DE10028560C2 - Verwendung von Koeffizienten bei einem Verfahren zum dreidimensionalen Korrigieren von Verzeichnungen und Magnetresonanzgerät zum Durchführen des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verwendung von Koeffizienten bei einem Verfahren zum dreidimensionalen Korrigieren von Ver­ zeichnungen 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 Un­ tersuchungsobjekts, 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 kombiniert. 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 Bliddatensätze 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 Genauigkeiten 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 die Ge­ genstände der Ansprüche 1 und 2 und hinsichtlich des Magnet­ resonanzgeräts durch den Gegenstand des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrigen Ansprüchen beschrieben.

Dadurch, dass Koeffizienten verwendet werden, die im Rahmen eines Entwicklungsverfahrens oder eines Entwicklungs- und Herstellungsverfahrens für das Grundfeldmagnetsystem und/oder Gradientensystem verfahrensbedingt hochgenau ermittelt wer­ den, stehen sie auch für das Verfahren zum dreidimensionalen Korrigieren von Verzeichnungen mit höchster Genauigkeit zur Verfügung. Dadurch sind unter anderem hohe Genauigkeiten bei der Verzeichnungskorrektur erzielbar. Ferner sind damit Mag­ netresonanzaufnahmen von einem Phantom zum Bestimmen von Ko­ effizienten nicht nötig. Die mit der Phantom-Methode verbun­ denen, eingangs beschriebenen Nachteile treten somit nicht auf. Des Weiteren ist ebenfalls eine aufnahmezeitverlängernde Wiederholung von Pulssequenzen zum Zwecke einer Verzeich­ nungsbereinigung 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 1 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 1 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:

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 Gradientenspulensystems 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 (6)

1. Verwendung von Koeffizienten einer Kugelfunktions-Reihen­ entwicklung eines Grundmagnetfeldes, das mit einem Grundfeld­ magnetsystem eines Magnetresonanzgeräts erzeugbar ist, und/oder von Gradientenfeldern, die mit einem Gradientensys­ tem des Magnetresonanzgeräts erzeugbar sind, wobei die Koef­ fizienten im Rahmen eines Entwicklungsverfahrens für das Grundfeldmagnetsystem und/oder Gradientensystem ermittelt werden, bei einem Verfahren zum dreidimensionalen Korrigieren von Verzeichnungen eines Bilddatensatzes, der mit dem Magnetreso­ nanzgerät erzeugt wird.

2. Verwendung von Koeffizienten einer Kugelfunktions-Reihen­ entwicklung eines Grundmagnetfeldes, das mit einem Grundfeld­ magnetsystem eines Magnetresonanzgeräts erzeugbar ist, und/oder von Gradientenfeldern, die mit einem Gradientensys­ tem des Magnetresonanzgeräts erzeugbar sind, wobei die Koef­ fizienten im Rahmen eines Entwicklungs- und Herstellungsver­ fahrens für das Grundfeldmagnetsystem und/oder Gradientensys­ tem ermittelt werden, bei einem Verfahren zum dreidimensionalen Korrigieren von Verzeichnungen eines Bilddatensatzes, der mit dem Magnetreso­ nanzgerät erzeugt wird.

3. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Koeffizienten dauerhaft gespeichert werden.

4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei bei einem Magnetresonanzgerät mit einer aktiven Shim-Vorrichtung Veränderungen der Koeffizienten entsprechend einer Einstel­ lung der aktiven Shim-Vorrichtung berücksichtigt werden.

5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei we­ nigstens Koeffizienten herangezogen werden, die wenigstens eine inhomogene Feldkomponente des Grundmagnetfeldes und/oder eine nichtlineare Feldkomponente eines der Gradientenfelder kennzeichnen.

6. Magnetresonanzgerät zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, beinhaltend folgende Merkmale:
Ein Grundfeldmagnetsystem zum Erzeugen eines Grundmagnet­ feldes,
ein Gradientensystem zum Erzeugen von Gradientenfeldern und
ein Steuersystem zum Hinterlegen von Koeffizienten.