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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts mit einem
Gradientensystem und einem Hochfrequenzsystem, die unter anderem
zur Ortskodierung von Magnetresonanzsignalen genutzt werden, bei
dem in einer zeitlichen Abfolge Magnetresonanzsignale wenigstens aus
Teilen eines abzubildenden Bereichs eines Untersuchungsobjekts akquiriert
werden.
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Die
Magnetresonanztechnik ist eine bekannte Technik zum Erzeugen von
Bildern eines Körperinneren
eines Untersuchungsobjekts. Dazu werden in einem Magnetresonanzgerät einem
statischen Grundmagnetfeld schnell geschaltete Gradientenfelder überlagert,
die von einem Gradientensystem des Geräts erzeugt werden. Ferner werden
von einem Hochfrequenzsystem des Geräts zum Auslösen von Magnetresonanzsignalen
Hochfrequenzsignale in das Untersuchungsobjekt eingestrahlt und
die ausgelösten
Magnetresonanzsignale aufgenommen, auf deren Basis Magnetresonanzbilder
erstellt werden. Dabei werden die aufgenommenen Magnetresonanzsignale
phasenempfindlich demoduliert und durch Abtastung und Analog-Digital-Wandlung
in komplexzahlige Werte überführt, die
in einer k-Raum-Matrix abgelegt werden, aus der mittels einer mehrdimensionalen
Fouriertransformation ein Magnetresonanzbild rekonstruierbar ist.
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Vorgenannte
Gradientenfelder werden dabei unter anderem zur Ortskodierung genutzt.
Das heißt, die
Gradientenfelder haben die Aufgabe die Beiträge einzelner Voxel eines abzubildenden
Bereichs des Untersuchungsobjekts zum aufgenommenen Magnetresonanzsignal
unterscheidbar zu machen. Dabei nutzt man die Gradientenfelder einerseits
in Verbindung mit den Hochfrequenzsignalen zum selektiven Anregen
einer vorgebbaren Region des Untersuchungsobjekts, beispielsweise
einer Schicht, und/oder andererseits zum räumlichen Kodieren innerhalb
einer angeregten Region, beispielsweise einer Schicht oder einem
größeren Volumen.
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Ein
Erzeugen bewegungsartefaktfreier Magnetresonanzbilder setzt eine
identische geometrische Positionierung des abzubildenden Bereichs über einen
ganzen Aufnahmezeitraum voraus. Insbesondere bei einer Invivo-Bildgebung
stehen Vorgenanntem physiologische Bewegungen entgegen, wie sie
durch eine Herzaktion, die Atmung und/oder eine Peristaltik von
Organen verursacht werden. Zum Eliminieren von Artefakten infolge
respiratorischer Bewegungen werden beispielsweise Magnetresonanzsignale
lediglich während
einer reproduzierbaren Atemphase angeregt und/oder aufgenommen.
In einer anderen Ausführung
werden unabhängig
von der Atembewegung aufgenommene Magnetresonanzbilder entsprechend
einem zeitlichen Verlauf der Atembewegung retrospektiv korrigiert.
Dazu ist bei beiden vorgenannten Techniken die Atembewegung beispielsweise
mittels eines Atemgürtels
entsprechend der
DE
39 35 083 A1 zu erfassen, mit dem die Atembewegung in ein
Drucksignal überführt wird,
das über einen
Druckschlauch an einen optischen Druckaufnehmer weitergeleitet wird.
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Bei
einer funktionellen Magnetresonanzbildgebung werden beispielsweise
alle zwei bis vier Sekunden dreidimensionale Bilddatensätze des
Hirns, häufig
mittels einem Echoplanarverfahren, aufgenommen. Nachdem viele Bilddatensätze zu verschiedenen
Zeitpunkten aufgenommen worden sind, werden zum Bilden sogenannter
Aktivierungsbilder die Bilddatensätze zum Identifizieren von
aktiven Hirnbereichen miteinander auf Signaldifferenzen hin vergleichen.
Dabei führen
bereits geringste Lageveränderungen
des Hirns während
eines gesamten Aufnahmezeitraums der funktionellen Magnetresonanzbildgebung
zu unerwünschten
Signaldifferenzen, die die gesuchte Hirnaktivierung überdecken.
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Bei
einer Ausführungsform
einer funktionellen Magnetresonanzbildgebung wird eine sogenannte
prospektive Bewegungskorrek tur während
eines Ablaufs der funktionellen Magnetresonanzbildgebung durchgeführt. Dazu
werden von Bilddatensatzaufnahme zu Bilddatensatzaufnahme eventuelle
Lageveränderungen,
d.h. Rotationen und Translationen, des abzubildenden Bereichs im
Sinne einer Starrkörperbewegung
beispielsweise durch orbitale Navigatorechos erfasst, und die Ortskodierung
wird zum Kompensieren der erfassten Lageveränderungen während des Ablaufs entsprechend
angepasst.
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Ein
orbitales Navigatorecho wird dabei ebenso wie ein zur Bildgebung
erzeugtes Magnetresonanzsignal aufgenommen und dessen komplexzahlige
Werte werden als Datenpunkte im k-Raum in einer Navigatorechomatrix
abgelegt, wobei die Datenpunkte einen kreisförmigen k-Raum-Pfad bilden.
Anhand von orbitalen Navigatorechos, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten
erzeugt werden, ist eine Lageveränderung
zwischen den Zeitpunkten ermittelbar. Dazu wird beispielsweise vor
jedem Aufnehmen eines Bilddatensatzes ein Navigatorecho aufgenommen
und zur Lageveränderungserfassung
eine zughörige
Navigatorechomatrix mit einer Referenz-Navigatorechomatrix verglichen.
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Zwischen
dem Bildraum und dem k-Raum besteht bekanntlich eine Verknüpfung über die
mehrdimensionale Fouriertransformation. Eine Translation des abzubildenden
Bereichs im Bildraum äußert sich
dabei, gemäß dem Verschiebungssatz
der Fouriertransformation, in einer veränderten Phase von komplexzahligen
Werten einer zugehörigen k-Raum-Matrix
des abzubildenden Bereichs. Eine Drehung des abzubildenden Bereichs
im Bildraum bewirkt dieselbe Drehung der zugehörigen k-Raum-Matrix. Um eine
Rotation von einer Translation im k-Raum zu entkoppeln, betrachtet
man für
Rotationen ausschließlich
Beträge
der komplexzahligen Werte. Somit ist eine Drehung des abzubildenden Bereichs
gegenüber
einem Referenz-Zeitpunkt durch ein Vergleichen von Betragswerten
der Navigatorechomatrix mit denen der Referenz-Navigatorechomatrix
ermittelbar. Für
eine Translation werden die Phasenwerte verglichen. Zum Kompensieren
einer so erfassten Lageveränderung
für einen
nachfolgend auf zunehmenden Bilddatensatz wird die Ortskodierung
entsprechend angepasst. Dadurch, dass bei der Magnetresonanztechnik
das Belegen von k-Raum-Matrizen durch die Gradientenfelder unmittelbar
steuerbar ist, sind Translationen und Rotationen des abzubildenden
Bereichs gemäß den Gesetzen
der Fouriertransformation unmittelbar durch eine entsprechend modifizierte
Gradientenfeldeinstellung kompensierbar. Entsprechendes gilt beim
selektiven Anregen einer vorgebbaren Region des Untersuchungsobjekts
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Zum
Erfassen beliebiger Lageveränderungen
im dreidimensionalen Raum wird in drei zueinander orthogonalen Ebenen
je ein orbitales Navigatorecho erzeugt. Hinsichtlich dem vorausgehend
zu den orbitalen Navigatorechos Beschriebenem wird beispielhaft
auf den Artikel von H.A. Ward et al., "Prospective Multiaxial Motion Correction
for fMRI", Magnetic
Resonance in Medicine 43 (2000), Seiten 459 bis 469, hingewiesen.
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US 5,800,354 betrifft ein
Verfahren zur Reduzierung von Bewegungsartefakten in Magnetresonanzbildern.
Dort ist das Hauptziel, eine verbesserte Messung der Position eines
sich bewegenden Körperteils
anzugeben. Dabei wird ein Navigationssignal ermittelt, das die aktuelle
Position des Körperteils
angibt. In einer Ausführungsform
wird aus einer Translation des Randes des Körperteils die momentane Position
des Körperteils
bestimmt, das bedeutet, dem Verfahren liegt die Annahme zugrunde,
dass das zu untersuchende Körperteil
ein starrer Körper ist.
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Ein
Verfahren zur Verwendung von Navigatorechos zur Korrektur von Bewegungsartefakten
in der Magnetresonanz wird durch
EP 0 909 958 A2 offenbart. Darin wird vorgeschlagen,
dass für
jede Bestrahlung des Zielgebiets mit Hochfrequenzpulsen ein Navigatorecho
erzeugt und gemessen wird. Die Phasen der Echosignale werden hierbei
anhand des erneut aufgenommenen Navigatorechos korrigiert. Hierdurch
ergibt sich eine Bewegungskor rektur bei Aufrechterhaltung einer
hohen zeitlichen Auflösung der
Bilder.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb
eines Magnetresonanzgeräts
zu schaffen, mit dem unter anderem ein Magnetresonanzbild frei von
Artefakten infolge von Verformungen eines abzubildenden Bereichs
aufnehmbar ist.
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Die
Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Bei
einem Verfahren gemäß Anspruch
1 zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts mit einem Gradientensystem
und einem Hochfrequenzsystem, die unter anderem zur Ortskodierung
von Magnetresonanzsignalen genutzt werden, bei dem in einer zeitlichen
Abfolge Magnetresonanzsignale wenigstens aus Teilen eines abzubildenden
Bereichs eines Untersuchungsobjekts akquiriert werden, wird eine
während
der zeitlichen Abfolge auftretende Verformung des abzubildenden
Bereichs erfasst und die Ortskodierung entsprechend der erfassten
Verformung angepasst.
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Dadurch
sind ohne ein retrospektives Korrigieren Magnetresonanzbilder eines
sich während
einer Magnetresonanzbildgebung verformenden abzubildenden Bereichs
aufnehmbar, die frei von Artefakten infolge der Verformungen sind.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Verformung mittels einer
Navigatorechotechnik erfasst. Dadurch ist bei einer Verformung,
die durch eine Atmung eines Untersuchungsobjekts hervorgerufen wird,
ein Einsatz eines Atemgürtels
zum Erfassen der Atembewegung verzichtbar.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand
der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine
Skizze eines Magnetresonanzgeräts,
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2 ein
Impuls- und Gradientenschema einer gespoilten Gradientenechosequenz,
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3 ein
Ablaufdiagramm für
ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts und
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4 ein
Anpassen einer Ortskodierung bei einer Streckung bzw. Stauchung
eines abzubildenden Bereichs.
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Die 1 zeigt
eine Skizze eines Magnetresonanzgeräts 10. Dabei umfasst
das Gerät 10 zum Erzeugen
eines Grundmagnetfeldes ein Grundfeldmagnetsystem 11 und
zum Erzeugen von Gradientenfeldern ein Gradientenspulensystem 12.
Des weiteren umfasst das Gerät 10 als
Bestanteil eines Hochfrequenzsystems ein Antennensystem 13,
das zum Auslösen
von Magnetresonanzsignalen Hochfrequenzsignale in ein Untersuchungsobjekt
ein strahlt und die erzeugten Magnetresonanzsignale aufnimmt. Ferner
umfasst das Gerät 10 eine
verfahrbare Lagerungsvorrichtung 15, auf der das Untersuchungsobjekt,
beispielsweise ein zu untersuchender Patient 19, gelagert
wird.
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Zum
Steuern von Strömen
im Gradientenspulensystem 12 aufgrund einer Sequenz ist
das Gradientenspulensystem 12 mit einem zentralen Steuersystem 16 verbunden.
Zum Steuern der abzustrahlenden Hochfrequenzsignale gemäß der Sequenz
sowie zum Weiterverarbeiten und Speichern der vom Antennensystem 13 aufgenommenen
Magnetresonanzsignale ist das Antennensystem 13 ebenfalls
mit dem zentralen Steuersystem 16 verbunden. Zum Steuern
eines Verfahrens der verfahrbaren Lagerungsvorrichtung 15,
beispielsweise um einen abzubildenden Bereich im Abdomen und/oder Thorax
des Patienten 19 in einem Abbildungsvolumen 18 des
Geräts 10 zu
positionieren, ist auch die Lagerungsvorrichtung 15 entsprechend
mit dem zentralen Steuersystem 16 verbunden. Das zentrale Steuersystem 16 ist
mit einer Anzeige- und Bedienvorrichtung 17 verbunden, über die
Eingaben eines Bedieners, beispielsweise der gewünschte Sequenztyp und Sequenzparameter,
dem zentralen Steuersystem 16 zugeführt werden. Des weiteren werden an
der Anzeige- und Bedienvorrichtung 17 unter anderem die
Magnetresonanzbilder angezeigt.
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Die 2 zeigt
ein Impuls- und Gradientenschema einer gespoilten Gradientenechosequenz. Dabei
sind Hochfrequenzsignale α und
ein Gradientenechosignal GE sowie Verläufe einer Gradientenstärke eines
Schichtauswahlgradienten Gz in einer z-Richtung,
eines Phasenkodiergradienten Gx in einer
x-Richtung und eines
Frequenzkodiergradienten Gy in einer y-Richtung über der
Zeit t dargestellt. Zur Auswahl einer Schicht, beispielsweise einer
zur x-y-Ebene parallelen abdominalen Schicht des Patienten 19,
wird zunächst
der Schichtauswahlgradient Gz entsprechend
einem Gradientenpuls Z1 geschaltet und gleichzeitig zur Hochfrequenzanregung
der ausgewählten
Schicht vom Antennensystem 13 ein Hochfrequenzsignal α abgestrahlt.
Unmittelbar daran anschließend
wird zum Rephasieren der Schichtauswahlgradient Gz entsprechend
dem Gradientenpuls Z2, zum Phasenkodieren der Phasenkodiergradient Gx entsprechend einem Gradientenpuls X2 und
zum Vorbereiten des Gradientenechosignals GE der Frequenzkodiergradient
Gy entsprechend dem Gradientenpuls Y2 geschaltet.
Unmittelbar daran anschließend
wird zum Erzeugen des Gradientenechosignals GE sowie zum Frequenzkodieren
der Frequenzkodiergradient Gy entsprechend
dem Gradientenpuls Y3 geschaltet. Dabei wird das Gradientenechosignal GE
vom Antennensystem 13 aufgenommen, phasenempfindlich demoduliert
und durch Abtastung und Analog/Digital-Wandlung in komplexzahlige
Werte überführt, die
als Datenpunkte eine Zeile einer zweidimensionalen k-Raum-Matrix
abgelegt werden. Nach dieser Datenakquisition wird schließlich zum Zerstören einer
noch vorhandenen Quermagnetisierung der Schichtauswahlgradient Gz entsprechend dem Gradientenpuls Z4 als
Spoiler geschaltet. Entsprechend einer Anzahl zu befüllender
Zeilen der k-Raum-Matrix wird vorausgehend beschriebenes Impuls-
und Gradientenschema mit der Repetitionszeit TR entsprechend oft
wiederholt. Dabei wird der Phasenkodiergradient Gx je
Wiederholung mit einer unterschiedlichen Gradientenstärke geschaltet.
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Die 3 zeigt
als ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung, ein Ablaufdiagramm für
ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts 10.
In einem ersten Schritt 31 des Ablaufdiagramms werden beispielsweise
entsprechend dem eingangs genannten Artikel von H.A. Ward von einem
abzubildenden Bereich des Patienten 19, beispielsweise
der zur x-y-Ebene parallelen abdominalen Schicht, Referenz-Navigatorechos
aufgenommen. Wird dabei das Verfahren zum Ausgleichen einer Atembewegung des
Patienten 19 eingesetzt, so ist bezüglich der Atembewegung ein
Zeitpunkt, an dem die Referenz-Navigatorechos aufgenommen werden,
willkürlich
festlegbar. Daran anschließend
wird in einem Schritt 32 im Rahmen einer Sequenz, beispielsweise der
in 2 dargestellten Gradientenechosequenz, eine Hochfrequenzanregung
durchgeführt
und daran anschließend
in einem Schritt 33 Daten von der abdominalen Schicht akquiriert.
Dabei wird eine erste Zeile einer der abdominalen Schicht zugehörigen zweidimensionalen
k-Raum-Matrix belegt.
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Bevor
mit dem Schritt 37 eine weitere Hochfrequenzanregung und
mit dem Schritt 38 eine weitere Datenakquisition zum Belegen
einer weiteren Zeile der k-Raum-Matrix durchgeführt wird, wird in den Schritten 34 bis 36 überprüft, ob eine
Verformung der abdominalen Schicht und/oder eine Lageveränderung
der abdominalen Schicht als starrer Körper bezüglich des Abbildungsvolumens 18 stattgefunden hat.
Gegebenenfalls wird darauf mit einem Anpassen der Ortskodierung
zum Vermeiden von Bewegungsartefakten im Magnetresonanzbild der
abdominalen Schicht reagiert. Dazu werden im Schritt 34 Navigatorechos
vom abzubildenden Bereich aufgenommen, die bezüglich den Referenz-Navigatorechos
mit einer unveränderten
Ortskodierung aufgenommen werden. Durch ein Vergleichen der Navigatorechos
mit den Referenz-Navigatorechos ist zwischen den Aufnahmezeitpunkten
der Echos eine Verformung des abzubildenden Bereichs und/oder eine
Lageveränderung
des abzubildenden Bereichs erfassbar.
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Ist
beispielsweise im Schritt 35 als Verformung eine Dehnung
bzw. Stauchung der abdominalen Schicht festgestellt worden, so wird
im Schritt 36 vor der weiteren Hochfrequenzanregung und
Datenakquisition der Schritte 37 und 38 die Ortskodierung entsprechend
angepasst, so dass sich ohne ein nachträgliches Korrigieren ein Magnetresonanzbild der
abdominalen Schicht ohne Bewegungsartefakte ergibt. Dieses Anpassen
der Ortskodierung ist bei der 4 genauer
beschrieben. Sind dahingegen im Schritt 35 keine Verformung
und/oder keine Lageveränderung
detektiert worden, so wird abgesehen von dem in seiner Stärke zu verändernden
Phasenkodiergradienten Gx mit einer unveränderten
Ortskodierung fortgefahren. Die Schritte 34 bis 38 werden
dabei so oft wiederholt, bis alle Zeilen der k-Raum-Matrix vollständig belegt sind.
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In
einer anderen Ausführung
werden Verformungen und/oder Lageveränderungen nicht gekoppelt an
jede Hochfrequenzanregung erfasst, sondern, beispielsweise der Vorgehensweise
bei einer funktionellen Magnetresonanzbildgebung vergleichbar, zwischen
den Aufnahmen vollständig
belegter zwei- oder dreidimensionaler Bilddatensätze erfasst. Ebenso ist das
Verfahren auch auf die Perfusions- und Diffusions-Bildgebung übertragbar.
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Die 4 zeigt
als ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung ein Anpassen einer Ortskodierung infolge einer Streckung
bzw. Stauchung der abdominalen Schicht. Lediglich aus Gründen einer
einfachen Darstellung und Erläuterung
wird dabei vorausgesetzt, dass die abdominale Schicht als Ganzes
keine Translations- und auch keine Rotationsbewegung im Sinne einer
Starrkörperbewegung
erfährt.
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Entsprechend
unterschiedlicher Atmungszustände
des Patienten 19 weist die abdominale Schicht einen Querschnitt 41 oder 42 auf.
Beim Querschnitt 41 der abdominalen Schicht wird gemäß der Gradientenechosequenz
der 2 eine erste Zeile der k-Raum-Matrix akquiriert. Dabei weisen
die Gradientenfeldstärke
des Phasenkodiergradienten Gx bzw. der Frequenzkodiergradienten
Gy, beispielsweise entsprechend den Gradientenpulsen
X2 bzw. Y2, bezüglich
der x- bzw. der y-Richtung einen örtlichen Verlauf X41 bzw. Y41
auf. Eine weitere Zeile der k-Raum-Matrix ist beim Querschnitt 42 der
abdominalen Schicht zu akquirieren. Dabei wird die Verformung der
abdominalen Schicht vom Querschnitt 41 hin zum Querschnitt 42 mittels
der Navigatorechotechnik detektiert. Die beiden Querschnitte 41 und 42 können dabei
wenigstens in einer guten Näherung durch
eine lineare Streckung bzw. Stauchung bezüglich einem Fixpunkt, der bei
beiden Querschnitten 41 und 42 im Wesentlichen
lageunverändert
bleibt, ineinander übergeführt werden.
Bei der axialen Schichtorientierung der abdominalen Schicht eignet sich
als Fixpunkt insbesondere die Wirbelsäule 45. Entsprechendes
gilt für
sagittale Schichtorientierungen. Dahingegen sind für koronare
Abdomenaufnahmen insbesondere die Hüftgelenke geeignet. Lediglich
der einfachen Darstellung und Erläuterung halber ist dabei die
Wirbelsäule 45 als
Fixpunkt in den Nullpunkt der x- und der y-Koordinatenachse gelegt.
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Für ein bewegungsartefaktfreies
Magnetresonanzbild der abdominalen Schicht ist zum Akquirieren der
weiteren Zeile der lineare Anteil der Streckung bzw. Stauchung durch
eine modifizierte Gradientenfeldeinstellung zu kompensieren. Dabei
wird die Streckung der abdominalen Schicht in y-Richtung, einhergehend
mit einer Stauchung in x-Richtung, durch ein Verkleinern der Gradientenstärke des Frequenzkodiergradienten
Gy entsprechend einem Verlauf Y42 und durch
ein Vergrößern der
Gradientenstärke
des Phasenkodiergradienten Gx entsprechend
dem Verlauf X42 jeweils im umgekehrt proportionalen Verhältnis zur
Streckung bzw. Stauchung kompensiert. Dabei wird die örtliche
Gradientenfeldstärke
bezogen auf den Fixpunkt linear skaliert. Darüber hinaus ist für die weitere
Zeile das Verändern der
Stärke
des Phasenkodiergradienten Gx entsprechend
den Erfordernissen der in 2 dargestellten Gradientenechosequenz
zu berücksichtigen.
Grundlage für
die vorgenannte Kompensation ist dabei, dass zwischen dem Bildraum
der abdominalen Schicht und ihrer k-Raum-Matrix gemäß den Gesetzen
der Fouriertransformation sich Streckungen bzw. Stauchungen des
Bildraumes in einer Stauchung bzw. Streckung des k-Raumes im umgekehrt
proportionalen Verhältnis
abbilden. Dadurch, dass bei der Magnetresonanztechnik das Belegen
von k-Raum-Matrizen durch die Gradientenfelder unmittelbar steuerbar
ist, sind Streckungen bzw. Stauchungen des abzubildenden Bereichs
unmittelbar durch eine modifizierte Gradientenfeldeinstellung kompensierbar.