DE102020212288A1 - Erzeugung von Messdaten aus einem Zielvolumen eines Untersuchungsobjektes mittels einer Magnetresonanzanlage - Google Patents

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Abstract

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erzeugung von Messdaten mittels einer Magnetresonanzanlage liest gewünschten k-Raum in Ausleserichtung in k-Raumzeilen derart aus, dass zumindest eine erste k-Raumzeile der k-Raumzeilen den auszulesenden k-Raum in Ausleserichtung nicht vollständig abdeckt, und zumindest eine zweite k-Raumzeile der k-Raumzeilen den auszulesenden k-Raum an Positionen in Ausleserichtung abdeckt, an welchen die erste k-Raumzeile den auszulesenden k-Raum nicht abdeckt. Hierdurch im k-Raum fehlende Messdaten werden auf Basis von als Messdaten gespeicherten, erfassten Echosignalen ergänzt.Durch ein erfindungsgemäßes Abtasten des k-Raums derart, dass zumindest eine erste k-Raumzeile den k-Raum in Ausleserichtung nicht vollständig abdeckt, wird eine verkürzte Auslesedauer ermöglicht. Dadurch, dass zumindest eine zweite der k-Raumzeilen den k-Raum an Positionen in Ausleserichtung abdeckt, an welchen Messdaten in der ersten k-Raumzeile fehlen, können die als Messdaten gespeicherten erfassten Echosignale genutzt werden, um fehlende Messdaten zu ergänzen. Dadurch kann ein Verlust in der Auflösung von aus den ergänzten Messdaten rekonstruierten Bilddaten vermieden werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Messdaten aus einem Zielvolumen eines Untersuchungsobjektes mittels einer Magnetresonanzanlage mittels asymmetrischer Aufnahme von Echosignalen.
  • 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 als (Echo-)Signale messbaren 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, kurz Gradienten genannt, überlagert. Ein verwendetes Schema, das eine zeitliche Abfolge von einzustrahlenden RF-Pulsen und zu schaltenden Gradienten beschreibt, wird als Pulssequenz(schema), oder auch kurz als Sequenz, bezeichnet. 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 FourierTransformation ein zugehöriges MR-Bild rekonstruierbar.
  • Es gibt viele Anwendungen der Magnetresonanztomographie, in welchen es gewünscht ist, Gewebearten zu unterscheiden.
  • Bei Gewebearten mit unterschiedlicher chemischer Verschiebung resultiert ein unterschiedliches Magnetfeld am Kern, was zu unterschiedlichen Resonanzfrequenzen führt. Dies führt bei der Signalaufnahme zu unterschiedlichen Phasenwinkeln der beiden Komponenten. Die prominentesten Vertreter von zwei verschiedenen Gewebearten im Echosignal sind Fett und Wasser, wobei jedoch auch andere Anwendungen möglich sind. Die Resonanzfrequenzen von Fett und Wasser unterscheiden sich um ca. 3,3 ppm (Parts per Million). Eine Methode zur Trennung der Signale von zwei unterschiedlichen Gewebearten, wie z.B. Fett und Wasser ist, die Ausnutzung der Phaseninformation aufgenommener MR-Signale.
  • Dabei ist es in herkömmlichen Verfahren zum Unterscheiden von wasser- und fettdominierten Geweben üblich, zwei (oder mehr) Echosignale pro Bildpunkt zu erfassen. Bei derartigen Verfahren, welche beispielsweise als so genannte Zwei-Punkt-Dixon-Techniken oder dergleichen bekannt sind, werden pro Bildpunkt ein Echosignal, bei dem eine Phase des Echosignals eines wasserhaltigen Gewebes eine erste Phasenlage gegenüber der Phase des Echosignals eines fetthaltigen Gewebes, z.B. eine gleiche Phase wie die Phase eines Echosignals eines fetthaltigen Gewebes aufweist, und ein Echosignal, bei dem eine Phase eines Echosignals des wasserhaltigen Gewebes eine zweite Phasenlage gegenüber der Phase des Echosignals eines fetthaltigen Gewebes, z.B. entgegengesetzte Phase zu der Phase des Echosignals des fetthaltigen Gewebes aufweist, erfasst. Mit Hilfe der beiden Echosignale pro Bildpunkt ist es dann möglich, wasser- und fettdominierte Gewebe zu unterscheiden.
  • Zwei-Punkt-Dixon-Techniken zur Separation von Fett und Wasseranteilen werden in vielen diagnostischen Fragestellungen eingesetzt, wie etwa der abdominellen und der Mamma-MR-Bildgebung.
  • Allgemein können zur Verkürzung der Aufnahmedauer sogenannte partielle Fourier-Techniken (PF, englisch: „partial fourier“) angewendet werden. Bei PF-Techniken wird üblicherweise nicht der gesamte k-Raum gesampelt, also erfasst, gemessen, abgetastet oder aufgenommen. Ein Beispiel einer entsprechend einer PF-Technik unvollständigen Abtastung eines k-Raums ist in 1 dargestellt, in welchem k-Raumzeilen in Ausleserichtung kx (RO, engl. „readout“) jeweils nur an den schematisch durch Punkte markierten Stellen ausgelesen werden. Dies geschieht für alle Phasenkodierungen (PE, engl. „phase encoding“) in Phasenkodierrichtung ky auf die gleiche Art und Weise. Mit einer solchen Technik wird ein erzeugtes Echosignal somit nicht vollständig, sondern „zu kurz“ (mit einer Auslesedauer, die kleiner als die Dauer des Echosignals ist) und asymmetrisch bezüglich des Zentrums des Echosignals, ausgelesen. Somit wird auch der k-Raum asymmetrisch abgetastet, wobei das k-Raumzentrum (kx=0) vorteilhaft immer mit abgetastet wird. Derartige Aufnahmetechniken werden auch als asymmetrische Aufnahmetechniken bezeichnet.
  • Durch die Verkürzung der Auslesedauer kann, insbesondere bei einer geringen Auslesebandbreite, eine für die Aufnahme der Echosignale anzuwendende Wiederholzeit TR und damit eine insgesamte Dauer einer vollständigen Aufnahme aller gewünschten Echosignale gegenüber konventionellen Methoden reduziert werden. Darüber hinaus kann eine solche Verkürzung der Auslesedauer in Verbindung mit Dixon-Techniken von Vorteil sein, wenn z.B. nur eine kurze Zeitdauer für die Aufnahme eines der beiden in unterschiedlichen Phasenlagen vorliegenden Echosignals zur Verfügung steht, bevor das Echosignal mit der anderen Phasenlage aufzunehmen ist. Dies kann gerade bei Magnetresonanzanlagen mit kleiner Grundmagnetfeldstärke, z.B. kleiner 1 Tesla, der Fall sein, wenn die Echozeit, nach welcher sich das erste gewünschte Echosignal bildet so nah an der Echozeit, nach welcher sich das zweite gewünschte Echosignal bildet, dass ein vollständiges Auslesen beider Echosignale zeitlich nicht ausführbar ist. Wenn gleichzeitig eine geringe Auslesebandbreite angewendet werden soll, z.B. um die Zeit zwischen einer Anregung und der Bildung des Echosignals so gut wie möglich ausnutzen zu können, und/oder um ein erhöhtes Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR, engl. „signal to noise ratio“) zu erreichen, wird die Aufnahmedauer weiter erhöht, sodass es attraktiver wird eine verkürzte Aufnahmedauer anzuwenden.
  • Zum Auffüllen des mit einer verkürzten Aufnahmedauer nicht gemessenen Teils des k-Raums werden unterschiedliche Rekonstruktionsmethoden angewendet. Bei einer als „zero-filling“ bezeichneten Methode werden nicht gesampelte Bereiche des k-Raums durch Nullen oder Nullwerte aufgefüllt. Dies ist eine sehr einfache Methode, führt in der Regel jedoch zu einer zusätzlichen oder vergrößerten Unschärfe, und damit einer verringerten Auflösung in dem resultierenden Magnetresonanzbild im Vergleich zu Bildgebungstechniken, welche den gesamten k-Raum erfassen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Erzeugung von Messdaten mittels einer Magnetresonanzanlage mit kurzen Auslesedauern und mit hoher Bildauflösung zu ermöglichen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erzeugung von Messdaten eines Untersuchungsobjektes mittels einer Magnetresonanzanlage gemäß Anspruch 1, eine Magnetresonanzanlage gemäß Anspruch 12, ein Computerprogramm gemäß Anspruch 13, sowie einen elektronisch lesbaren Datenträger gemäß Anspruch 14.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erzeugung von Messdaten aus einem Zielvolumen eines Untersuchungsobjektes mittels einer Magnetresonanzanlage, umfasst die Schritte:
    • - Auslesen eines dem Zielvolumen entsprechenden k-Raums zur Aufnahme eines Satzes an Messdaten, umfassend die Schritte:
      1. a) Einstrahlen mindestens eines RF-Anregungspulses zur Anregung von Spins in einem Zielvolumen des Untersuchungsobjektes,
      2. b) Schalten von Gradienten zur Ortskodierung und/oder Manipulation der angeregten Spins derart, dass durch eingestrahlte RF-Pulse und geschaltete Gradienten erzeugte Echosignale entlang von k-Raumzeilen ausgelesen werden können,
      3. c) Aufnehmen von Echosignalen und Speichern dieser als Messdaten entlang der durch die geschalteten Gradienten vorgegebenen in Ausleserichtung verlaufenden k-Raumzeilen, wobei zumindest eine erste k-Raumzeile der k-Raumzeilen, entlang derer Echosignale aufgenommen und als Messdaten gespeichert werden, den auszulesenden k-Raum in Ausleserichtung nicht vollständig abdeckt, sodass der Satz an gespeicherten Messdaten unvollständig ist, und zumindest eine zweite k-Raumzeile der k-Raumzeilen, entlang derer Echosignale aufgenommen und als Messdaten gespeichert werden, den auszulesenden k-Raum an Positionen in Ausleserichtung abdeckt, an welchen die erste k-Raumzeile den auszulesenden k-Raum nicht abdeckt,
    • - Ergänzen fehlender Messdaten in dem unvollständigen Satz an Messdaten auf Basis von Messdaten aufgenommener Echosignale, sodass ein vollständiger Satz an ergänzten Messdaten entsteht,
    • - Rekonstruieren von Bilddaten (BD) auf Basis des Satzes an ergänzten Messdaten.
  • Durch ein erfindungsgemäßes Abtasten des k-Raums derart, dass zumindest eine erste k-Raumzeile den k-Raum in Ausleserichtung nicht vollständig abdeckt, wird eine verkürzte Auslesedauer ermöglicht. Dadurch, dass zumindest eine zweite der k-Raumzeilen den k-Raum an Positionen in Ausleserichtung abdeckt, an welchen Messdaten in der ersten k-Raumzeile fehlen, können die als Messdaten gespeicherten erfassten Echosignale genutzt werden, um in k-Raumzeilen fehlende Messdaten zu ergänzen. Dadurch kann ein Verlust in der Auflösung von aus den ergänzten Messdaten rekonstruierten Bilddaten vermieden werden.
  • Eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage umfasst eine Magneteinheit, eine Gradienteneinheit, eine Hochfrequenz-einheit und eine zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Steuereinrichtung mit einer Abdeckungsbestimmungseinheit.
  • Ein erfindungsgemäßes Computerprogramm implementiert ein erfindungsgemäßes Verfahren auf einer Steuereinrichtung, wenn es auf der Steuereinrichtung ausgeführt wird.
  • Das Computerprogramm kann hierbei auch in Form eines Computerprogrammprodukts vorliegen, welches direkt in einen Speicher einer Steuereinrichtung ladbar ist, mit Programmcode-Mitteln, um ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen, wenn das Computerprogrammprodukt in der Recheneinheit des Rechensystems 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 erfindungsgemäßes Verfahren durchführen.
  • Die in Bezug auf das Verfahren angegebenen Vorteile und Ausführungen gelten analog auch für die Magnetresonanzanlage, das Computerprogrammprodukt 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 auf-geführten Beispiele stellen keine Beschränkung der Erfindung dar. Es zeigen:
    • 1 ein Beispiel einer entsprechend einer PF-Technik unvollständigen Abtastung eines k-Raums,
    • 2 ein schematisches Ablaufdiagram eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • 3 ein Beispiel einer entsprechend einem erfindungsgemäßen Verfahren unvollständigen Abtastung eines k-Raums,
    • 4 eine schematisch dargestellte Gegenüberstellung von Beispielen von zu schaltenden Gradienten in Ausleserichtung wie sie für ein erfindungsgemäßes Verfahren eingesetzt werden können,
    • 5 schematisch dargestellte Teile eines beispielhaften Pulssequenzschemas wie sie für ein erfindungsgemäßes Verfahren eingesetzt werden können,
    • 6 eine schematisch dargestellte erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage.
  • 2 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Messdaten aus einem Zielvolumen eines Untersuchungsobjektes mittels einer Magnetresonanzanlage.
  • Ein dem Zielvolumen entsprechender k-Raum wird zur Aufnahme eines Satzes an Messdaten MD* abgetastet (Block 201). Dazu wird mindestens eines RF-Anregungspuls zur Anregung von Spins in ein Zielvolumen des Untersuchungsobjektes eingestrahlt. Dies kann auf bekannte Art und Weise erfolgen. Es werden die zur Ortskodierung und/oder Manipulation der angeregten Spins zu schaltenden Gradienten derart geschaltet, dass durch eingestrahlte RF-Pulse und geschaltete Gradienten erzeugte Echosignale entlang von k-Raumzeilen ausgelesen werden können. Entlang der durch die geschalteten Gradienten vorgegebenen in Ausleserichtung verlaufenden k-Raumzeilen werden Echosignale aufgenommen und als Messdaten MD* gespeichert. Hierbei deckt zumindest eine erste k-Raumzeile der k-Raumzeilen, entlang derer Echosignale aufgenommen und als Messdaten MD* gespeichert werden, den auszulesenden k-Raum in Ausleserichtung nicht vollständig ab, sodass der Satz an gespeicherten Messdaten MD* unvollständig ist. Weiterhin deckt zumindest eine zweite k-Raumzeile der k-Raumzeilen, entlang derer Echosignale aufgenommen und als Messdaten MD* gespeichert werden, den auszulesenden k-Raum an Positionen in Ausleserichtung ab, an welchen die erste k-Raumzeile den auszulesenden k-Raum nicht abdeckt.
  • Beispiele für eine derartige Abdeckung des auszulesenden k-Raums werden weiter unten mit Bezug auf die 3 bis 5 ausgeführt.
  • Fehlende Messdaten in dem unvollständigen Satz an Messdaten MD* werden auf Basis von Messdaten MD* aufgenommener Echosignale ergänzt, sodass ein vollständiger Satz an ergänzten Messdaten MD entsteht (Block 203).
  • Auf Basis des Satzes an ergänzten Messdaten können Bilddaten BD rekonstruiert werden (Block 205).
  • Die Bilddaten BD und/oder die Messdaten MD* und/oder die ergänzten Messdaten MD können z.B. in einem Speicher einer Magnetresonanzanlage gespeichert und/oder auf einer Ein-/Ausgabeeinrichtung E/A der Magnetresonanzanlage angezeigt werden.
  • 3 zeigt ein Beispiel einer entsprechend einem erfindungsgemäßen Verfahren unvollständigen Abtastung eines k-Raums. Analog zu 1 werden k-Raumzeilen in Ausleserichtung kx (RO, engl. „readout“) jeweils nur an den schematisch durch Punkte markierten Stellen ausgelesen. In dem dargestellten Beispiel geschieht dies für jede zweite Phasenkodierung (PE, engl. „phase encoding“) in Phasenkodierrichtung ky, d.h. für jede zweite k-Raumzeile (z.B. jede mit B markierte k-Raumzeile oder jede mit C markierte k-Raumzeile) auf die gleiche Art und Weise, jedoch für benachbarte k-Raumzeilen auf unterschiedliche Art und Weise.
  • Das dargestellte Beispiel zeigt somit ein mögliches asymmetrisches Abtastschema, das von k-Raumzeile zu k-Raumzeile alternierend um das k-Raumzentrum in Ausleserichtung kx=0 nach rechts und links verschoben den k-Raum abtastet.
  • Allgemein können die verwendeten k-Raumzeilen, entlang derer Echosignale aufgenommen und als Messdaten gespeichert werden, den aufzunehmenden k-Raum in Ausleserichtung asymmetrisch (bzgl. des k-Raumzentrums in Ausleserichtung, d.h. der zentralen k-Raumposition in Ausleserichtung kx=0) abdecken.
  • Dabei können, wie auch in dem gezeigten Beispiel, in Phasenkodierrichtung nebeneinanderliegende k-Raumzeilen, entlang derer Echosignale aufgenommen und als Messdaten gespeichert werden, den aufzunehmenden k-Raum in Ausleserichtung abwechselnd asymmetrisch vor (C) und nach (B) dem k-Raumzentrum in Ausleserichtung abdecken.
  • Jede k-Raumzeile, entlang derer Echosignale aufgenommen und als Messdaten gespeichert werden, deckt hierbei den in Ausleserichtung zentralen Bereich des auszulesenden k-Raums (kx=0) ab. Somit wird der k-Raum in Phasenkodierrichtung ky alternierend asymmetrisch abgetastet, wobei das k-Raumzentrum (kx=0) vorteilhaft immer mit abgetastet wird, da das k-Raumzentrum für den Kontrast der aus den Messdaten rekonstruierten Bilddaten maßgebend ist.
  • Es ist möglich, dass, wie auch in dem dargestellten Beispiel, alle k-Raumzeilen, entlang derer Echosignale aufgenommen und als Messdaten gespeichert werden, in Ausleserichtung den auszulesenden k-Raums unvollständig abdecken. Es ist jedoch auch denkbar, das zumindest eine k-Raumzeile in Ausleserichtung den k-Raum vollständig abdeckt (nicht in 3 dargestellt), indem die Aufnahme der Echosignale als Messdaten über die gesamte Länge derjenigen k-Raumzeile im gewünschten k-Raum erfolgt.
  • Allgemein kann hierbei derart vorgegangen werden, dass in Phasenkodierrichtung nebeneinanderliegende k-Raumzeilen, entlang derer Echosignale aufgenommen und als Messdaten gespeichert werden, den aufzunehmenden k-Raum in Ausleserichtung nicht in der gleichen Weise abdecken. Neben dem bereits beschriebenen Beispiel einer alternierenden Verschiebung der Abdeckung in Ausleserichtung sind z.B. auch eine Änderung der Auslesedauer und damit der Anzahl der in einer k-Raumzeile aufgenommenen k-Raumpunkte und/oder eine andere Art der Verschiebung der angewandten Asymmetrie, z.B. eine Verschiebung in mehr als zwei Stufen, denkbar.
  • Dabei kann einerseits derart vorgegangen werden, dass in Phasenkodierrichtung nebeneinanderliegende k-Raumzeilen, entlang derer Echosignale aufgenommen und als Messdaten gespeichert werden, den aufzunehmenden k-Raum einem regelmäßigen Muster folgend in Ausleserichtung nicht in der gleichen Weise abdecken, wie es auch in dem in 3 gezeigten Beispiel der Fall ist, in dem regelmäßig k-Raumpunkte in jeder zweiten k-Raumzeile nicht aufgenommen werden. Dadurch sind die fehlenden Messdaten von nicht aufgenommenen k-Raumpunkten gleichmäßig im k-Raum verteilt.
  • Es kann aber andererseits auch derart vorgegangen werden, dass in Phasenkodierrichtung nebeneinanderliegende k-Raumzeilen, entlang derer Echosignale aufgenommen und als Messdaten gespeichert werden, den aufzunehmenden k-Raum möglichst inkohärent in Ausleserichtung nicht in der gleichen Weise abdecken. Dies kann z.B. durch eine oben bereits beschriebene größere Variation in der Art und Weise wie die einzelnen k-Raumzeilen in Ausleserichtung abgetastet werden, erreicht werden. Dadurch sind die fehlenden Messdaten von nicht aufgenommenen k-Raumpunkten inkohärent im k-Raum verteilt.
  • Mit Hilfe einer parallelen Akquisitionstechnik oder einer iterativen Rekonstruktionstechnik können bei einem solchen Aufnahmeschema nicht aufgenommene Messdaten, unter anderem mit Hilfe der aufgenommenen Messdaten benachbarter k-Raumzeilen, ergänzt werden, wodurch eine Auflösung von aus den ergänzten Messdaten rekonstruierten Bilddaten keine Einbußen gegenüber Aufnahmetechniken ohne Verkürzung von Auslesedauern haben muss.
  • Als parallele Akquisitionstechniken (PAT), mit welchen fehlende Messdaten ergänzt werden können, kommen beispielsweise GRAPPA („GeneRalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisition“) oder SENSE („Sensitivity Encoding“) in Betracht, bei denen mit Hilfe von mehreren RF-Spulen nur eine gemäß dem Nyquist-Theorem im k-Raum unterabgetastete Anzahl an Messdaten aufgenommen werden. Die fehlenden Messdaten nicht abgetasteter k-Raumpunkte werden hierbei auf Basis von Sensitivitätsdaten der verwendeten RF-Spulen und in einem Teilbereich des eigentlich für die Messung abzutastenden k-Raums vollständig gemäß Nyquist abgetasteten, Kalibrierungsdaten aus den gemessenen Messdaten ergänzt.
  • Hierbei können im zentralen aufzunehmenden k-Raum gespeicherte Messdaten aufgenommener Echosignale als Kalibrierungsdaten für die parallele Akquisitionstechnik genutzt werden. Somit kann eine weitere Aufnahme von Kalibrierungsdaten entfallen. Eine parallele Akquisitionstechnik eignet sich besonders für eine Ergänzung von fehlenden Messdaten nicht aufgenommener k-Raumpunkte, welche auf eine oben beschriebene Weise gleichmäßig, insbesondere nur in Randbereichen in Ausleserichtung, im aufzunehmenden k-Raum verteilt sind.
  • Es ist weiterhin denkbar, dass auch in Phasenkodierrichtung eine Unterabtastung angewendet wird, indem beispielsweise jede zweite Phasenkodierung gar nicht aufgenommen wird, und in den k-Raumzeilen der verbleibenden Phasenkodierungen ein hierin beschriebenes Abtastschema angewendet wird. Auf diese Weise kann ein abzutastender k-Raum in den in Ausleserichtung liegenden Randbereichen stärker unterabgetastet werden als in zentralen Bereichen. Fehlende Messdaten können auch hier mittels paralleler Akquisitionstechniken, wobei in den Randbereichen ein höherer PAT-Faktor vorliegt als in den zentralen Bereichen, oder mittels iterativer Rekonstruktionstechniken ergänzt werden.
  • Als iterative Rekonstruktionstechniken, mit welchen fehlende Messdaten ergänzt werden können, kommen insbesondere sogenannte Compressed Sensing Techniken in Betracht. Dabei wird unter Compressed Sensing bzw. komprimiertem Abtasten eine statistische Technik zur Datenerfassung verstanden, welche darauf abzielt, nur vergleichsweise wenige Messpunkte im k-Raum, abzutasten. Trotzdem können dann diese spärlich im k-Raum erfassten Messwerte unter bestimmten Bedingungen nahezu die vollständige Information wiedergeben, welche ohne das komprimierte Abtasten nur durch ein Erfassen aller Messpunkte im k-Raum rekonstruiert werden kann. Ein Signalmodel der zu den erfassten Echosignalen gespeicherten Messdaten ist bekannt und kann für eine iterative Rekonstruktionstechnik verwendet werden.
  • Auf eine oben beschriebene Weise inkohärent im aufzunehmenden k-Raum verteilte fehlenden Messdaten nicht aufgenommener k-Raumpunkte lassen sich mit besonders vorteilhaft mit iterativen Rekonstruktionstechniken ergänzen.
  • 4 zeigt eine schematisch dargestellte Gegenüberstellung von Beispielen von zu schaltenden Gradienten in Ausleserichtung wie sie für ein erfindungsgemäßes Verfahren eingesetzt werden können.
  • Die gezeigten Beispiele A, B und C zeigen hierbei jeweils schematisch in Ausleserichtung GR zu schaltende Gradienten, die jeweils ein Gradientenecho E erzeugen, und den k-Raum in Ausleserichtung entlang von k-Raumzeilen abtasten. Weitere in Phasenkodierrichtung und ggf. Schichtselektionsrichtung zu schaltenden Gradienten sowie einzustrahlende RF-Pulse sind grundsätzlich bekannt und daher der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
  • Dabei ist in Beispiel A eine symmetrische, insbesondere vollständige, Aufnahme des erzeugten Gradientenechos dargestellt. Die Auslesedauer ROA erstreckt sich entsprechend symmetrisch vor und nach dem Echozeitpunkt E. Im k-Raum entspricht Beispiel A einer Abtastung einer vollständigen k-Raumzeile.
  • Im Gegensatz dazu ist in den Beispielen B und C jeweils eine asymmetrische und unvollständige Aufnahme des jeweiligen Gradientenechos dargestellt. Die jeweiligen Auslesedauern ROB und ROC sind kürzer als die Auslesedauer ROA in Beispiel A.
  • Bei Beispiel B wird vor dem Echozeitpunkt E kürzer als nach dem Echozeitpunkt E aufgenommen, sodass im k-Raum eine k-Raumzeile abgetastet wird, die rechts von dem in Ausleserichtung zentralen k-Raumpunkt kx=0 weniger k-Raumpunkte abtastet als links von kx=0. Eine in 3 mit B bezeichnete k-Raumzeile kann auf diese Weise abgetastet werden.
  • Bei Beispiel C wird vor dem Echozeitpunkt E länger als nach dem Echozeitpunkt E aufgenommen, sodass im k-Raum eine k-Raumzeile abgetastet wird, die rechts von dem in Ausleserichtung zentralen k-Raumpunkt kx=0 mehr k-Raumpunkte abtastet als links von kx=0. Eine in 3 mit C bezeichnete k-Raumzeile kann auf diese Weise abgetastet werden.
  • Werden k-Raumzeilen abwechselnd mit Auslesegradienten gemäß den Beispielen B und C für nebeneinanderliegende Phasenkodierungen angewandt, erhält man ein Abtastschema, wie es in 3 dargestellt ist.
  • Bei Aufnahmen gemäß Beispiel B ist die Echozeit nach welcher sich das Gradientenecho bildet kürzer als bei Aufnahmen gemäß Beispiel C (der Echozeitpunkt E lieg in Beispiel B näher an dem dargestellten Gradienten mit negativer Polarität als in Beispiel C). Eine Aufnahme mit unterschiedlichen Echozeiten für verschiedene Phasenkodierungen kann für bestimmte Anwendungen unerwünscht sein, da sich z.B. der resultierende Kontrast ändern kann. Um dies zu vermeiden, ist es denkbar in in Phasenkodierrichtung nebeneinanderliegenden k-Raumzeilen abwechselnd Messdaten gemäß Beispiel A und Beispiel C aufzunehmen, welche dieselbe Echozeit aufweisen. Ein entsprechendes Abtastschema des k-Raums ergäbe sich, wenn in 3 die mit B markierten k-Raumzeilen durch vollständige k-Raumzeilen ersetzt würden. Auf diese Weise wird zumindest für die asymmetrisch (gemäß Beispiel C) aufgenommenen k-Raumzeilen eine Verkürzung der Auslesedauer und damit der insgesamt nötigen Messzeit erzielt.
  • 5 zeigt schematisch dargestellte Teile eines weiteren beispielhaften Pulssequenzschemas wie sie für ein erfindungsgemäßes Verfahren eingesetzt werden können. In dem in 5 gezeigten Beispiel werden Echosignale durch Einstrahlen eines RF-Anregungspulses RF1 und eines RF-Refokussierungspulses RF2 erzeugt. Beispielsweise im Rahmen eines Dixon-Verfahrens wird nach einer ersten Echozeit TE1 nach dem RF-Refokussierungspuls RF2 ein erstes Echosignal E1 und nach einer zweiten Echozeit TE2 ein zweites Echosignal E2 erzeugt. Der Unterschied ΔTE12 zwischen der ersten Echozeit TE1 und der zweiten Echozeit TE2 hängt wie oben ausgeführt unter anderem von der chemischen Verschiebung zweier mit der Dixon-Technik aufzunehmender Substanzen ab.
  • Mögliche zu schaltende Gradienten in Ausleserichtung GR sind für verschiedene Phasenkodierungen PE und PE' in den unteren beiden Zeilen in 5 angegeben.
  • In dem Beispiel mit Phasenkodierung PE wird während des gesamten ersten Echosignals E1 symmetrisch ein Auslesegradient der Auslesedauer RO1A geschaltet. Auf diese Weise kann eine k-Raumzeile vollständig abgetastet werden. Das zweite Echosignal E2 wird jedoch unter Schalten eines asymmetrischen Auslesegradienten mit einer verkürzten Auslesedauer RO2c und damit entlang einer asymmetrischen, nicht vollständig abgetasteten (beispielsweise eine einer mit C markierten k-Raumzeile aus 3 entsprechenden) k-Raumzeile ausgelesen. Auf diese Weise kann nach Abschluss des Auslesegradienten mit der Dauer RO2c schneller weitere Gradienten geschaltet und/oder RF-Pulse eingestrahlt werden, z.B. um die zu untersuchenden Spins weiter zu manipulieren (z.B. für eine Zerstörung unerwünschter Signale).
  • In dem Beispiel mit Phasenkodierung PE' wird während des gesamten zweiten Echosignals E2 symmetrisch ein Auslesegradient der Auslesedauer RO2A geschaltet. Auf diese Weise kann eine k-Raumzeile vollständig abgetastet werden. Das erste Echosignal E1 wird jedoch unter Schalten eines asymmetrischen Auslesegradienten mit einer verkürzten Auslesedauer RO1B und damit entlang einer asymmetrischen, nicht vollständig abgetasteten (beispielsweise eine einer mit B markierten k-Raumzeile aus 3 entsprechenden) k-Raumzeile ausgelesen. Auf diese Weise bleibt vor dem Beginn des Auslesegradienten mit der Dauer RO1B mehr Zeit, um weitere Gradienten zu schalten und/oder RF-Pulse einzustrahlen, z.B. um die zu untersuchenden Spins weiter zu manipulieren (z.B. für eine Sättigung zur Vermeidung unerwünschter Signale).
  • Werden beispielsweise die für eine gewünschte Messung aufzunehmenden k-Raumzeilen abwechselnd mit Auslesegradienten wie sie für eine Phasenkodierung PE und mit Auslesegradienten wie sie für eine Phasenkodierung PE' gezeigt sind, aufgenommen, erhält man sowohl für das erste Echo E1 als auch für das zweite Echo E2 einen k-Raum dessen k-Raumzeilen abwechselnd vollständig und asymmetrisch unvollständig abgetastet werden, wobei die fehlenden Messdaten wie bereits beschrieben ergänzt werden können.
  • Viele weitere Varianten zur Abtastung des k-Raums mit zumindest einer asymmetrischen und unvollständigen Abtastung einer k-Raumzeile sind im Rahmen des vorgestellten Verfahrens denkbar.
  • 6 stellt schematisch eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage 1 dar. Diese umfasst eine Magneteinheit 3 zur Erzeugung des Grundmagnetfeldes, eine Gradienteneinheit 5 zur Erzeugung der Gradientenfelder, eine Hochfrequenzeinheit 7 zur Einstrahlung und zum Empfang von Hochfrequenzsignalen und eine zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Steuereinrichtung 9.
  • In der 6 sind diese Teileinheiten der Magnetresonanzanlage 1 nur grob schematisch dargestellt. Insbesondere kann die Hochfrequenzeinheit 7 aus mehreren Untereinheiten, beispielsweise aus mehreren Spulen wie den schematisch gezeigten Spulen 7.1 und 7.2 oder mehr Spulen bestehen, die entweder nur zum Senden von Hochfrequenzsignalen oder nur zum Empfangen der ausgelösten Hochfrequenzsignale oder für beides ausgestaltet sein können.
  • Zur Untersuchung eines Untersuchungsobjektes U, beispielsweise eines Patienten oder auch eines Phantoms, kann dieses auf einer Liege L in die Magnetresonanzanlage 1 in deren Messvolumen eingebracht werden. Die Schicht oder der Slab Si stellt ein exemplarisches Zielvolumen des Untersuchungsobjekts dar, aus dem Daten aufgenommen und als Messdaten erfasst werden sollen.
  • Die Steuereinrichtung 9 dient der Steuerung der Magnetresonanzanlage 1 und kann insbesondere die Gradienteneinheit 5 mittels einer Gradientensteuerung 5' und die Hochfrequenzeinheit 7 mittels einer Hochfrequenz-Sende-/Empfangs-Steuerung 7' steuern. Die Hochfrequenzeinheit 7 kann hierbei mehrere Kanäle umfassen, auf denen Signale gesendet oder empfangen werden können.
  • Die Hochfrequenzeinheit 7 ist zusammen mit ihrer Hochfrequenz-Sende-/Empfangs-Steuerung 7' für die Erzeugung und das Einstrahlen (Senden) eines Hochfrequenz-Wechselfeldes zur Manipulation der Spins in einem zu manipulierenden Bereich (beispielsweise in zu messenden Schichten S) des Untersuchungsobjekts U zuständig. Dabei wird die Mittenfrequenz des, auch als B1-Feld bezeichneten, Hochfrequenz-Wechselfeldes in aller Regel möglichst so eingestellt, dass sie nahe der Resonanzfrequenz der zu manipulierenden Spins liegt. Abweichungen von der Mittenfrequenz von der Resonanzfrequenz werden als Off-Resonanz bezeichnet. Zur Erzeugung des B1-Feldes werden in der Hochfrequenzeinheit 7 mittels der Hochfrequenz-Sende-/Empfangs-Steuerung 7' gesteuerte Ströme an den HF-Spulen angelegt.
  • Weiterhin umfasst die Steuereinrichtung 9 eine Abdeckungsbestimmungseinheit 15, mit welcher für eine erfindungsgemäße Abtastung des k-Raums bei der Erfassung von Echosignalen zu Schaltenden Gradienten bestimmt werden können, die durch die Gradientensteuerung 5' umgesetzt werden können. Die Steuereinrichtung 9 ist insgesamt dazu ausgebildet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
  • Eine von der Steuereinrichtung 9 umfasste Recheneinheit 13 ist dazu ausgebildet alle für die nötigen Messungen und Bestimmungen nötigen Rechenoperationen auszuführen. Hierzu benötigte oder hierbei ermittelte Zwischenergebnisse und Ergebnisse können in einer Speichereinheit S der Steuereinrichtung 9 gespeichert werden. Die dargestellten Einheiten sind hierbei nicht unbedingt als physikalisch getrennte Einheiten zu verstehen, sondern stellen lediglich eine Untergliederung in Sinneinheiten dar, die aber auch z.B. in weniger oder auch in nur einer einzigen physikalischen Einheit realisiert sein können.
  • Über eine Ein-/Ausgabeeinrichtung E/A der Magnetresonanzanlage 1 können, z.B. durch einen Nutzer, Steuerbefehle an die Magnetresonanzanlage geleitet werden und/oder Ergebnisse der Steuereinrichtung 9 wie z.B. Bilddaten angezeigt werden.
  • Ein hierin beschriebenes Verfahren kann auch in Form eines Computerprogrammprodukts vorliegen, welches ein Programm umfasst und das beschriebene Verfahren auf einer Steuereinrichtung 9 implementiert, wenn es auf der Steuereinrichtung 9 ausgeführt wird. Ebenso kann ein elektronisch lesbarer Datenträger 26 mit darauf gespeicherten elektronisch lesbaren Steuerinformationen vorliegen, welche zumindest ein solches eben beschriebenes Computerprogrammprodukt umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers 26 in einer Steuereinrichtung 9 einer Magnetresonanzanlage 1 das beschriebene Verfahren durchführen.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Erzeugung von Messdaten aus einem Zielvolumen eines Untersuchungsobjektes mittels einer Magnetresonanzanlage, umfassend die Schritte: - Auslesen eines dem Zielvolumen entsprechenden k-Raums zur Aufnahme eines Satzes an Messdaten, umfassend die Schritte: a) Einstrahlen mindestens eines RF-Anregungspulses zur Anregung von Spins in einem Zielvolumen des Untersuchungsobjektes, b) Schalten von Gradienten zur Ortskodierung und/oder Manipulation der angeregten Spins derart, dass durch eingestrahlte RF-Pulse und geschaltete Gradienten erzeugte Echosignale entlang von k-Raumzeilen ausgelesen werden können, c) Aufnehmen von Echosignalen und Speichern dieser als Messdaten entlang der durch die geschalteten Gradienten vorgegebenen in Ausleserichtung verlaufenden k-Raumzeilen, wobei zumindest eine erste k-Raumzeile der k-Raumzeilen, entlang derer Echosignale aufgenommen und als Messdaten gespeichert werden, den auszulesenden k-Raum in Ausleserichtung nicht vollständig abdeckt, sodass der Satz an gespeicherten Messdaten unvollständig ist, und zumindest eine zweite k-Raumzeile der k-Raumzeilen, entlang derer Echosignale aufgenommen und als Messdaten gespeichert werden, den auszulesenden k-Raum an Positionen in Ausleserichtung abdeckt, an welchen die erste k-Raumzeile den auszulesenden k-Raum nicht abdeckt, - Ergänzen fehlender Messdaten in dem unvollständigen Satz an Messdaten auf Basis von Messdaten aufgenommener Echosignale, sodass ein vollständiger Satz an ergänzten Messdaten entsteht, - Rekonstruieren von Bilddaten (BD) auf Basis des Satzes an ergänzten Messdaten.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei jede k-Raumzeile, entlang derer Echosignale aufgenommen und als Messdaten gespeichert werden, den in Ausleserichtung zentralen Bereich des auszulesenden k-Raums abdeckt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei k-Raumzeilen, entlang derer Echosignale aufgenommen und als Messdaten gespeichert werden, den aufzunehmenden k-Raum in Ausleserichtung asymmetrisch abdecken.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei in Phasenkodierrichtung nebeneinanderliegende k-Raumzeilen, entlang derer Echosignale aufgenommen und als Messdaten gespeichert werden, den aufzunehmenden k-Raum in Ausleserichtung abwechselnd asymmetrisch vor und nach dem k-Raumzentrum in Ausleserichtung abdecken.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei alle k-Raumzeilen, entlang derer Echosignale aufgenommen und als Messdaten gespeichert werden, in Ausleserichtung den auszulesenden k-Raums unvollständig abdecken.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Phasenkodierrichtung nebeneinanderliegende k-Raumzeilen, entlang derer Echosignale aufgenommen und als Messdaten gespeichert werden, den aufzunehmenden k-Raum in Ausleserichtung nicht in der gleichen Weise abdecken.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Phasenkodierrichtung nebeneinanderliegende k-Raumzeilen, entlang derer Echosignale aufgenommen und als Messdaten gespeichert werden, den aufzunehmenden k-Raum einem regelmäßigen Muster folgend in Ausleserichtung nicht in der gleichen Weise abdecken.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in Phasenkodierrichtung nebeneinanderliegende k-Raumzeilen, entlang derer Echosignale aufgenommen und als Messdaten gespeichert werden, den aufzunehmenden k-Raum möglichst inkohärent in Ausleserichtung nicht in der gleichen Weise abdecken.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei fehlende Messdaten mittels einer parallelen Akquisitionstechnik (PAT) ergänzt werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei im zentralen aufzunehmenden k-Raum gespeicherte Messdaten aufgenommener Echosignale als Kalibrierungsdaten für die parallele Akquisitionstechnik genutzt werden.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei fehlende Messdaten mittels einer iterativen Rekonstruktionstechnik, wie z.B. einer Compressed-Sensing (CS)-Technik, ergänzt werden.
  12. Magnetresonanzanlage (1) umfassend, eine Magneteinheit (3), eine Gradienteneinheit (5), eine Hochfrequenzeinheit (7) und eine Steuereinrichtung (9) mit einer Hochfrequenz-Sende-/Empfangs-Steuerung (7') und mit einer Abdeckungsbestimmungseinheit (15), wobei die Steuereinrichtung (9) dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auf der Magnetresonanzanlage (1) auszuführen.
  13. Computerprogramm, welches direkt in einen Speicher einer Steuereinrichtung (9) einer Magnetresonanzanlage (1) ladbar ist, mit Programm-Mitteln, um die Schritte des Ver-fahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen, wenn das Programm in der Steuereinrichtung (9) der Magnetresonanzanlage (1) ausgeführt wird.
  14. Elektronisch lesbarer Datenträger mit darauf gespeicherten elektronisch lesbaren Steuerinformationen, welche zumindest ein Computerprogramm nach Anspruch 13 umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in einer Steuereinrichtung (9) einer Magnetresonanzanlage (1) ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchführen.
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