DE10028560A1 - Verfahren zum dreidimensionalen Korrigieren von Verzeichnungen und Magnetresonanzgerät zum Durchführen des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum dreidimensionalen Korrigieren von Verzeichnungen und Magnetresonanzgerät zum Durchführen des VerfahrensInfo
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Abstract
Bei einem Verfahren zum dreidimensionalen Korrigieren von Verzeichnungen eines Bilddatensatzes wird der Bilddatensatz von einem Magnetresonanzgerät, beinhaltend ein Grundfeldmagnetsystem zum Erzeugen eines Grundmagnetfeldes und ein Gradientensystem zum Erzeugen von Gradientenfeldern, erzeugt und zum Korrigieren werden Koeffizienten einer Kugelfunktions-Reihenentwicklung des Grundmagnetfeldes und/oder der Gradientenfelder herangezogen. Dabei werden Koeffizienten verwendet, die im Rahmen eines Entwicklungs- und/oder Herstellungsverfahrens für das Grundfeldmagnetsystem und/oder Gradientensystem ermittelt wurden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum dreidimensionalen
Korrigieren von Verzeichnungen eines Bilddatensatzes und ein
Magnetresonanzgerät zum Durchführen des Verfahrens.
Die Magnetresonanztechnik ist eine bekannte Technik zur Ge
winnung von Bildern eines Körperinneren eines Untersuchungs
objekts. Dabei werden in einem Magnetresonanzgerät einem sta
tischen Grundmagnetfeld, das von einem Grundfeldmagnetsystem
erzeugt wird, schnell geschaltete Gradientenfelder überla
gert, die von einem Gradientensystem erzeugt werden. Ferner
umfasst das Magnetresonanzgerät ein Hochfrequenzsystem, das
zum Auslösen von Magnetresonanzsignalen Hochfrequenzsignale
in das Untersuchungsobjekt einstrahlt und die erzeugten Mag
netresonanzsignale aufnimmt, auf deren Basis Bilddatensätze
erstellt werden.
Bei der Magnetresonanztechnik ist eine gute Homogenität des
Grundmagnetfeldes ein entscheidender Faktor für die Qualität
der Magnetresonanzbilder. Dabei verursachen Feldinhomogenitä
ten des Grundmagnetfeldes innerhalb eines Abbildungsvolumens
des Geräts geometrische Verzeichnungen des Magnetresonanzbil
des, die den Feldinhomogenitäten proportional sind. Entspre
chendes gilt für Nichtlinearitäten der Gradientenfelder.
Eine verzeichnungsfreie und ortgetreue Abbildung ist bei vie
len Anwendungen, beispielsweise bei einer Verwendung von Mag
netresonanzbildern zur Planung einer Radiotherapie von Tumo
ren oder zur Vorbereitung oder Durchführung eines operativen
Eingriffs wichtig.
Eine Weiterentwicklung von Magnetresonanzgeräten zielt darauf
ab, Geräte mit einem Untersuchungsraum zum Aufnehmen des Untersuchungsobjekts,
beispielsweise einem Patienten, zu schaf
fen, der zwecks intraoperativer Eingriffe möglichst allseitig
zugänglich ist und der hinsichtlich klaustrophobisch veran
lagter Patienten möglichst großräumig und offen gestaltet
ist. Bei vorgenannten Geräten verstärkt sich konstruktionsbe
dingt das Problem der Verzeichnungen, insbesondere an den
Rändern des Abbildungsvolumens und bei Geräten mit einem
starken Grundmagnetfeld.
Als eine Maßnahme zur Verbesserung der Grundmagnetfeldhomoge
nität ist eine sogenannte aktive Shim-Vorrichtung bekannt.
Dazu werden Shim-Spulen eingesetzt, die bei einem entspre
chenden Betrieb mit Gleichströmen das Grundmagnetfeld homoge
nisieren. Wie dazu beispielsweise aus der DE 195 11 791 C1
bekannt ist, lässt sich das Grundmagnetfeld innerhalb des
Abbildungsvolumens mit Koeffizienten einer Kugelfunktions-
Reihenwicklung beschreiben. Die Shim-Spulen sind dabei in der
Regel derart ausgelegt, dass sie im wesentlichen einen be
stimmten inhomogenen Feldanteil entsprechend einem der Koef
fizienten kompensieren. Bei den Gradientenfeldern wird keine
entsprechende Korrekturmaßnahme eingesetzt.
Aus der US 5,099,208 ist beispielsweise ein Aufnahmeverfahren
für Magnetresonanzbilder bekannt, bei dem trotz bestehender
Inhomogenitäten des Grundmagnetfeldes durch eine Kombination
von zwei mit speziellen Pulssequenzen erzeugten Bilddatensät
zen ein verzeichnungsarmer Bilddatensatz erzeugt wird. Dazu
wird von einem abzubildenden Bereich des Untersuchungsobjekts
mit einer ersten Pulssequenz ein erster Bilddatensatz er
zeugt. Danach wird vom selben abzubildenden Bereich ein zwei
ter Bilddatensatz mittels einer zweiten Pulssequenz erzeugt,
die sich von der ersten Pulssequenz lediglich dadurch unter
scheidet, dass sie mit vertauschten Vorzeichen der Gradienten
ausgeführt wird. Aus den beiden Bilddatensätzen wird schließ
lich ein dritter verzeichnungsbereinigter Bilddatensatz kom
biniert. Bei vorgenanntem Verfahren ist die erzielbare Genau
igkeit der Verzeichnungskorrektur allerdings auf 2 bis 3 mm
Ortsauflösung beschränkt. Ferner ist ein derartiges Vorgehen
nicht bei allen Pulssequenztypen durchführbar und durch das
Aufnehmen zweier Bilddatensätze zum Gewinnen eines verzeich
nungsarmen Magnetresonanzbildes verdoppelt sich eine Aufnah
medauer, so dass beispielsweise lediglich ein geringerer Pa
tientendurchsatz erzielbar ist.
Ein Verfahren zum Korrigieren von Verzeichnungen infolge von
Inhomogenitäten des Grundmagnetfeldes und/oder Nichtlineari
täten des Gradientenfeldes entsprechend der DE 198 29 850 A1
greift zum Eliminieren von Verzeichnungen eines verzeich
nungsbehafteten Bilddatensatzes auf Koeffizienten der Kugel
funktions-Reihenentwicklung für das Grundmagnetfeld und/oder
für die Gradientenfelder zurück. Dabei wird wenigstens auf
Koeffizienten zurückgegriffen, die Feldinhomogenitäten des
Grundmagnetfeldes und/oder nichtlineare Feldkomponenten der
Gradientenfelder beschreiben. Eine Genauigkeit des Korrektur
verfahrens ist dabei von einer genauen Kenntnis vorgenannter
Koeffizienten abhängig. Die Koeffizienten werden unter Zuhil
fenahme eines sogenannten Phantoms ermittelt. Dazu wird das
Phantom im Abbildungsvolumen des Magnetresonanzgeräts positi
oniert und es werden Magnetresonanzbilder des Phantoms aufge
nommen, aus deren teils automatischer, teils manueller Aus
wertung die Koeffizienten bestimmt werden. Weil mit dem Phan
tom das gesamte Abbildungsvolumen des Magnetresonanzgeräts
erfasst wird, ist es mit etwa 0,25 m3 vergleichsweise groß,
mit über 20 kg vergleichsweise schwer und dadurch entspre
chend unhandlich in der Handhabung. Bedingt durch eine Drift
des Magnetresonanzgeräts werden zur Koeffizientenbestimmung
die Aufnahmen mit dem Phantom alle zwei bis drei Wochen wie
derholt. Während der Wiederholungen der Aufnahmen mit dem
Phantom ist das Gerät, beispielsweise für ein Untersuchen von
Patienten blockiert. Ferner sind mit Koeffizienten, die mit
tels dem Phantom bestimmt worden sind, lediglich Genauigkei
ten von 2 bis 3 mm Ortsauflösung bei der Verzeichnungskorrek
tur erzielbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes
Verfahren zum genauen dreidimensionalen Korrigieren von Ver
zeichnungen eines Bilddatensatzes bzw. ein Magnetresonanzge
rät zum Durchführen des Verfahrens zu schaffen, das unter
anderem vorgenannte Nachteile des Standes der Technik vermin
dert.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch den Ge
genstand des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Magnetresonanz
geräts durch den Gegenstand des Anspruchs 5 gelöst. Vorteil
hafte Ausgestaltungen sind in den übrigen Ansprüchen be
schrieben.
Dadurch, dass Koeffizienten verwendet werden, die im Rahmen
eines Entwicklungs- und/oder Herstellungsverfahrens für das
Grundfeldmagnetsystem und/oder Gradientensystem verfahrensbe
dingt hochgenau ermittelt wurden, stehen sie auch für das
Verfahren zum dreidimensionalen Korrigieren von Verzeichnun
gen mit höchster Genauigkeit zur Verfügung. Dadurch sind un
ter anderem hohe Genauigkeiten bei der Verzeichnungskorrektur
erzielbar. Ferner sind damit Magnetresonanzaufnahmen von ei
nem Phantom zum Bestimmen von Koeffizienten nicht nötig. Die
mit der Phantom-Methode verbundenen, eingangs beschriebenen
Nachteile treten somit nicht auf. Desweiteren ist ebenfalls
eine aufnahmezeitverlängernde Wiederholung von Pulssequenzen
zum Zwecke einer Verzeichnungsbereinigung überflüssig.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung
ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungs
beispiel anhand der Zeichnung.
Die Figur zeigt eine Skizze eines Magnetresonanzgeräts. Dabei
umfasst das Gerät zum Erzeugen eines Grundmagnetfeldes ein
Grundfeldmagnetsystem 1 und zum Erzeugen von Gradientenfel
dern ein Gradientenspulensystem 2. Zum Homogenisieren des
Grundmagnetfeldes ist in das Gradientenspulensystem 2 ein
Shim-Spulensystem 3 integriert. Zum Steuern von Strömen im
Gradientenspulensystem 2 und im Shim-Spulensystem 3 sind das
Gradientenspulensystem 2 und das Shim-Spulensystem 3 mit ei
nem Gradienten- und Shim-Steuersystem 5 verbunden. Ferner
umfasst das Gerät ein Hochfrequenzspulensystem 4, das mit
einem Hochfrequenzsteuersystem 6 verbunden ist. Mit vorge
nanntem Hochfrequenzsystem werden zum Auslösen von Magnetre
sonanzsignalen Hochfrequenzsignale in ein Untersuchungsobjekt
eingestrahlt und die erzeugten Magnetresonanzsignale aufge
nommen. Auf Basis der aufgenommenen Magnetresonanzsignale
werden in einem Bildrekonstruktionssystem 8 entsprechende
Bilddatensätze erzeugt. Dazu ist das Bildrekonstruktionssys
tem 8 entsprechend mit dem Hochfrequenzsteuersystem 6 verbun
den. Den Bilddatensätzen entsprechende Magnetresonanzbilder
sind an einer Anzeige- und Bedienvorrichtung 9 anzeigbar.
Dazu ist die Anzeige- und Bedienvorrichtung 9 über ein zent
rales Steuersystem 7 mit dem Bildrekonstruktionssystem 8 ver
bunden. Das zentrale Steuersystem 7 ist zum Steuern eines
koordinierten Betriebs des Magnetresonanzgeräts ferner mit
dem Gradienten- und Shim-Steuersystem 5 sowie dem Hochfre
quenzsteuersystem 6 verbunden.
Das Bildrekonstruktionssystem 8 ist dabei so ausgebildet,
dass ein Verfahren zum dreidimensionalen Korrigieren von Ver
zeichnungen entsprechend der bereits eingangs genannten
DE 198 29 850 A1 durchführbar ist. Dabei werden Verzeichnun
gen eines Bilddatensatzes dreidimensional korrigiert, die von
nichtlinearen Feldkomponenten der Gradientenfelder hervorge
rufen werden.
Eine magnetische Flussdichte B(r, θ, ϕ) eines der Gradienten
felder einer Gradientenspule des Gradientenspulensystems 2
ist dabei durch eine Kugelfunktions-Reihenentwicklung gemäß
nachfolgender Gleichung beschreibbar:
Dabei sind A(l,m) und B(l,m) die Koeffizienten in einer geeigne
ten Normierung. Der Radius r sowie die Winkel θ und ϕ be
schreiben als Kugelkoordinaten, ausgehend von einem Ursprung,
einen Punkt des dreidimensionalen Raumes. Dabei wird der Ur
sprung im allgemeinen im Zentrum des Gradientenspulensystems
2 festgelegt. P(l,m)(cosθ) sind Legendresche Polynome bzw.
Funktionen in Abhängigkeit von cosθ.
Bei einer longitudinalen kreiszylindermantelförmigen Gradien
tenspule treten aufgrund ihrer Symmetrieeigenschaften für die
magnetische Flussdichte im Spuleninneren lediglich Koeffi
zienten A(l,m) mit ungeradzahligem l und insbesondere mit m = 0
auf. Bei einer transversalen kreiszylindermantelförmigen Gra
dientenspule sind aufgrund ihrer Symmetrieeigenschaften le
diglich die Koeffizienten A(l,m) oder B(l,m) mit ungeradzahligem
l und ungeradzahligem m von Bedeutung. Dies verdeutlicht
nachfolgende Tabelle, in der für vorgenannte longitudinale
und transversale Gradientenspulen die in der Praxis wichtigen
Koeffizienten A(l,m) sowie deren Bedeutung eingetragen sind.
Dabei erfolgt für die transversale Gradientenspule lediglich
eine Auflistung für eine Gradientenspule mit Koeffizienten
A(l,m), für eine Gradientenspule mit Koeffizienten B(l,m) gilt
die gleiche Indizierung.
Für eine ideale longitudinale Gradientenspule sind außer dem
Koeffizienten A(1,0) alle übrigen Koeffizienten A(l,m) gleich
Null. Für eine ideale transversale Gradientenspule sind außer
dem Koeffizienten A(1,1) bzw. B(1,1) alle übrigen Koeffizienten
A(l,m) bzw. B(l,m) gleich Null.
Das Korrekturverfahren greift dabei auf Koeffizienten zurück,
die die nichtlinearen Feldkomponenten der Gradientenfelder
beschreiben. Dazu weist das Bildrekonstruktionssystem 8 einen
Speicherbereich mit einer Tabelle auf, in der die Koeffizien
ten dauerhaft gespeichert sind. Nachfolgend ist die Tabelle
exemplarisch dargestellt:
A(3,0)
= -0,091
A(5,0)
A(5,0)
= -0,029
A(7,0)
A(7,0)
= +0,011
A(9,0)
A(9,0)
= -0,002
A(3,1)
= -0,074
A(3,3)
A(3,3)
= +0,0025
A(5,1)
A(5,1)
= -0,030
A(7,1)
A(7,1)
= +0,009
A(9,1)
A(9,1)
= -0,0015
B(3,1)
= -0,068
B(3,3)
B(3,3)
= -0,0024
B(5,1)
B(5,1)
= 0,033
B(7,1)
B(7,1)
= +0,01
B(9,1)
B(9,1)
= -0,0015
Dabei beinhaltet die Tabelle lediglich diejenigen Koeffizien
ten, die für die Bildqualität besonders relevant sind. Die
Koeffizienten sind in Abhängigkeit von dem eingesetzten Gra
dientenspulensystem 2 dauerhaft gespeichert und resultieren
aus einem Entwicklungs- und/oder Herstellungsverfahren für
das Gradientenspulensystem 2, bei dem sie von Hause aus mit
einer sehr hohen Genauigkeit bestimmt werden. Bei einer Aus
lieferung des Magnetresonanzgeräts sind die Koeffizienten
entsprechend einer Ausführung des eingesetzten Gradientenspu
lensystems 2 dauerhaft gespeichert. Eine Änderung der Koeffi
zienten ist lediglich bei einem Tausch des Gradientenspulen-
systems 2 durch ein Gradientenspulensystem anderen Typs er
forderlich.
Durch inhomogene Feldkomponenten des Grundmagnetfeldes her
vorgerufene Verzeichnungen sind entsprechend korrigierbar.
Dabei ist es bei dem dargestellten Magnetresonanzgerät mit
der aktiven Shim-Vorrichtung sinnvoll, lediglich inhomogene
Feldkomponenten, d. h. Koeffizienten des Grundmagnetfeldes bei
der Korrektur zu berücksichtigen, die nicht von der aktiven
Shim-Vorrichtung kompensiert werden. Bei einem Magnetreso
nanzgerät ohne aktive Shim-Vorrichtung ist es dahingegen
sinnvoll, alle inhomogenen Feldkomponenten, d. h. die entspre
chenden Koeffizienten beim Korrekturverfahren zu berücksich
tigen.
Claims (5)
1. Verfahren zum dreidimensionalen Korrigieren von Verzeich
nungen eines Bilddatensatzes, wobei
der Bilddatensatz von einem Magnetresonanzgerät, beinhal tend ein Grundfeldmagnetsystem zum Erzeugen eines Grundmag netfeldes und ein Gradientensystem zum Erzeugen von Gra dientenfeldern, erzeugt wird und wobei
zum Korrigieren Koeffizienten einer Kugelfunktions-Reihen entwicklung des Grundmagnetfeldes und/oder der Gradienten felder herangezogen werden,
dadurch gekennzeichnet, dass Koeffizienten verwen det werden, die im Rahmen eines Entwicklungs- und/oder Her stellungsverfahrens für das Grundfeldmagnetsystem und/oder Gradientensystem ermittelt wurden.
der Bilddatensatz von einem Magnetresonanzgerät, beinhal tend ein Grundfeldmagnetsystem zum Erzeugen eines Grundmag netfeldes und ein Gradientensystem zum Erzeugen von Gra dientenfeldern, erzeugt wird und wobei
zum Korrigieren Koeffizienten einer Kugelfunktions-Reihen entwicklung des Grundmagnetfeldes und/oder der Gradienten felder herangezogen werden,
dadurch gekennzeichnet, dass Koeffizienten verwen det werden, die im Rahmen eines Entwicklungs- und/oder Her stellungsverfahrens für das Grundfeldmagnetsystem und/oder Gradientensystem ermittelt wurden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Koeffizienten dau
erhaft gespeichert werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei bei
einem Magnetresonanzgerät mit einer aktiven Shim-Vorrichtung
Veränderungen der Koeffizienten entsprechend einer Einstel
lung der aktiven Shim-Vorrichtung berücksichtigt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei we
nigstens Koeffizienten herangezogen werden, die wenigstens
eine inhomogene Feldkomponente des Grundmagnetfeldes und/oder
eine nichtlineare Feldkomponente eines der Gradientenfelder
kennzeichnen.
5. Magnetresonanzgerät zum Durchführen des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 1 bis 4, beinhaltend folgende Merkmale:
- - Ein Grundfeldmagnetsystem zum Erzeugen eines Grundmagnet feldes,
- - ein Gradientensystem zum Erzeugen von Gradientenfeldern und
- - ein Steuersystem zum Hinterlegen von Koeffizienten.
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