DE10056874C2

DE10056874C2 - Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts, bei dem Lageveränderungen mittels orbitaler Navigatorechos erfasst werden

Info

Publication number: DE10056874C2
Application number: DE10056874A
Authority: DE
Inventors: Stefan Thesen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-11-16
Filing date: 2000-11-16
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2020-11-17
Also published as: CN1359657A; JP2002177244A; DE10056874A1; US20020130660A1; JP4084559B2; US6667618B2; CN1222245C

Abstract

Ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts, bei dem eine Lageveränderung eines abzubildenden Bereichs eines Untersuchungsobjekts gegenüber einem Abbildungsvolumen des Geräts mittels orbitaler Navigatorechos erfasst wird, beinhaltet folgende Merkmale: DOLLAR A - Wenigstens ein Referenz-Datensatz mit Datenpunkten wird erzeugt, wobei DOLLAR A - die Datenpunkte im k-Raum wenigstens auf einer Teilfläche einer Kugeloberfläche, die Teilfläche gitterartig belegend, angeordnet sind und DOLLAR A - die Teilfläche sich wenigstens um einen Großkreis der Kugeloberfläche herum entsprechend einem maximal zu erwartenden Winkelbereich der Lageveränderung erstreckt, und DOLLAR A - zum Erfassen der Lageveränderung wird ein Datensatz wenigstens eines der orbitalen Navigatorechos mit dem Referenz-Datensatz verglichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Mag netresonanzgeräts, bei dem eine Lageveränderung eines abzu bildenden Bereichs eines Untersuchungsobjekts gegenüber einem Abbildungsvolumen des Geräts mittels orbitaler Navigatorechos erfasst werden.

Die Magnetresonanztechnik ist eine bekannte Technik zum Er zeugen von Bildern eines Körperinneren eines Untersuchungsob jekts. Dazu werden in einem Magnetresonanzgerät einem stati schen Grundmagnetfeld schnell geschaltete Gradientenfelder überlagert. Ferner werden zum Auslösen von Magnetresonanzsig nalen Hochfrequenzsignale in das Untersuchungsobjekt einge strahlt, die ausgelösten Magnetresonanzsignale aufgenommen und auf deren Basis Bilddatensätze und Magnetresonanzbilder erstellt. Dabei werden die Magnetresonanzsignale von einem Hochfrequenzsystem aufgefangen, phasenempfindlich demoduliert und durch Abtastung und Analog-Digital-Wandlung in komplex zahlige Werte überführt, die als Datenpunkte in einem Daten satz des k-Raumes abgelegt werden. Aus dem mit Werten beleg ten k-Raum-Datensatz ist mittels einer mehrdimensionalen Fouriertransformation ein zugehöriger Bilddatensatz und damit ein Magnetresonanzbild rekonstruierbar.

Als funktionelle Bildgebung werden in der Medizin alle Ver fahren bezeichnet, die eine wiederholte Abtastung einer Struktur von Organen und Geweben dazu nutzen, um zeitlich sich ändernde Prozesse, wie physiologische Funktionen oder pathologische Vorgänge, abzubilden. Im engeren Sinne versteht man in der Magnetresonanztechnik darunter Messmethoden, die es ermöglichen, die an einer bestimmten motorischen, sensorischen oder kognitiven Aufgabe beteiligten Hirnareale eines Patienten zu identifizieren und abzubilden.

Grundlage der funktionellen Magnetresonanzbildgebung ist dabei der BOLD-Effekt (Blood Oxygen Level Dependent). Der BOLD-Effekt beruht auf unterschiedlichen magnetischen Eigen schaften von oxygeniertem und desoxygeniertem Hämoglobin im Blut. Dabei ist eine verstärkte neuronale Aktivität im Gehirn lokal mit einer erhöhten Zufuhr von oxygeniertem Blut verbun den, was bei einem mit einer Gradientenechosequenz erzeugtem Magnetresonanzbild an entsprechender Stelle eine entsprechen de Intensitätserhöhung bewirkt.

Bei der funktionellen Magnetresonanzbildgebung werden, bei spielsweise alle zwei bis vier Sekunden dreidimensionale Bilddatensätze des Hirns, beispielsweise mittels einem Echo planarverfahren, aufgenommen. Nachdem viele Bilddatensätze zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommen worden sind, können beispielsweise zur Bildung sogenannter Aktivierungsbilder die Bilddatensätze voneinander subtrahiert werden, d. h. zur Iden tifikation von aktiven Hirnbereichen miteinander auf Signal differenzen hin zu vergleichen. Dabei führen bereits gerings te Lageveränderungen des Hirns während des gesamten Aufnahme zeitraums der funktionellen Magnetresonanzbildgebung zu uner wünschten Signaldifferenzen, die die gesuchte Hirnaktivierung überdecken.

Bei einer Ausführungsform einer funktionellen Magnetresonanz bildgebung werden mit einer gleichen Ortskodierung in einer zeitlichen Abfolge Bilddatensätze von einem abzubildenden Bereich erzeugt. Daran anschließend wird eine retroperspekti ve Bewegungskorrektur der Bilddatensätze durchgeführt. Damit sind Unterschiede zwischen den Bilddatensätzen, die Folge einer Lageveränderung des abzubildenden Bereichs bezüglich des Geräts während der zeitlichen Abfolge sind, ermittelbar und korrigierbar. Dazu wird eine globale Differenz zwischen zwei Bilddatensätzen minimiert, wobei eine durch Bewegungsparameter beschreibbare Lageveränderung zwischen den beiden Bilddatensätzen unter der Annahme einer Starrkörperbewegung durch eine Taylor-Entwicklung erster Ordnung linearisiert wird. Dabei erfolgt das Minimieren iterativ, indem die Bewe gungsparameter wiederholt mittels der Linearisierung ge schätzt und auf einen der beiden Bilddatensätze mittels In terpolationen angewandt werden. Derartige Methoden sind in der Literatur unter dem Stichwort Gauß-Newtonsches Verfahren bekannt. Zur genaueren Beschreibung wird dazu beispielsweise auf das Buch von R. S. J. Frackowiak et al., "Human Brain Func tion", Academic Press, 1997, insbesondere Kapitel 3, Seiten 43 bis 58 hingewiesen.

Bei einer weiteren Ausführungsform einer funktionellen Mag netresonanzbildgebung wird eine sogenannte prospektive Bewe gungskorrektur während des Ablaufs der funktionellen Magnet resonanzbildgebung durchgeführt. Dazu werden von Bilddaten satz zu Bilddatensatz eventuelle Lageveränderungen, d. h. Rotationen und Translationen des abzubildenden Bereichs bei spielsweise durch orbitale Navigatorechos erfasst und eine Ortskodierung während des Ablaufs entsprechend angepasst.

Dabei ist ein orbitales Navigatorecho ein Magnetresonanzsig nal, das durch einen kreisförmigen k-Raum-Pfad gekennzeichnet ist und von einer speziellen Navigatorsequenz erzeugt wird. Dabei wird ein Navigatorecho ebenso wie ein zur Bilderzeugung verwendetes Magnetresonanzsignal aufgenommen und entsprechend als komplexzahlige Werte für Datenpunkte des k-Raums, die vorgenannten kreisförmigen k-Raum-Pfad bilden, in einem Navi gatorecho-Datensatz abgelegt. Anhand von orbitalen Navigator echos, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten erzeugt werden, ist eine Lageveränderung zwischen den Zeitpunkten ermittel bar. Dazu wird beispielsweise vor jedem Erzeugen eines Bild datensatzes die Navigatorsequenz ausgeführt, ein Navigator echo aufgenommen und zur Lageveränderungserfassung ein zughö riger Navigatorecho-Datensatz mit einem Referenz-Navigator echo-Datensatz verglichen.

Zwischen dem Bildraum und dem k-Raum besteht bekanntlich eine Verknüpfung über eine mehrdimensionale Fouriertransformation. Eine Translation des abzubildenden Bereichs im Bildraum äu ßert sich dabei, gemäß dem Verschiebungssatz der Fourier transformation, in einer veränderten Phase von komplexzahli gen Werten von Datenpunkten des k-Raums. Eine Drehung des abzubildenden Bereichs im Bildraum bewirkt dieselbe Drehung zugehöriger Datenpunkte im k-Raum. Um eine Rotation von einer Translation im k-Raum zu entkoppeln, betrachtet man für Rota tionen ausschließlich Beträge der komplexzahligen Werte. Somit ist eine Drehung des abzubildenden Bereichs gegenüber einem Referenz-Zeitpunkt durch ein Vergleichen von Betrags werten des Navigatorecho-Datensatzes mit denen des Referenz- Navigatorecho-Datensatzes ermittelbar. Für eine Translation werden die Phasenwerte verglichen.

Zum Erfassen beliebiger Lageveränderungen im dreidimensiona len Raum wird in drei zueinander orthogonalen Ebenen je ein orbitales Navigatorecho erzeugt. Bei Lageveränderungen mit Rotationen bis zu ±8° und Translationen bis zu ±8 mm muss für eine in diesem Rahmen beliebige Lageveränderung mit einer Ungenauigkeit der Lageveränderungserfassung von bis zu ca. ±1,5° und ±1,5 mm gerechnet werden. Für bestimmt gerichtete Lageveränderungen sind vorgenannte Genauigkeiten durch ein Wiederholen der orbitalen Navigatorechos verbesserbar. Dazu wird nach einem Vergleichen eines ersten Navigatorechos- Datensatzes mit dem Referenz-Navigatorechos-Datensatz ent sprechend einer ermittelten Lageveränderung eine Ortskodie rung angepasst und mit angepasster Ortskodierung ein zweiter Navigatorechos-Datensatz aufgenommen, der wiederum mit dem Referenz-Navigatorechos-Datensatz verglichen wird, was wie derum im Fall einer ermittelten Lageveränderung zum Anpassen der Ortskodierung führt. Insbesondere bei Lageveränderung mit einem Drehanteil sind damit hinsichtlich des Drehanteils aber keine verbesserten Genauigkeiten erzielbar. Vorausgehendes, zu den orbitalen Navigatorechos Beschriebenes, ist beispielsweise in dem Artikel von H. A. Ward et al., "Prospective Mul tiaxial Motion Correction for fMRI", Magnetic Resonance in Medicine 43 (2000), Seiten 459 bis 469 näher ausgeführt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem Lageveränderun gen, unter anderem mit einer hohen Genauigkeit, erfassbar sind.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Gemäß Anspruch 1 beinhaltet ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts, bei dem eine Lageveränderung eines abzubildenden Bereichs eines Untersuchungsobjekts gegenüber einem Abbildungsvolumen des Geräts mittels orbitaler Naviga torechos erfasst wird, folgende Merkmale:

- Wenigstens ein Referenz-Datensatz mit Datenpunkten wird erzeugt, wobei
- die Datenpunkte im k-Raum wenigstens auf einer Teilfläche einer Kugeloberfläche, die Teilfläche gitterartig bele gend angeordnet sind und
- die Teilfläche sich wenigstens um einen Großkreis der Ku geloberfläche herum entsprechend einem maximal zu erwar tenden Winkelbereich der Lageveränderung erstreckt, und
- zum Erfassen der Lageveränderung wird ein Datensatz wenigs tens eines der orbitalen Navigatorechos mit dem Referenz- Datensatz verglichen.

Dadurch werden gegenüber dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik, bei dem als Referenz lediglich Datenpunkte herange zogen werden, die auf drei zueinander orthogonalen Kreisbah nen auf der Kugeloberfläche angeordnet sind, durch das flä chendeckende Belegen der Teilfläche mit Datenpunkten deutlich verbesserte Genauigkeiten bei der Lageveränderungserfassung erzielt. Dies gilt insbesondere für einen Anteil an einer Lageveränderung, der auf eine Drehung des abzubildenden Be reichs zurückzuführen ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Teilfläche gleich der Kugeloberfläche. Dadurch sind nahezu beliebige Drehungen im weiten Bereich von größer 0° bis kleiner 180° hochgenau erfassbar.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zum Erfassen der Lageveränderung ein Datensatz einer Kombination von zwei orbitalen Navigatorechos, deren kreisförmige k-Raum-Pfade zwei zueinander orthogonale Ebenen aufspannen, mit dem Refe renz-Datensatz verglichen. Dadurch ist gegenüber dem Verfah ren gemäß dem Stand der Technik, bei dem eine Kombination von drei zueinander orthogonalen orbitalen Navigatorechos nötig ist, eine beliebige dreidimensionale Lageveränderung bereits mit der Kombination zweier orbitaler Navigatorechos hochgenau erfassbar. Dadurch wird bei Anwendungen, bei denen mehrfach aufeinanderfolgend Kombinationen vorgenannter Art zum Erfas sen beliebiger dreidimensionaler Lageveränderungen erzeugt werden, gegenüber dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik eine Verkürzung einer Aufnahmedauer erzielt. Dabei wird eine gegenüber dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik verlän gerte Aufnahmedauer für den Referenz-Datensatz durch die verkürzten Aufnahmedauern für die Kombinationen orbitaler Navigatorechos mit einer bestimmten Anzahl von Kombinationen überkompensiert.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungs beispielen der Erfindung anhand der Zeichnungen. Dabei zei gen:

Fig. 1 ein Ablaufdiagramm bei einer funktionellen Magnetre sonanzbildgebung,

Fig. 2 eine Prinzipskizze eines Magnetresonanzgeräts,

Fig. 3 für einen Referenz-Datensatz eine mit Datenpunkten belegte Kugeloberfläche im k-Raum,

Fig. 4 für einen Referenz-Datensatz eine mit Datenpunkten belegte Teilfläche, entsprechend den gekrümmten Oberflächen von Kugelkeilen im k-Raum,

Fig. 5 für einen Referenz-Datensatz eine mit Datenpunkten belegte Teilfläche, entsprechend den gekrümmten Oberflächen von Kugelschichten im k-Raum,

Fig. 6 zum Erläutern eines systematischen Fehlers beim Ver fahren gemäß dem Stand der Technik einen dreidimensionalen k- Raum-Datensatz mit drei zueinander orthogonalen Schnittebenen und Kreisbahnen und

Fig. 7 den gegenüber der Fig. 6 um eine Achse gedrehten dreidimensionalen k-Raum-Datensatz mit drei weiteren zueinan der orthogonalen Schnittebenen und Kreisbahnen.

Fig. 1 zeigt als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Ablaufdiagramm bei einer funktionellen Magnetresonanzbildge bung mit den Schritten 11 bis 16. Dabei wird zur Beschreibung des Ablaufdiagramms der Fig. 1 beispielhaft auf das in der Fig. 2 als Prinzipskizze dargestellte Magnetresonanzgerät zurückgegriffen.

Das Magnetresonanzgerät der Fig. 2 umfasst zum Erzeugen eines Grundmagnetfeldes ein Grundfeldmagnetsystem 21 und zum Erzeugen von Gradientenfeldern ein Gradientenspulensystem 22. Zum Homogenisieren des Grundmagnetfeldes ist in das Gradien tenspulensystem 22 ein Shim-Spulensystem 23 integriert. Zum Steuern von Strömen im Gradientenspulensystem 22 sowie im Shim-Spulensystem 23 sind die beiden Systeme 22 und 23 mit einem zentralen Steuersystem 24 verbunden. Ferner umfasst das Gerät eine verfahrbare Lagerungsvorrichtung 25, auf der als ein Untersuchungsobjekt ein Patient 29 gelagert wird. Des weiteren umfasst das Gerät ein Hochfrequenzsystem 26, das gesteuert vom zentralen Steuersystem 24 zum Auslösen von Magnetresonanzsignalen Hochfrequenzsignale in den Patienten 29 einstrahlt und die erzeugten Magnetresonanzsignale auf nimmt.

Das zentrale Steuersystem 24 ist dabei derart ausgebildet, dass vom Gradientenspulensystem 22 erzeugte Gradientenfelder, gegebenenfalls in Verbindung mit vom Hochfrequenzsystem 26 erzeugte Hochfrequenzfelder, so einstellbar sind, dass sie eine Ortskodierung der Magnetresonanzsignale innerhalb des Untersuchungsobjekts bewirken. Ferner ist das zentrale Steu ersystem 24 derart ausgebildet, dass durch ein Einstellen von Shim-Strömen des Shim-Spulensystems 23 sowie von Offset- Strömen des Gradientenspulensystems 22 das Grundmagnetfeld im Abbildungsvolumen 27 des Geräts in Abhängigkeit von dem we nigstens teilweise im Abbildungsvolumen 27 gelagerten Unter suchungsobjekt homogenisierbar ist. Desweiteren ist das zent rale Steuersystem 24 zum Steuern eines Verfahrens der ver fahrbaren Lagerungsvorrichtung 25 entsprechend mit der Lage rungsvorrichtung 25 verbunden.

Zu Beginn einer Magnetresonanzuntersuchung wird der Patient 29 auf der möglichst weit aus dem Grundfeldmagnetsystem 21 ausgefahrenen Lagerungsvorrichtung 25 gelagert. Dabei wird der Patient 29 entsprechend der funktionellen Magnetresonanz bildgebung, bei der ein Kopf des Patienten 29 den abzubilden den Bereich darstellt, mit dem Kopf voran auf der Lagerungs vorrichtung 25 gelagert. Daraufhin wird die Lagerungsvorrich tung 25 derart verfahren, dass der Kopf im Abbildungsvolumen 27 des Geräts positioniert ist. Nach dem Positionieren des Kopfes bzw. gleichzeitig mit dem Positionieren werden die Offset-Ströme sowie die Shim-Ströme so eingestellt, dass für den im Abbildungsvolumen 27 positionierten Kopf eine optimale Homogenisierung des Grundmagnetfeldes erzielt wird.

Daraufhin wird im Schritt 11 des Ablaufdiagramms der Fig. 1 ein Referenz-Datensatz erzeugt, der im Rahmen der funktionel len Magnetresonanzbildgebung zum Erfassen von Lageveränderun gen des Kopfes bezüglich des Abbildungsvolumens 27 von Bild datensatz zu Bilddatensatz als Vergleichsgrundlage verwendet wird. Dabei umfasst der in der Fig. 3 anschaulich darge stellte Referenz-Datensatz Datenpunkte 34, die im k-Raum auf einer Kugeloberfläche 32, diese flächendeckend belegend, angeordnet sind.

Jedem Datenpunkt 34 ist ein komplexzahliger Wert zugeordnet. Der Referenz-Datensatz wird beispielsweise durch eine Viel zahl, beispielsweise 128, orbitaler Navigatorechos gebildet, deren kreisförmige k-Raum-Pfade 36 äquidistant auf der Kugel oberfläche 32 verteilt sind und Meridiane der Kugeloberfläche 32 darstellen. Die auf den Meridianen verteilten Abtastpunkte bilden dabei die entsprechenden Datenpunkte 34 des Referenz- Datensatzes. Da vorgenannte orbitale Navigatorechos mit einem Gradientenechoverfahren mit einem kleinen Flip-Winkel von etwa 10° und mit einer kurzen Repetitionszeit aufgenommen werden, ist für den Referenz-Datensatz eine Aufnahmedauer von weniger als 20 s erzielbar. Damit bleibt die Aufnahmedauer des Referenz-Datensatzes in einem akzeptablen Rahmen.

In einem Schritt 12 des Ablaufdiagramms der Fig. 2 wird vom Kopf des Patienten 29 als abzubildenden Bereich ein erster Bilddatensatz aufgenommen. Dabei wird der Bilddatensatz mit tels einem Echoplanarverfahren als dreidimensionaler Bildda tensatz erzeugt. Mit dem Echoplanarverfahren ist eine schnel le Erzeugung von großen dreidimensionalen Bilddatensätzen durchführbar. In anderen Ausführungen sind neben dem Echopla narverfahren und dessen Hybriden auch ähnlich schnelle Ver fahren, beispielsweise Multispinechoverfahren und/oder kombi nierte Gradientenecho-Spinechoverfahren, gegebenenfalls in Verbindung mit einer Halb-Fourier-Technik, einsetzbar.

Nach einem vorgebbaren Zeitablauf ab der Aufnahme des ersten Bilddatensatzes, während dem der Patient 29 eine kognitive, sensorische oder motorische Aufgabe abarbeitet, beispielswei se ein bestimmtes Bewegen eines bestimmten Fingers, wird in einem Schritt 16 des Ablaufdiagramms der Fig. 1 ein weiterer Bilddatensatz des Kopfes aufgenommen. Zum Identifizieren an der kognitiven, sensorischen oder motorischen Aufgabe betei ligten Hirnareale werden die beiden Bilddatensätze im Wesent lichen voneinander subtrahiert. Dabei führen bereits kleinste Lageveränderung des Kopfes zwischen den Aufnahmezeitpunkten des ersten und des weiteren Bilddatensatzes zu Verfälschun gen. Damit vorgenannte Verfälschungen infolge einer Lagever änderung des abzubildenden Bereichs nicht auftreten, sind dem Schritt 16 die Schritte 13 bis 15 unmittelbar vorgeschaltet. Dazu werden in den Schritten 13 bis 15 orbitale Navigator echos aufgenommen, deren Navigatorechos-Datensatz wird mit dem Referenz-Datensatz zum Ermitteln einer eventuellen Lage veränderung des Kopfes verglichen und im Falle einer ermit telten Lageveränderung wird eine Ortskodierung und/oder eine Shim-Einstellung für die Aufnahme des weiteren Bilddatensat zes entsprechend angepasst.

Dazu wird im Schritt 13 des Ablaufdiagramms der Fig. 1 der Navigatorechos-Datensatz erzeugt, dem drei orbitale Naviga torechos, deren kreisförmige k-Raum-Pfade drei zueinander orthogonale Ebenen aufspannen, zugrunde liegen. Dabei ist jedem der Datenpunkte des Navigatorechos-Datensatzes ein komplexzahliger Wert zugeordnet, wobei die mit komplexzahli gen Werten belegten Datenpunkte aus einer entsprechenden Abtastung der orbitalen Navigatorechos hervorgehen. Im Schritt 14 des Ablaufdiagramms wird durch ein Vergleichen des Navigatorechos-Datensatzes mit dem Referenz-Datensatz eine eventuell aufgetretene Lageveränderung des Kopfes ermittelt.

Im Folgenden wird beispielhaft erläutert, wie der Navigator echos-Datensatz zum Erfassen einer Lageveränderung mit dem Referenz-Datensatz verglichen wird. Zunächst wird dazu aus Gründen einer anschaulichen Darstellung eine Ebenen-Anordnung eingeführt, die aus drei zueinander orthogonalen Ebenen be steht, die sich in einem zur Kugeloberfläche 32 gehörenden Kugelmittelpunkt schneiden. Dabei definieren Schnittlinien der Ebenen-Anordnung mit der Kugeloberfläche 32 durch eine entsprechende Auswahl von Datenpunkten 34 des Referenz- Datensatzes einen Auswahl-Datensatz.

Zum Ermitteln des Anteils der Lageveränderung, dem eine Rota tion des abzubildenden Bereichs zuordenbar ist, wird bei spielsweise wie folgt vorgegangen: Durch ein schrittweises Drehen der Ebenen-Anordnung um den Kugelmittelpunkt wird derjenige Auswahl-Datensatz gesucht, der eine maximale Über einstimmung mit dem Navigatorechos-Datensatz aufweist. Als ein Kriterium, dass die maximale Übereinstimmung erzielt ist, dient eine Abstandsfunktion, die durch einen möglichst null nahen Wert die maximale Übereinstimmung anzeigt. Die Ab standsfunktion wird beispielsweise dadurch gebildet, dass für im Auswahl- und Navigatorechos-Datensatz entsprechend ange ordnete Datenpunkte zwischen deren Betragswerten eine Diffe renz gebildet wird und dass mit den Differenzen aller Daten punktpaare eine Summe gebildet wird.

Gestartet wird nun mit einem Auswahl-Datensatz, der durch eine Ausrichtung der Ebenen-Anordnung entsteht, so dass dem Auswahl-Datensatz bezüglich dem Navigatorechos-Datensatz eine gleiche Ortskodierung zuordenbar ist. Ist dabei die entste hende Summe ungleich Null - Null würde bedeuten, dass keine Rotation des abzubildenden Bereichs zwischen den Aufnahme zeitpunkten des Referenz- und des Navigatorechos-Datensatzes stattgefunden hat - so wird nach demjenigen Auswahl-Datensatz gesucht, für den die Summe möglichst nullnah wird. Dies er folgt beispielsweise in einem iterativen Verfahren. Zum Bestimmen weiterer Auswahl-Datensätze wird die Ebenen- Anordnung um eine vorgebbare Schrittweite um den Kugelmittel punkt gedreht und die jeweils entstehende Summe betrachtet. Dabei ist je nach Schnittweite der Rotationen zum Bilden des jeweiligen Auswahl-Datensatzes gegebenenfalls ein entspre chendes Interpolieren zwischen Datenpunkten 34 des Referenz- Datensatzes erforderlich. Eine Verdrehung desjenigen Auswahl- Datensatzes, der das nullnächste Summenergebnis liefert, bestimmt schließlich den Drehanteil der gesuchten Lageverän derung.

Vorausgehend beschriebene Optimierungsaufgabe wird in zeitef fizienter Weise durch ein auf einem Rechnersystem lauffähiges Verfahren gelöst. Dazu wird beispielhaft auf das Nelder-Mead- Verfahren, auch als Downhill-Simplex-Verfahren bezeichnet, das beispielsweise im Buch von W. H. Press et al. "Numerical Recipes in C. The art of scientific computing", Cambridge Univ. Pr., 1992, Seiten 408 bis 412, beschrieben ist, und auf das Gauß-Newtonsche Verfahren hingewiesen, das bereits ein gangs erwähnt ist.

Ein Translationsanteil der Lageveränderung wird schließlich aus einer entsprechenden Auswertung von Phasenwerten für Datenpunkte des Navigatorechos- und Referenz-Datensatzes ermittelt.

Für den Fall, dass eine Lageveränderung des Kopfes stattge funden hat, wird in einem Schritt 15 des Ablaufdiagramms der Fig. 1 entsprechend der ermittelten Lageveränderung eine Ortskodierung und/oder eine Shim-Einstellung für den im Schritt 16 aufzunehmenden weiteren Bilddatensatz entsprechend nachgeführt. Ist dahingegen im Schritt 14 keine Lageverände rung ermittelt worden, so wird der weitere Bilddatensatz im Schritt 16 gegenüber dem ersten Bilddatensatz des Schritts 12 mit einer unveränderten Ortskodierung und einer unveränderten Shim-Einstellung aufgenommen.

Die Schritte 13 bis 16 des Ablaufdiagramms werden je nach Erfordernis der funktionellen Bildgebung entsprechend oft wiederholt.

In anderen Ausführungsformen werden anstelle des Referenz- Datensatzes der Fig. 3, dessen Datenpunkte 34 im k-Raum auf der Kugeloberfläche 32 diese flächendeckend belegend angeord net sind, Referenz-Datensätze entsprechend den Fig. 4 oder 5 verwendet, bei denen lediglich eine Teilfläche der Kugel oberfläche 32 flächendeckend mit Datenpunkten belegt ist. Dabei sind Referenz-Datensätze, deren Datenpunkte eine Teil fläche einer Kugeloberfläche abdecken, zum Erfassen von Lage veränderungen vorteilhaft einzusetzen, bei denen ein maximal zu erwartender Winkelbereich der Lageveränderungen um die von den orbitalen Navigatorechos aufgespannten Ebenen, insbeson dere ±30° nicht übersteigend, angebbar ist. Die Referenzda tensätze der Fig. 4 und 5 können dabei ähnlich dem Refe renz-Datensatz der Fig. 3 durch orbitale Navigatorechos gebildet werden. Gegenüber dem Referenz-Datensatz der Fig. 3 ist dabei aber für eine vergleichbare Flächendichte von Da tenpunkten eine deutlich geringere Anzahl von orbitalen Navi gatorechos notwendig, so dass die Referenz-Datensätze der Fig. 4 und 5 schneller aufgenommen werden können.

Die Fig. 4 zeigt für einen Referenz-Datensatz eine mit Da tenpunkten belegte Teilfläche einer Kugeloberfläche, entspre chend den gekrümmten Oberflächen eines ersten Paares von Kugelkeilen 41 und 42 und eines zweiten Paares von Kugelkei len 46 und 47. Dabei weisen die Kugelkeile 41 und 42 einen ersten gemeinsamen Kugelkeildurchmesser 43, bezüglich dem die Kugelkeile 41 und 42 des ersten Paares achsensymmetrisch angeordnet sind, und eine mittige Großkreisfläche 44 auf. Die Kugelkeile 46 und 47 des zweiten Paares weisen ebenfalls einen gemeinsamen Kugelkeildurchmesser 48, bezüglich dem die Kugelkeile 46 und 47 achsensymmetrisch angeordnet sind, und eine mittige Großkreisfläche 49 auf. Dabei sind die Kugel keildurchmesser 43 und 48 sowie die Großkreisflächen 44 und 49 der beiden Paare untereinander rechtwinkelig ausgerichtet. Die Großkreisflächen 44 und 49 sind dabei entsprechend den von zwei zueinander orthogonalen orbitalen Navigatorechos eines ersten Navigatorechos-Datensatzes aufgespannten Ebenen gewählt. Ein Keilwinkel 45 der Kugelkeile 41, 42, 46 und 47 ist entsprechend einem maximal zu erwartenden Winkelbereich der zu erfassenden Lageveränderung gewählt.

Die Fig. 5 zeigt für einen Referenz-Datensatz eine mit Da tenpunkten belegte Teilfläche einer Kugeloberfläche, entspre chend den gekrümmten Flächen dreier Kugelschichten 51, 53 und 55. Dabei weist jeder der Kugelschichten 51, 53 bzw. 55 eine zugehörige mittige Großkreisfläche 52, 54 bzw. 56 auf, bezüg lich derer die jeweilige Kugelschicht 51, 53 bzw. 55 symmet risch ist. Die Großkreisflächen 52, 54 und 56 sind unterein ander rechtwinklig orientiert und sind beispielsweise ent sprechend den von drei zueinander orthogonalen Navigatorechos eines ersten Navigatorechos-Datensatzes aufgespannten Ebenen gewählt. Eine Dicke 58 der Kugelschichten 51, 53 und 55 ist dabei entsprechend einem maximal erwarteten Winkelbereich der zu erfassenden Lageveränderung gewählt.

Anhand der Fig. 6 und 7 wird schließlich erläutert, warum ein Erfassen von Lageveränderungen gemäß dem Stand der Tech nik, bei dem von Bilddatensatz zu Bilddatensatz Navigator echos-Datensätze dreier zueinander orthogonaler orbitaler Navigatorechos miteinander verglichen werden, insbesondere bei Lageveränderungen mit einem Drehanteil, gänzlich schei tert bzw. nur eine mäßige Genauigkeit liefert.

Gemäß dem Stand der Technik wird für einen im Abbildungsvolu men positionierten abzubildenden Bereich ein erster Naviga torechos-Datensatz, bestehend aus drei zueinander orthogona len orbitalen Navigatorechos, aufgenommen. Dabei darf man sich den ersten Navigatorechos-Datensatz aus Gründen der Anschaulichkeit aus einem den abzubildenden Bereich wiederge benden, dreidimensionalen k-Raum-Datensatz 60, der in Fig. 6 dargestellt ist und gitterartig dicht mit Datenpunkten ge füllt sei, wie folgt entstanden vorstellen:
Der k-Raum-Datensatz 60 ist in einem k-Raum mit den k-Raum- Koordinatenachsen k_x, k_y und k_z angeordnet. Die drei k-Raum- Ebenen k_x-k_y, k_y-k_z und k_x-k_z definieren innerhalb des k-Raum- Datensatzes 60 drei Schnittebenen 61, 62 und 63. In der Schnittebene 61, 62 bzw. 63 wird eine Kreisbahn 161, 162 bzw. 163 gelegt. Dabei weisen die Kreisbahnen 161, 162 und 163 einen gleichen Durchmesser und gleichen Mittelpunkt auf. Die entlang der drei Kreisbahnen 161, 162 und 163 befindlichen Datenpunkte bilden somit den ersten Navigatorechos-Datensatz. Die drei Kreisbahnen 161, 162 und 163 repräsentieren also die drei orbitalen Navigatorechos. Es sei nochmals darauf hinge wiesen, dass vorgenannte Herleitung des ersten Navigator echos-Datensatzes lediglich der Veranschaulichung dienen soll. In der Praxis werden für den ersten Navigatorechos- Datensatz dessen Datenpunkte ausschließlich und unmittelbar aufgenommen, ohne dazu einen kompletten, den abzubildenden Bereich beschreibenden k-Raum-Datensatz 60 aufzunehmen.

Nach einem Zeitablauf, während dem beispielsweise eine Dre hung des abzubildenden Bereichs um eine Achse stattfindet, wird ein zweiter Navigatorechos-Datensatz, wiederum bestehend aus drei zueinander orthogonalen orbitalen Navigatorechos mit einer gegenüber dem ersten Navigatorechos-Datensatz unverän derter Ortskodierung aufgenommen. Aus Gründen der Anschau lichkeit wird ein Entstehen des zweiten Navigatorechos- Datensatzes wiederum unter Zuhilfenahme des k-Raum-Daten satzes 60 und der Fig. 7 erläutert.

Aufgrund vorgenannter Drehung des abzubildenden Bereichs ist der den abzubildenden Bereich wiedergebende k-Raum-Datensatz 60 gemäß den Gesetzen der Fouriertransformation beispielswei se um die Koordinatenachse k_z gedreht. Dies ist in der Fig. 7 entsprechend dargestellt. Die drei k-Raum-Ebenen k_x-k_y, k_y- k_z und k_x-k_z definieren innerhalb des gedrehten k-Raum-Daten satzes 60 wiederum drei Schnittebenen 71, 72 und 73. In der Schnittebene 71, 72 bzw. 73 wird wiederum eine Kreisbahn 171, 172 bzw. 173 gelegt, wobei die Kreisbahnen 171, 172 und 173 wiederum den gleichen Durchmesser und den gleichen Mittel punkt aufweisen. Die entlang der drei Kreisbahnen 171, 172 und 173 befindlichen Datenpunkte bilden somit den zweiten Navigatorechos-Datensatz. Die drei Kreisbahnen 171, 172 und 173 entsprechen also den drei orbitalen Navigatorechos des zweiten Navigatorechos-Datensatzes.

Für die beiden Navigatorechos-Datensätze bedeutet dies nun, dass lediglich die orbitalen Navigatorechos entsprechend den Kreisbahnen 161 und 171 bezüglich dem k-Raum-Datensatz 60 aus ein und derselben Schnittebene 61 oder in diesem Sinne gleichbedeutend der Schnittebene 71 stammen. Dahingegen ent stammen die orbitalen Navigatorechos entsprechend den Kreis bahnen 162 und 172 bezüglich dem k-Raum-Datensatz 60 aus zwei unterschiedlichen Schnittebenen 62 und 72. Ebenso verhält es sich für die orbitalen Navigatorechos entsprechend den Kreis bahnen 163 und 173, die aus den bezüglich dem k-Raum- Datensatz 60 unterschiedlichen Ebenen 63 und 73 stammen.

Gemäß dem Stand der Technik werden zum Ermitteln einer Lage veränderung zwischen den Aufnahmezeitpunkten der beiden Navi gatorechos-Datensätze die Navigatorechos entsprechend den Kreisbahnen 161, 162 bzw. 163 mit denen der Kreisbahnen 171, 172 bzw. 173 verglichen. Zum Ermitteln eines Drehanteils der Lageveränderung werden für die Datenpunkte der Navigator echos-Datensätze lediglich deren Betragswerte betrachtet. Lediglich beim Vergleichen des orbitalen Navigatorechos ent sprechend der Kreisbahn 161 mit dem entsprechend der Kreis bahn 171 ist feststellbar, dass bei einer zyklischen Vertau schung entsprechend vorgenannter Drehung die Datenpunkte beider Navigatorechos von Datenpunkt zu Datenpunkt eine glei che Folge von Betragswerten aufweisen. Ursächlich dafür ist, dass sowohl das Navigatorecho entsprechend der Kreisbahn 161 als auch das Navigatorecho entsprechend der Kreisbahn 172 ein und derselben Schnittebene 61 oder 71 des k-Raum-Datensatzes 60 entstammen.

Beim Vergleichen von Datenpunkten des orbitalen Navigator echos entsprechend der Kreisbahn 162 mit dem entsprechend der Kreisbahn 172 ist keine einfache zyklische Vertauschung der Betragswerte als Messgröße für einen Drehanteil feststellbar, weil die zu vergleichenden Datenpunkte infolge ihrer Herkunft aus unterschiedlichen Schnittebenen 62 und 72 des k-Raum- Datensatzes 60 je nach Beschaffenheit des abzubildenden Be reichs unterschiedlichste Betragswerte aufweisen können. Dies gilt entsprechend für ein Vergleichen von Datenpunkten des orbitalen Navigatorechos entsprechend der Kreisbahn 163 mit dem entsprechend der Kreisbahn 173.

Findet eine Lageveränderung mit einer Drehung um mehr als die eine Achse statt, so scheitert das Bestimmen eines Drehan teils bei allen drei orbitalen Navigatorechos. Lediglich bei vergleichsweise kleinen Drehungen ändern sich innerhalb der Navigatorechos-Datensätze gleich angeordnete Betragswerte nicht derart stark, so dass das Verfahren gemäß dem Stand der Technik nicht komplett scheitert. Dabei werden aber nur die eingangs beschriebenen mäßigen Genauigkeiten erzielt. Anhand des vorausgehend Erläuterten ist auch klar, dass mit dem eingangs beschriebenen wiederholten Aufnehmen eines zweiten Navigatorechos-Datensatzes nach angepasster Ortskodierung für zu ermittelnde Drehanteile keine besseren Genauigkeiten er zielbar sind, weil damit vorausgehend beschriebener systema tischer Fehler beim Vergleichen gemäß dem Stand der Technik nicht vermieden wird. Dieser systematische Fehler tritt beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht auf.

Vorausgehendes am Beispiel der funktionellen Magnetresonanz bildgebung Beschriebenes ist entsprechend auf die Diffusions- und Perfusionsbildgebung sowie die normale Magnetresonanz bildgebung, bei der ein Magnetresonanzbild insbesondere nicht mit einem einzigen Sequenzdurchgang aufgenommen wird, über tragbar.

Bei der Diffusionsbildgebung ist das erfindungsgemäße Verfah ren problemlos einsetzbar, da die Diffusionskodierung den orbitalen Navigatorechos bzw. dem Erzeugen des Referenz- Datensatzes nachfolgend durchgeführt wird, so dass eine ge genseitige Beeinträchtigung von Lageveränderungserfassung und Diffusionskodierung ausschließbar ist.

Bei der normalen Magnetresonanzbildgebung, beispielsweise mit einem auf einer Mehrschichttechnik basierenden Turbospinecho verfahren, bei dem ein dreidimensionaler Bilddatensatz Schicht für Schicht aufgebaut wird, sind gemäß dem erfin dungsgemäßen Verfahren von Schichtaufnahme zu Schichtaufnahme Lageveränderungen des abzubildenden Bereichs erfassbar und entsprechend korrigierbar. In einer anderen Ausführung kann auch die Aufnahme einer zweidimensionalen Schicht einmal oder mehrfach unterbrochen werden, um gegebenenfalls aufgetretene Lageveränderungen mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren zu detektieren. Dies gilt in entsprechender Weise auch für Volu mentechniken.

Bei der Perfusionsbildgebung ist es dabei insbesondere vor teilhaft, für die orbitalen Navigatorechos sowie den Refe renz-Datensatz bezüglich dem abzubildenden Bereich einen vergleichsweise großen Durchmesser zu wählen, damit sich eine Kontrastmittelgabe, die vornehmlich Kontraständerungen in zentrumsnahen Regionen des abzubildenden Bereichs hervorruft, auf die Lageveränderungserfassung nicht beeinträchtigend auswirkt.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts, bei dem eine Lageveränderung eines abzubildenden Bereichs eines Un tersuchungsobjekts gegenüber einem Abbildungsvolumen des Geräts mittels orbitaler Navigatorechos erfasst wird, bein haltend folgende Merkmale:

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Großkreis einem kreisförmigen k-Raum-Pfad entspricht, den die Datenpunkte eines der orbitalen Navigatorechos bilden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei
die Teilfläche wenigstens die gekrümmten Oberflächen we nigstens zweier Paare von Kugelkeilen (41, 42, 46, 47) um fasst,
jedes der Paare einen gemeinsamen Kugelkeildurchmesser (43, 48), bezüglich dem die Kugelkeile (41, 42, 46, 47) des je weiligen Paares achsensymmetrisch angeordnet sind, und eine mittige Großkreisfläche (44, 49) aufweisen und
die Kugelkeildurchmesser (43, 48) und die Großkreisflächen (44, 49) der Paare untereinander orthogonal sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Teilfläche die gekrümmten Oberflächen dreier Paare von Kugelkeilen (41, 42, 46, 47) umfasst.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die Kugelkeile (41, 42, 46, 47) einen Keilwinkel (45) aufweisen und der Keilwinkel (45) in einem Bereich von etwa 5° bis 60° liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei
die Teilfläche wenigstens die gekrümmten Oberflächen we nigstens zweier Kugelschichten (51, 53, 55) umfasst,
jede der Kugelschichten (51, 53, 55) eine mittige Groß kreisfläche (52, 54, 56), bezüglich derer die jeweilige Ku gelschicht (51, 53, 55) symmetrisch ist, aufweist und
die Großkreisflächen (52, 54, 56) der Kugelschichten (51, 53, 55) untereinander orthogonal sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Teilfläche die gekrümmten Oberflächen dreier Kugelschichten (51, 53, 55) umfasst.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei eine Dicke (58) der Kugelschichten (51, 53, 55) in einem Bereich von etwa 5% bis 30% eines Durchmessers der Kugeloberfläche liegt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Teilfläche gleich der Kugeloberfläche ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die kreisförmigen k-Raum-Pfade der orbitalen Navigatorechos einen gleichen Durchmesser aufweisen.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Referenz-Datensatz den orbitalen Navigatorechos zeitlich vorausgehend aufgenommen wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei zum Erfassen der Lageveränderung ein Datensatz einer Kombination von zwei orbitalen Navigatorechos, deren kreisförmige k-Raum- Pfade zwei zueinander orthogonale Ebenen aufspannen, mit dem Referenz-Datensatz verglichen wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei zum Erfassen der Lageveränderung ein Datensatz einer Kombination von drei orbitalen Navigatorechos, deren kreisförmige k-Raum- Pfade drei zueinander orthogonale Ebenen aufspannen, mit dem Referenz-Datensatz verglichen wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei auf der Teilfläche wenigstens ein Kreispfad bestimmt wird, dessen jeweils benachbarte Datenpunkte eine Folge von Werten bilden, die möglichst gleich einer entsprechend gebildeten Folge von Werten für den Datensatz wenigstens einer der orbitalen Navi gatorechos ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Werte des Kreis pfades aus Werten des Referenz-Datensatzes durch eine Inter polation gebildet werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei bei komplexzahligen Werten deren Beträge berücksichtigt wer den.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei zum Bestimmen des Kreispfades ein Verfahren zur mehrdimensio nalen Minimierung einer Abstandsfunktion verwendet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei ein Nelder-Mead- Verfahren verwendet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei ein Gauß-Newtonsches Verfahren verwendet wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, beinhaltend folgende Schritte:

- Der Referenz-Datensatz wird erzeugt,

- ein erster Bilddatensatz des abzubildenden Bereichs wird erzeugt,
- wenigstens eine erste Kombination von orbitalen Navigator echos wird erzeugt,
- zum Erfassen einer Lageveränderung wird ein Datensatz der ersten Kombination mit dem Referenz-Datensatz verglichen,
- bei einer ermittelten Lageveränderung wird eine Ortskodie rung des Geräts entsprechend der ermittelten Lageverände rung nachgeführt und
- wenigstens ein weiterer Bilddatensatz des abzubildenden Bereichs wird erzeugt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei Ströme eines Shim- Spulensystems und/oder Offset-Ströme eines Gradientenspulen systems des Geräts entsprechend mit nachgeführt werden.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 oder 21, wobei wenigstens einer der Bilddatensätze als ein dreidimensionaler Bilddatensatz mit einem Echoplanarverfahren aufgenommen wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei der Referenz-Datensatz und/oder die orbitalen Navigatorechos mit einem Gradientenechoverfahren mit einem kleinen Flip-Winkel und einer kurzen Repetitionszeit aufgenommen werden.