Befinden. Dann muss die Vorgehensweise jedoch nicht immer aktiviert sein, sondern kann beispielsweise benutzerseitig anwählbar sein und/oder immer oder stichprobenartig mitlaufen, um eventuelle andere Hochfrequenzstörungen, beispielsweise aufgrund von Cross-Talk, zu identifizieren.
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Eine Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorsehen, dass Messdaten wenigstens eines störenden Einflusses auf die Magnetresonanzmessung vermessenden Sensors, insbesondere einer Pick-Up-Antenne, zum Ausschluss der Magnetresonanzsignale bestimmter Zeitpunkte bereits vor den Vergleichsvorgängen ausgewertet werden. Zwar ist es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, außer für sehr starke Störungen ohne zusätzliche Hardware wie Pick-Up-Antennen auszukommen, jedoch kann derartige Hardware in Form von Sensoren, die beispielsweise Störfelder vermessen, falls sie ohnehin an der Magnetresonanzeinrichtung vorgesehen ist, in einem weiteren Aspekt der Erfindung als Grundlage für die Identifizierung von gestörten Zeitpunkten verwendet werden, so dass in der Auswertung alle Zeitpunkte aussortiert werden können, bei denen die Messdaten des wenigstens einen Sensors relevante, von außen einwirkende Störeffekte, insbesondere Hochfrequenzsignale, detektiert haben.
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Eine zweckmäßige Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht ferner vor, dass bei der Ermittlung des die größte Übereinstimmung aufweisenden Vergleichsverlaufs zusätzlich wenigstens ein Ergebnis eines Vergleichs durch Singulärwertzerlegung verwendet wird. Das bedeutet, beispielsweise die in dem eingangs genannten Artikel von Debra F. McGivney et al. genannte Vorgehensweise kann ergänzend beziehungsweise unterstützend auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, um die Robustheit weiter zu erhöhen.
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Neben dem Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Magnetresonanzeinrichtung, aufweisend eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Steuereinrichtung. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Magnetresonanzeinrichtung übertragen, mit welcher mithin ebenso die bereits genannten Vorteile erhalten werden können.
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Die Steuereinrichtung, welche insbesondere wenigstens einen Prozessor und/oder wenigstens ein Speichermittel aufweist, kann beispielsweise neben einer üblichen Sequenzeinheit, die den Aufnahmebetrieb der Magnetresonanzeinrichtung steuert, eine Definitionseinheit zur Definition der wenigstens zwei Untersuchungsverläufe aufweisen. Ferner kann eine Abgleichseinheit vorhanden sein, die für die verschiedenen Pixel den Abgleich mit der insbesondere auch Teil der Steuereinrichtung bildenden Datenbank im Hinblick auf die von der Definitionseinheit definierten Untersuchungsverläufe durchführt. Eine Zusammenführungseinheit liefert für ein entsprechendes Pixel den am besten übereinstimmenden Vergleichsverlauf und somit ein n-Tupel von Ergebniswerten, insbesondere Materialparametern, als Ergebnis der quantitativen Magnetresonanzbildgebung, hier konkret des Magnetresonanz-Fingerprintings. Die Steuereinrichtung kann zur Durchführung von weiteren Schritten in Ausgestaltungen der Erfindung auch weitere Funktionseinheiten aufweisen, beispielsweise eine Identifikationseinheit zur Identifikation von gestörten Zeitpunkten in einer Kandidatengruppe.
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Ein erfindungsgemäßes Computerprogramm ist beispielsweise direkt in einen Speicher einer Steuereinrichtung einer Magnetresonanzeinrichtung ladbar und weist Programmmittel auf, um die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Steuereinrichtung der Magnetresonanzeinrichtung ausgeführt wird. Das Computerprogramm kann auf einem erfindungsgemäßen elektronisch lesbaren Datenträger gespeichert sein, welcher mithin darauf gespeicherte elektronisch lesbare Steuerinformationen umfasst, welche zumindest ein genanntes Computerprogramm umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in einer Steuereinrichtung einer Magnetresonanzeinrichtung ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführen. Bei dem Datenträger kann es sich insbesondere um ein nichttransienten Datenträger, beispielsweise eine CD-ROM, handeln.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 einen beispielhaften gestörten Signalverlauf im Vergleich zu einem nicht gestörten Signalverlauf,
- 3 eine Möglichkeit zur Definition von Untersuchungsverläufen mittels eines gleitenden Fensters,
- 4 eine erfindungsgemäße Magnetresonanzeinrichtung, und
- 5 den funktionalen Aufbau der Steuereinrichtung der Magnetresonanzeinrichtung.
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1 zeigt einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei soll eine gegenüber Störungen möglichst robuste Magnetresonanz-Fingerprinting-Methode umgesetzt werden, nachdem vorliegend eine Magnetresonanzeinrichtung ohne Abschirmkabine eingesetzt wird. Das bedeutet, wenn in einem Schritt S1 eine Zeitserie von Magnetresonanzbildern eines Untersuchungsbereichs eines Patienten, wobei jedes Magnetresonanzbild zu einem diesem zugeordneten Zeitpunkt vermessen wird, aufgenommen wird, können Störeffekte eintreten, insbesondere Hochfrequenz-Störungen durch Störsignale von außerhalb der Magnetresonanzeinrichtung. Diese Störeffekte sind letztlich weder in ihrer Auftretenszeit noch in ihrer Auswirkung vorhersagbar oder kontrollierbar.
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In einem optionalen Schritt S2 ist es denkbar, zusätzliche, ebenso optionale Hardware, insbesondere Sensoren, die die Störfelder messen, an der Magnetresonanzeinrichtung zu nutzen, beispielsweise Pick-Up-Spulen, um Magnetresonanzbilder bestimmter Zeitpunkte aufgrund von Störungen von vornherein von der weiteren Auswertung auszuschließen; dies ist aber letztlich bei Einsatz des erfindungsgemäßen Vorgehens nicht notwendig, da dieses selbst eine Robustheit gegenüber zeitweilig vorliegenden Störungen erzeugt.
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Dazu werden in einem Schritt S3 aus jedem Signalverlauf jedes Pixels der Magnetresonanzbilder, mithin einem Verlauf, der alle Magnetresonanzsignale für alle Zeitpunkte, mithin alle Magnetresonanzbilder, enthält, mehrere Untersuchungsverläufe abgeleitet, die dem Abgleich mit einer Datenbank, in der Vergleichsverläufe gespeichert sind, zugrunde gelegt werden sollen. Als einer der Untersuchungsverläufe wird dabei der Signalverlauf selbst gewählt; die anderen Untersuchungsverläufe entsprechen Teilverläufen, in denen mithin nicht Magnetresonanzsignale für alle Zeitpunkte, zu denen ein Magnetresonanzbild vorliegt, verwendet werden, sondern nur für einen Teil dieser Zeitpunkte.
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2 zeigt in Form der Kurve 1 (durchgezogen) einen in diesem Beispiel in drei Zeitbereichen 2, 3 und 4 gestörten Signalverlauf, also Magnetresonanz-Fingerabdruck. Dieser ist für ein Pixel aus in diesem Fall 250 Magnetresonanzbildern abgeleitet worden, so dass auch 250 Zeitpunkte, zu denen gemessen wurde, existieren. Die entsprechenden Magnetresonanzsignale sind durch die mit Quadraten markierten Punkte gegeben. Zum Vergleich zeigt die gestrichelte, durch Rauten markierte Punkte verbindende Kurve 5 einen theoretisch ermittelten, ungestörten Signalverlauf, der auch als Vergleichsverlauf in der Datenbank vorliegen kann. Ersichtlich kommt es aufgrund von Störeffekten, beispielsweise aufgrund der fehlenden Schirmkabine, im Zeitbereich 2 zu einer Absenkung des Magnetresonanzsignals, in den Zeitbereichen 3 und 4 zu einer Signalerhöhung. Ersichtlich können die Störungen auch unterschiedlich lang andauern. Sind keine Sensoren verbaut, wovon im Folgenden zunächst ausgegangen werden soll, sind diese Störungen zudem unbekannt.
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Die Idee der vorliegenden Erfindung ist es nun, insbesondere neben dem Signalverlauf auch Teilverläufe zu betrachten und einzeln mit der Datenbank abzugleichen, da dies die Wahrscheinlichkeit erhöht, auch weitgehend ungestörte Bereiche heranzuziehen und somit robuster gegenüber solchen Störeffekten zu sein.
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3 erläutert ein Beispiel zur Definition solcher Teilverläufe als Untersuchungsverläufe. Dabei ist zunächst der gesamte Aufnahmezeitraum 6, in dem Magnetresonanzbilder aufgenommen wurden und der mithin die 250 Aufnahme-Zeitpunkte umfasst, schematisch dargestellt. Ferner ist ein Fenster 7 definiert, über welches vorliegend 20 aufeinanderfolgende Zeitpunkte 8 als Teilverlauf 9 aus dem Gesamtverlauf (Signalverlauf) ausgewählt werden können. Wie der Pfeil 10 andeutet, kann es sich bei dem Fenster 7 um ein gleitendes Fenster zur Definition mehrerer Teilverläufe 9 handeln, wobei immer eine feste Verschiebung des Fensters 7 zur Definition unterschiedlicher Teilverläufe 9 erfolgt und somit eine möglichst gleichmäßige Abdeckung des Zeitraums 6, der den gesamten Signalverlauf 11 symbolisiert, gegeben ist. Neben der in 3 bildlich dargestellten Variante ist in diesem Ausführungsbeispiel auch vorgesehen, in mehreren Teilverläufen durch eine bestimmte oder zufällige Zahl, beispielsweise 5, von Zeitpunkten 8 beabstandete Zeitpunkte 8 oder Gruppen aufeinanderfolgender Zeitpunkte 8 zu wählen.
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In einem Schritt S4 werden die im Schritt S3 definierten Untersuchungsverläufe nun genutzt, um jeden einzelnen dieser Untersuchungsverläufe gegen eine Datenbank mit Vergleichsverläufen abzugleichen. Hierbei werden selbstverständlich aus den Vergleichsverläufen aufgrund der Kenntnis der verschiedenen Zeitpunkte Referenzverläufe abgeleitet, die dieselben Zeitpunkte wie der entsprechende abzugleichende Untersuchungsverlauf enthalten. Zum tatsächlichen Abgleich können im Stand der Technik bereits grundsätzlich bekannte Vergleichsalgorithmen herangezogen werden, beispielsweise Mustererkennungsalgorithmen und/oder solche, die Korrelationen zwischen dem Untersuchungsverlauf und verschiedenen Referenzverläufen der Datenbank berechnen. In jedem Fall resultiert ein Vergleichsergebnis, durch das wenigstens der am besten mit dem Untersuchungsverlauf übereinstimmende Referenzverlauf und somit Vergleichsverlauf beschrieben wird.
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In einem Schritt S5 werden die Vergleichsergebnisse dann zusammengeführt, um einen insgesamt die größte Übereinstimmung aufweisenden Vergleichsverlauf ermitteln zu können. Dabei kann allerdings auch ein Ergebnis sein, dass keine sinnvolle Ermittlung eines derartigen Endergebnisses möglich ist, woraufhin dieser Umstand an einen Benutzer ausgegeben wird. Beispielsweise kann dann eine erneute Messung erfolgen.
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Konkret sieht das hier beschriebene Ausführungsbeispiel vor, dann, wenn die Vergleichsergebnisse hinsichtlich der besten Übereinstimmung allesamt übereinstimmen, von einer ungestörten Messung auszugehen und den durch die Vergleichsergebnisse angezeigten, jeweils am besten übereinstimmenden Vergleichsverlauf als das Endergebnis zu ermitteln.
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Zeigt jedoch nur ein einen ersten Schwellwert unterschreitender maximaler Anteil der Vergleichsergebnisse denselben Vergleichsverlauf als am besten mit dem Untersuchungsverlauf übereinstimmend, wobei als erster Schwellwert vorliegend 25 % gewählt wurde, kann von einer äußerst starken Störung ausgegangen werden, die eine verlässliche Ermittlung eines insgesamt am besten übereinstimmenden Vergleichsverlaufs unmöglich macht, so dass dieser Umstand an einen Benutzer ausgegeben werden kann, wie oben bereits erläutert.
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Liegt der maximale Anteil gleicher Vergleichsergebnisse oberhalb des ersten Schwellwerts, vorliegend mithin oberhalb von 25 %, wird der entsprechende Vergleichsverlauf als Endergebnis definiert. Allerdings ist vorliegend auch ein zweiter Schwellwert definiert, vorliegend 50 %, wobei für zwischen 25 und 50 % liegende maximale Anteile gleicher Vergleichsergebnisse zusätzlich eine Information an einen Benutzer ausgegeben wird, dass gewisse Unsicherheiten aufgrund von Störungen bestehen. Bei einem maximalen Anteil oberhalb des zweiten Schwellwerts, also oberhalb von 50 %, wird diese Warnung nicht mehr ausgegeben.
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In einem optionalen Schritt S6 kann nun der am besten übereinstimmende, im Schritt S5 als Endergebnis bestimmte Vergleichsverlauf genutzt werden, um Zeitpunkte zu identifizieren, an denen Störungen vorliegen könnten. Hierzu wird der Vergleichsverlauf zeitpunktweise mit dem Signalverlauf verglichen. Magnetresonanzsignale, die um mehr als einen Grenzwert vom Vergleichsverlauf abweichen, beispielsweise um mehr als 10 %, deuten auf eine Störung hin, so dass der entsprechende Zeitpunkt in eine Kandidatengruppe aufgenommen wird.
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In einem ebenfalls optionalen Schritt S7 wird überprüft, ob die Untersuchung des Schrittes S6 für hinreichend viele zuerst ausgewertete Pixel durchgeführt wurde, beispielsweise 5 bis 15 Pixel. Ist dies der Fall, wird in einem ebenso dieser optionalen Vorgehensweise zugehörigen Schritt S8 überprüft, ob die in der Kandidatengruppe enthaltenen Zeitpunkte für hinreichend viele Pixel aufgenommen wurden, beispielsweise für wenigstens 80 % der betrachteten Pixel. Nur dann wird der Zeitpunkt in der Kandidatengruppe beibehalten.
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Im Anschluss an den Schritt S8 kann, wie durch den Pfeil 12 angedeutet, die Kandidatengruppe auf unterschiedliche Art und Weise verwendet werden. So kann beispielsweise eine Neudefinition von Untersuchungsverläufen im Schritt S3 unter Weglassen von durch die Kandidatengruppe markierten Zeitpunkten erfolgen; ebenso ist es denkbar, Gewichtungen der Vergleichsergebnisse und/oder sogar bestimmter Zeitpunkte in Abhängigkeit von der Kandidatengruppe in den Schritten S4 und S5 vorzunehmen.
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Werden die optionalen Schritte S6, S7 und S8 genutzt, können nach der Betrachtung der im Beispiel 5 bis 15 Pixel die Schritte S6 und S7 für die weiteren Pixel weggelassen werden; es ist selbstverständlich auch möglich, auch für die weiteren Pixel Störungen zu identifizieren und die Kandidatengruppe weiter zu verfeinern. Insbesondere sind auch Ausgestaltungen denkbar, in denen für alle Pixel die Identifikation in Schritt S6 vorgenommen wird, dann eine Kandidatengruppe für alle Pixel ermittelt wird und eine Neuermittlung unter Berücksichtigung der Zeitpunkte der Kandidatengruppe erfolgt.
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In einem Schritt S9 wird überprüft, ob alle Pixel bearbeitet wurden, wobei dann, wenn dies der Fall ist, in einem Schritt S10 die Ausgabe der Ergebnisse an einen Benutzer erfolgen kann.
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Dabei sind den Vergleichsverläufen jeweils n-Tupel von quantitativen Materialparametern als Ergebniswerte zugeordnet, beispielsweise umfassend Relaxationszeiten und/oder andere Eigenschaften, die durch die Magnetresonanz vermessen werden können. Somit sind jedem Pixel Materialparameter zugeordnet, so dass es mithin möglich ist, unter Zusammenfassung aller Pixel quantitative Materialparameterkarten zu erstellen und im Schritt S10 auszugeben, wie dies im Stand der Technik grundsätzlich bekannt ist.
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4 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzeinrichtung 13. Diese weist, wie grundsätzlich bekannt, eine Hauptmagneteinheit 14 auf, in der eine Patientenaufnahme 15 definiert ist. Die Patientenaufnahme 15 umgebend können eine Hochfrequenzspulenanordnung und eine Gradientenspulenanordnung vorgesehen sein; ein zu untersuchender Patient kann mittels einer hier nicht näher gezeigten Patientenliege in die Patientenaufnahme 15 eingefahren werden. Der Betrieb der Magnetresonanzeinrichtung 13 wird durch eine Steuereinrichtung 16 gesteuert, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist und deren Aufbau genauer durch 5 erläutert wird.
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Gemäß 5 ist in der Steuereinrichtung 16 zunächst die Datenbank 17 mit den für den Abgleich benötigten Vergleichsverläufen gespeichert. Ferner weist die Steuereinrichtung 16, wie grundsätzlich bekannt, eine Sequenzeinheit 18 zur Steuerung des Aufnahmebetriebes auf, insbesondere mithin auch zur Aufnahme der Magnetresonanzbilder mit definierten Magnetresonanzsequenzen zu den jeweiligen Zeitpunkten. Dabei entsprechen die Aufnahmereihenfolge der Magnetresonanzbilder sowie die entsprechend genutzten Aufnahmeparameter denen, die auch zur Herleitung der Vergleichsverläufe der Datenbank 17 verwendet wurden.
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Um zur quantitativen Magnetresonanzbildgebung, hier dem Magnetresonanz-Fingerprinting, aufgenommene Magnetresonanzbilder gemäß dem in 1 gezeigten Verfahren auswerten zu können, weist die Steuereinrichtung 16 ferner eine Definitionseinheit 19 zur Durchführung des Schrittes S3 auf, so dass mithin durch die Definitionseinheit 19 die entsprechend mit der Datenbank 17 abzugleichenden Untersuchungsverläufe definiert werden.
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Der Abgleich mit der Datenbank 17 für jedes Pixel und jedem Untersuchungsverlauf erfolgt dann durch eine Abgleichseinheit 20. Die von der Abgleichseinheit 20 ermittelten Vergleichsergebnisse werden dann, wie beschrieben, an eine Zusammenführungseinheit 21 weitergeleitet, wo aufgrund der genannten Kriterien ein Endergebnis, mithin ein insgesamt am besten übereinstimmender Vergleichsverlauf für dieses Pixel, ermittelt wird. Über eine Ausgabeeinheit 22 können die Endergebnisse, aber auch sonstige genannte Informationen, beispielsweise auch die Nichtermittelbarkeit von am besten übereinstimmenden Vergleichsverläufen, an einen Benutzer ausgegeben werden.
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Sind die bevorzugten, aber optionalen Schritte S6, S7 und S8 vorgesehen, kann die Steuereinrichtung 16 ferner auch eine Identifikationseinheit 23 aufweisen, durch welche, wie beschreiben, Zeitpunkte, an denen eine Störung gegebenenfalls vorlag, identifiziert und als Mitglied der Kandidatengruppe gespeichert und entsprechend weiterverwendet werden.
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Das beschriebene Verfahren kann dabei insbesondere in Form eines Computerprogramms vorliegen, welches das Verfahren auf der Steuereinrichtung 16 implementiert, wenn es in der Steuereinrichtung 16 ausgeführt wird. Grundsätzlich ist es jedoch auch denkbar, Teile des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Hardwarekomponenten umzusetzen. Das Computerprogramm kann auf einem elektronisch lesbaren Datenträger (nicht dargestellt) gespeichert sein, welcher elektronisch lesbare Steuerinformationen enthält, die zumindest das Computerprogramm umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in der Steuereinrichtung 16 der Magnetresonanzeinrichtung 13 ein beschriebenes Verfahren durchführen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
