CN1539373A - 考虑设备和患者特定边界值的实时控制最佳核磁共振成像 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在考虑设备和患者特定的边界值的情况下实施控制最优化的磁共振成像的方法，具有以下步骤：将测量软件加载到设备计算机中(S1)；借助监控软件估计(S3)(S4)，利用用户采用的测量软件配置(S2)是否可能在随后的测量中超过关键参数的边界值；在获得正面的估计结果时启动测量(S6)；在考虑关键参数的当前值的情况下，通过测量软件计算用于测量的时间片段(S10)；发送时间片段(S15)；重复上述计算和发送时间片段的步骤，直到测量结束(S12)，其中所述最后三个步骤实时地进行。
Description
技术领域
本发明一般地涉及如在医学中用于检查患者的核自旋断层造影(同义词：核磁共振断层造影，MRT)。在此，本发明尤其涉及一种在考虑设备和患者特定边界值的条件下对核磁共振成像进行实时控制最优化的方法。
背景技术
MRT基于核自旋共振的物理现象，15年多来作为成像方法成功地应用于医疗和生物物理学中。在这种检查方法中对物体施加一个强的稳定磁场。由此使物体内先前无规律取向的核自旋定向。此时高频波可以将该“定向”的核自旋激励为确定的振动。该振动在MRT中产生实际测量信号，该信号可以借助合适的接收线圈获得。其中，通过采用由梯度线圈产生的非均匀磁场，可以在所有三个空间方向对测量物体进行空间编码。该方法允许自由选择待成像的断层，由此可以获得所有方向的人体截面图像。在医疗诊断中作为截面成像方法的MRT，首先作为“非入侵”的检查方法通过多方面的对比能力显得尤为突出。在此，MRT已发展为一种胜过X射线计算机断层造影(CT)数倍的方法。
一般以选择特定的成像序列(如涡轮自旋回波TSE、半傅立叶获得性单射涡轮自旋回波HASTE等等)来开始MRT测量，并确定标志该序列特性的参数(如分辨率、测量场大小即视场FOV、断层数、重复时间TR、回波时间TE、翻转角度α、HF激励脉冲的宽度等等)。各成像序列的参数(也称为“测量记录”)由相应的软件建议，但也可以通过与系统控制装置或设备计算机(参见后面对图1的描述)相连的用户界面，由用户输入或更改。通常，在屏幕上设置为屏保的用户界面具有窗口，各参数的数值通过键盘显示或输入到该窗口中。如果这样的窗口具有虚拟的滑块，则可以通过改滑块一般用鼠标调整所述数值。
一般由于物理技术条件对成像序列进行不同的限制，因此可能不能实施通过相应参数计划的测量记录。这总的来有
a)HF发送器的有限效率，
b)各梯度放大器的有限效率，
c)可能情况下梯度改变率引起的令人疼痛的刺激导致的限制，以及
d)待检查患者的有限的特定吸收率(SAR)。
尤其是在自旋回波或多回波重聚焦MR序列(TSE、HASTE等等)中，a)的d)的限制尤其关键。
这种TSE序列的结构在图2A中示意性示出。激励、重聚焦、频率和相位编码和在普通的自旋回波序列中相同。不同之处在于，在读出回波之后重新聚焦相位编码，并在每下个180°脉冲之后采用一个新的相位编码步骤。由此，对于每次通过90°HF激励脉冲的激励都测量多次相位编码的回波。其中所采用的回波数与测量时间缩短成正比。如果TSE技术与半傅立叶技术结合，则称为HASTE序列。
如果在进行两个提到的序列(TSE、HASTE)期间90°激励脉冲入射到患者体内的HF能量辐射比例很小，则每个180°重聚焦脉冲意味着患者体内吸收的HF辐射是明显加重的负担。由此，可能“容易”、即“快速”地超过容许的SAR。同样HF发送器的效率在能量输入太高或回波时间太短时也可能过渡损耗而超过其限度。
即使如此，为了能实施各MRT测量，必须对测量参数采取甚至会部分损害图像质量的折衷。(梯度和/或HF的)磁场强度越高，该问题就越严重。
在现有技术中，在实际测量之前试图通过合适的软件估计，采用定义的序列是否会超过限制并由此破坏该限制(预测算法)。如果破坏了，则试着通过匹配或更改例如在弹出式窗口中向用户显示的测量参数，达到允许的范围内。
常用的涉及SAR边界的参数更改是：
-增加重复时间，
-在序列转接之间强迫测量中断，
-减少断层数，
-减小重聚焦脉冲的翻转角，以及
-延长HF激励脉冲的持续时间。
缺点是，这些措施会导致有效测量时间的延长，由此由于(恒定的)驰豫时间而影响图像质量。
此外还有一个缺点是，在实时测量中这种估计不是足够精确的，不能保证在测量期间不会再次破坏所述限制。实时测量例如是通过解剖事件(例如心脏收缩状态、横膈膜位置等等)借助EKG测量、呼吸带、导管测量等引发的测量。这种测量的准确变化过程一般是无法预见的。可能发生的是，在一个给定的时间窗中设置增加了次数的激励脉冲或重聚焦脉冲，由此超过SAR的边界值或HF发送器的边界值。尤其是因此在现有技术中采用软件(SW)和硬件(HW)组件，以便在测量期间(即在线地)监控对限制的保持情况，并在超过的情况下中断测量以保护系统，尤其是保护患者。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是提供一种方法，其实时地监控所述限制，在超过之前这样更改测量，使得测量不中断且可以在保持图像质量的情况下获得测量数据。
根据本发明，提供了一种方法用于在考虑设备和患者特定的边界值的情况下最优化磁共振成像，所述方法具有以下步骤：将测量软件加载到设备计算机中；借助监控软件估计，利用用户采用的测量软件配置是否可能在随后的测量中超过关键参数的边界值；在获得正面的估计结果时启动测量，；在考虑关键参数的当前值的情况下，通过所述测量软件计算测量的时间片段(Zeitscheibe)；发送时间片段；重复上述计算和发送时间片段的步骤，直到测量结束。根据本发明实时地进行最后三个步骤。
关键参数是特定于设备和/或患者的。
根据本发明，通过测量软件的监控软件实时地发送关键参数的当前值。
具有优点的是，为测量软件提供多个可选择的待计算时间片段。
根据本发明提供一种算法，其根据关键参数的当前值从可选择的时间片段中以这种方式选择一个，即通过发送和处理所选择的时间片段不会超过关键参数的边界值。
在此，在第一可能实施方式中的可选择时间片段仅由HF激励脉冲组成。
在第二可能实施方式中，可选择时间片段不具有脉冲。
为了患者以及系统的安全，在发送每个时间片段之前和期间监控软件确定关键的参数，并在超过允许的边界值时中断测量。
同样也可以通过监控硬件，在发送每个时间片段之前和期间确定关键参数，并在超过允许的边界值时中断测量。
此外，提供了一种核自旋断层造影设备，其具有一个设备计算机和一个序列控制装置以及测量和控制单元，它们可以实施本发明的方法。
此外，还提供了一种计算机软件产品，其在与一核自旋断层造影设备相连的计算装置上运行时实现根据本发明的方法。
附图说明
本发明的其它优点、特征和特性将在下面借助参照附图的优选实施例中详细解释。
图1示出了根据本发明的核自旋断层造影设备的示意图，
图2A示意性地示出了TSE序列形式的第一选择A1的可能时间片段，
图2B示意性地示出了给系统较少负担的第二选择A2的可能时间片段，
图3在流程图中示意性地示出了MRT测量的传统流程，
图4示意性地示出了根据本发明的、在传统流程的步骤S10中实施的步骤，
图5A示意性地示出了根据现有技术的硬件上的时间监控软件，
图5B示意性地示出了根据现有技术的实时硬件上的时间监控软件。
具体实施方式
图1示出了根据本发明用于产生物体核自旋图像的磁共振成像设备或核自旋断层造影设备的示意图。在此，该核自旋断层造影设备的结构对应于传统断层造影设备的结构。基本磁场磁铁1产生时间上恒定的强磁场，用于极化或定向在物体检查区域、例如人体的待检查部分中的核自旋。核自旋共振测量所需的基本磁场的高均匀性定义在一个例如球星的测量空间M中，待检查的人体部分被送入该空间内。为了支持均匀性要求，尤其是为了消除不随时间变化的影响，在合适的位置设置由铁磁材料制成的填隙铁片。随时间变化的影向则通过由填隙供电装置15控制的填隙线圈2消除。
在基本磁场磁铁1中采用了圆柱形的梯度线圈系统3，其由三个部分绕组构成。每个部分绕组都由一个放大器14供应电流，以便在笛卡尔坐标系统的各方向上产生线性梯度场。梯度磁场系统3的第一部分绕组在x方向产生梯度Gx，第二部分绕组在y方向产生梯度Gy，第三部分绕组在z方向产生梯度Gz。每个放大器14都包括一个数字模拟转换器，由序列控制装置18控制以及时产生梯度脉冲。
在梯度磁场系统3中具有一个高频天线4，其将高频功率放大器产生的高频脉冲转换为交变磁场，以激励待检查物体或物体待检查区域的原子核并定向其核自旋。高频天线4由一个或多个HF发送线圈和一个或多个HF接收线圈组成，可能的话由一排子线圈(一般称为“线圈阵列”或“相位阵列线圈”)组成。确定(Przedierend)的核自旋引起的交变磁场、即一般来自由一个或多个高频脉冲和一个或多个梯度脉冲引起的核自旋回波信号的脉冲序列，也由高频天线4的HF接收线圈转换为电压，其通过放大器7传送到高频系统22的高频接收信道8。高频系统22还包括一个发送信道9，其中产生用于激励核磁共振的高频脉冲。在此，根据设备计算机20预先给定的脉冲序列将各高频脉冲在序列控制装置18中数字化地表示为复数序列。该数列作为实部和虚部分别通过输入12发送到高频系统22的数字模拟转换器，并由其发送到发送信道9。在发送信道9中，将脉冲序列调制为高频载波信号，其基本频率对应于测量空间中的核自旋的共振频率。
通过发送-接收分向器6从发送运行转换到接收运行。高频天线4的HF发送线圈发射高频脉冲以激励测量空间M中的核自旋，并通过HF接收线圈扫描产生的回波信号。相应获得的核共振信号在高频系统22的接收信道8中被相敏地解调，并通过各模拟数字转换器转换为测量信号的实部和虚部。由图像计算机17根据这样获得的测量数据再现一幅图像。通过设备计算机20管理测量数据、图像数据和控制程序。根据控制程序的预先给定，序列控制装置18检查各期望的脉冲序列的产生和k空间的相应扫描。在此，序列控制装置18尤其控制梯度的及时开关、具有定义相位和振幅的高频脉冲的发送以及核共振信号的接收。高频系统22和序列控制装置18的时间基础由合成器19提供。通过终端21选择相应的用于产生核自旋图像的控制程序并显示产生的核自旋图像，该终端包括一个键盘和一个或多个显示屏。
如开始已解释的，特定的部件(例如梯度线圈的梯度放大器14、HF谐振器4和ADC)由于其有限的效率而具有物理技术上的限制。HF辐射和/或梯度改变率(梯度回转率)的其它限制例如通过患者特定的边界值(例如特定吸收率SAR和/或梯度刺激)给出。
因此，根据现有技术，在准备阶段、即准备各测量时就已经由MRT系统检查是否可能超过边界值，并在测量期间借助在可能情况下中断测量的监控软件和/或硬件进行监控。该方法是本发明的基础，现在借助图3中的流程图详细描述：
该方法以步骤S1开始，其中用户从软件库中选择测量序列动态链接库(MS-DLL)，其在与序列控制装置18连接的设备计算机20上实现了期望的测量序列(例如涡轮自旋回波序列TSE或类似的测量序列)。为了针对不同方面(分辨率、对比度、测量持续时间)实施所期望的测量，需要在测量前对测量参数(翻转角、重复时间、断层厚度等等)进行适当的调整。这在步骤S2中由用户通过在终端21的监视器上的图形用户界面进行。通常，由用户做出有意义的给定，其在相应允许的间隔内可以借助鼠标和/或键盘更改。在参数调整后用户可以通过虚拟按钮初始化测量。紧接在此之后，在第三步S3中根据输入的参数在设备计算机20中准备MS-DLL，也就是进行软件技术的配置，从而可以实施期望的测量。不过，在步骤S6中的测量实际开始之前，由监控软件SW估计对于给出的MS-DLL配置关键值(患者或设备特定的，见上)是否可以超出。为此，在步骤S3中SW向原先准备的MS-DLL询问能使SW进行预先检查(预测)该关键参数的信息。
通常，在步骤S2中已经检查了设备特定的边界值。由于软件技术的原因，在步骤S3至S5中检查患者特定的边界值。
在所提到的步骤S5中决定：
如果所有关键值很可能保持在允许的范围内，则根据步骤S6启动测量。但是如果只存在很小的可能性，即至少有一个关键边界值被超出，则通过用户界面重复参数调整。为此，可以在步骤S7中通过弹出式窗口向用户自动建议由SW计算的校正或修改的参数数据组，该数据组可以在下个步骤S8中被用户接受或放弃。如果用户接受修改后的参数数据组，则在步骤S9中根据修改后的数据组重新准备MS-DLL，接着在步骤S6中启动测量。如果建议被用户拒绝，则用户可以重新执行步骤S2。步骤S3至S5相应地结束；然后在启动测量之前(步骤6)重新进行估计。
如果在步骤S5或S8之后启动测量(步骤S6)，则MS-DLL在步骤S10中计算初始化测量的所谓的“时间片段”。这样的时间片段是通过参数配置定义的与HF和梯度脉冲的连接。在TSE序列的情况下，一个时间片段可以包括多个具有所属重聚焦脉冲和相应梯度脉冲的HF激励脉冲，其中各HF激励的相位编码梯度的振幅当然不同。具有一个90°激励脉冲和三个180°激励脉冲的TSE时间片段在图2A中示出。断层选择梯度GS在每个HF脉冲(激励和重聚焦脉冲)期间接通；在断层选择梯度和相位编码梯度之间进行数据获取。
特别在TSE实验中，由于HF强化重聚焦脉冲的数量，输入待检查患者组织内的能量非常高。如果超过容许的HF吸收最大值(特定的吸收率SAR)，则对患者存在很紧迫的危险。梯度改变率也是如此，其在超过相应的边界值时会引起令人疼痛的刺激。两种情况都对患者有危险，无论如何都必须避免。如已在背景技术中提到的，步骤S2至S9的估计算法(预测算法)在实时测量(也就是由解剖事件如心脏收缩状态、横膈膜位置等借助EKG测量、导管测量等引发的测量)时不是非常精确，不能保证在测量期间不会破坏所述限制。因此，SW在步骤S13中计算每个时间片段的关键参数(或相应的硬件组件测量关键值)。在步骤S14中将每个关键参数所计算(或测量)的各值与对应的边界值进行比较。只要超过一个边界值就立即在步骤S16中中断测量。只有当全部关键参数都位于允许的区域内才继续进行测量，其中在步骤S15中将相应的时间片段发送到设备计算机20或序列控制装置18，并由它们在技术上实现。接着，重复计算下个时间片段(期望序列)的步骤S10，检查该时间片段并在可能时发送，直到在步骤S11中识别最后一个时间片段，并在步骤S12中正确地结束测量。
在图5A中示意性地示出了根据现有技术的、将MS-DLL的编译代码转换为在交换层(Vermittlungsschicht)的层面上与硬件接近的命令结构的时间变化过程，其中交换层最后通过在硬件上短暂发送和处理时间片段来开始实施测量。上面的方框表示准备的MS-DLL的编译代码，其中每个数字表示下个待发送的时间片段。中间层(交换层)是软件环境，其中各时间片段的组成部分、例如梯度脉冲和HF脉冲是以硬件能理解的形式出现的。本身借助硬件对各序列实时进行的处理显示在最后一行。图5A的示意图示出了，软件(上层和中间层)尽可能快地、也就是以各计算机或控制单元允许的最大速度传递或处理每个命令，从而时间片段在硬件和软件之间出现时间上的偏差。这样，例如在硬件层还在测量时间片段4期间就在软件层处理时间片段7。借助检查软件或硬件检查关键参数是根据步骤S13/S14在交换层和硬件的层面上进行的。对最上层不进行响应，从而在那里不能识别是否超过关键参数，然后该层可以起相反的作用。如果确定出超过了边界值，则根据步骤S16立即中断测量。
本发明现在在于，这样地修改以前解释的步骤S1至S16的方法，使得总的来说能避免MRT测量的中断。
为此，需要在实时模式下运行MRT系统，下面借助图5B解释该实时模式：
与根据图5A的非实时运行相比，根据图5B的MS-DLL要求硬件发送同步信号(触发脉冲)。现在MS-DLL在计算时间片段2之前等待同步信号的到来。该等待在图5B中表示为“休眠”。通过这种等待软件始终比硬件提前一个步骤。这导致了这样的结果，即MS-DLL有足够的时间还在当前(硬件测量层面上的)测量期间就选择下个不会使患者和/或系统超负荷的时间片段。因此，设备的这种“实时模式”意味着下个时间片段的计算和测量同步。
如果测量在这样一种实时模式中运行，则可以根据在图4中示出其根据本发明形式的步骤S10修改时间片段的计算。和以前一样，步骤S10用于计算最后在硬件上实现相应HF或梯度脉冲序列的各下个时间片段。不过，根据本发明，应当在发送该时间片段之前给予系统机会来检查，当前的时间片段关于系统的历史行为(即已经发送的时间片段)是否会导致超过关键的边界值。为此，MS-DLL在测量期间，根据步骤S10.1以短暂的时间间隔与用于监控所述限制的软件或硬件组件(监控组件：SW，HW)通信。MS-DLL询问SW和/或HW一个或多个关键参数的当前值。以MS-DLL实现的算法在步骤S10.2中从一系列可能的时间片段中选择一个，其在考虑已经发送的时间片段和正在发送的时间片段的情况下保证最大信息获取而不会超过关键的边界值。一般在MRT成像中高信息获取意味着对系统自身或待检查患者的相应高负担。这反过来意味着，要通过发送可选择的时间片段来解除系统或患者的负担则必须做出相应的限制。在图4中例如在选择S10.3、S10.4和S10.5中给出了三个时间片段选择A1、A2和A3，其中A1应当表示常规序列(例如TSE序列)的一般时间片段。这样的时间片段在图2A中示出并已做出解释。对于根据A1的时间片段，由于多个能量强化的重聚焦脉冲可以稍微超过SAR。如果在测量期间通过算法和监控软件根据已发送的时间片段以及完成时间片段A1的知识计算出超过了边界值，则不发送时间片段A1。而是检查是否能发送时间片段A2。在超过SAR的情况下，可供的选择例如在于考虑其中有意义地减少HF辐射的时间片段A2。这种时间片段在图2B中示出。在根据图2B的A2中除去了全部重聚焦脉冲；只保留90°激励脉冲，其在以相应重复时间辐射多个A2时间片段时保持稳定状态信号并由此保持待检查组织的核自旋共振。在A2中也除去了全部梯度脉冲，因为没有重聚焦脉冲这些梯度脉冲就失去了意义。时间片段A2具有与时间片段A1相同的持续时间。
如果对于时间片段A2算法除了其它之外通过调用监控软件确定出也可能超过边界值，则考虑在该情况下(图4，步骤S10.5)无论如何(在最坏的情况下也是)也可以发送出去的第三种选择。这种时间片段A3在特定的时间空间上没有脉冲，既没有HF脉冲也没有梯度脉冲，由此保证了在发送A3时不会使测量的系统和待检查的患者遭受物理技术上的改变。只保持系统的测量运行，从而不中断测量并在可能情况下在发送一个或多个在此期间系统或患者可以恢复关键参数的A3时间片段之后，通过发送时间片段A2或甚至A1继续进行实际的测量。
在根据本发明的方法步骤S10.1至S10.5中，根据本发明通过多个MRT组件(具有集成算法的MS-DLL、监控软件、监控硬件)的相互作用几乎实时地确定直接发送的时间片段。
通过这种方式，尤其是通过提供总是能发送而对测量系统不增加负担的选择A3，确保了在整个测量期间关键值不会超出，并由此无论如何也不会中断测量。MS-DLL必须在一个较晚的时刻补充对测量数据的获取，由此当然也延长了测量时间。这例如可以使一个被监控的测量运行(例如外科手术)最终可以持续任意长的时间。此外，如果需要，可以通过本发明的步骤S10.1至S10.5实现短暂的、有限的极强辐射。此外，可以将可能取决于所选择的序列类型的任意多的时间片段选择(A1至An)集成到MS-DLL中，并提供使用。
如已提到的，在选择正确或最佳的时间片段选择时所测量和/或所计算的过去时间片段的值以及正在运行的时间片段的理论值都是很重要的。由于根据本发明的关键参数监控实时地在递归的周期、即
-时间片段选择
-时间片段检查
-时间片段发送
中进行，因此通过这种方式不会导致不期望的测量中断。
Claims (11)
1.一种用于在考虑设备和患者特定的边界值的情况下最优化磁共振成像的方法，具有以下步骤：
-将测量软件加载到设备计算机中(S1)，
-借助监控软件估计(S3)(S4)，利用用户采用的测量软件配置(S2)是否可能在随后的测量中超过关键参数的边界值，
-在获得正面的估计结果时启动测量(S6)，
-在考虑关键参数的当前值的情况下，通过所述测量软件计算用于测量的时间片段(S10)，
-发送时间片段(S15)，
-重复上述计算和发送时间片段的步骤，直到测量结束(S12)，
其中所述最后三个步骤实时地进行。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述关键参数是特定于设备和/或患者的。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述关键参数的当前值通过所述监控软件获得(S13)，并实时地发送到所述测量软件(S10.1)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，向所述测量软件提供多个可选择的待计算时间片段。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，一种算法根据关键参数的当前值从可选择的时间片段中以这种方式进行选择，即通过发送和处理所选择的时间片段不会超过关键参数的边界值(S10.2)。
6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，一个可选择的时间片段仅由HF激励脉冲组成。
7.如权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于，一个可选择的时间片段不具有脉冲。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，在发送每个时间片段之前和期间，所述监控软件确定关键的参数，并在超过允许的边界值时中断测量(S14；S16)。
9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，在发送每个时间片段之前和期间，监控硬件确定关键参数，并在超过允许的边界值时中断测量(S14)(S16)。
10.一种核自旋断层造影设备，具有一个设备计算机和一个序列控制装置以及测量和控制单元，它们可以实施根据权利要求1至9所述的方法。
11.一种计算机软件产品，其在与一核自旋断层造影设备相连的计算装置上运行时实现根据权利要求1至9所述的方法。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |