DE10150137A1

DE10150137A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Magnetresonanz-Bildgebung

Info

Publication number: DE10150137A1
Application number: DE10150137A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Arneth; Gerhard Brinker; Richard Koellner; Klaus Ludwig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2001-10-11
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2021-10-12
Also published as: DE10150137B4; US6841999B2; US20030098687A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Magnetresonanz-Bildgebung unter Einhaltung von SAR-Grenzwerten, bei dem ein Patient (5) zur Durchführung einer Messung (15) in einem Magnetresonanz-Tomographen über zumindest eine Sendeantenne (3, 4) mit einer Hochfrequenz-Pulssequenz beaufschlagt wird und die erzeugten Magnetresonanzsignale ortsaufgelöst über zumindest eine Empfangsantenne (3, 4) erfasst und zur Erzeugung von Magnetresonanz-Bildern oder -Spektren weiterverarbeitet werden, wobei vor Durchführung der Messung (15) aktuelle SAR-Werte auf Basis von Patientendaten und einer Position des Patienten (5) relativ zur Sendeantenne (3, 4) für geplante Parameter der Messung (15) bestimmt und die Parameter ggf. verändert werden, bis die aktuellen SAR-Werte innerhalb der SAR-Grenzwerte liegen. Beim vorliegenden Verfahren erfolgt die Bestimmung der aktuellen SAR-Werte durch Vergleich der aktuellen Messsituation mit in einer Datenbank (8) vorgegebenen Messsituationen, für die vorausberechnete SAR-Werte abgespeichert sind. Als aktueller SAR-Wert wird der abgespeicherte SAR-Wert der der aktuellen Messsituation nächstkommenden Messsituation herangezogen. DOLLAR A Das vorliegende Verfahren führt zu einer deutlichen Verringerung des Rechenaufwandes zur Bestimmung der SAR-Werte während der Untersuchung und lässt bei entsprechend detalliert berechneten Datenbankwerten eine genauere Bestimmung der aktuellen SAR-Werte zu. Die hierdurch mögliche Reduzierung der Sicherheitsmarge ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Magnetresonanz-Bildgebung unter Einhaltung von SAR-Grenzwerten, bei dem ein Patient zur Durchführung einer Messung in einem Magnetresonanz-Tomographen über zumindest eine Sendeantenne mit einer Hochfrequenz-Pulssequenz beaufschlagt wird und die erzeugten Magnetresonanzsignale ortsaufgelöst über zumindest eine Empfangsantenne erfasst und zur Erzeugung von Magnetresonanz-Bildern oder -Spektren weiterverarbeitet werden, wobei vor Durchführung der Messung aktuelle SAR-Werte auf Basis von Patientendaten und einer Position des Patienten relativ zur Sendeantenne für geplante Parameter der Messung bestimmt und die Parameter ggf. verändert werden, bis die aktuellen SAR- Werte innerhalb der SAR-Grenzwerte liegen. Die Erfindung betrifft auch eine Magnetresonanz-Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Die Magnetresonanz-Tomographie ist eine bekannte Technik zur Gewinnung von Bildern des Körperinneren eines Untersuchungsobjekts. Zur Durchführung der Magnetresonanz-Tomographie erzeugt ein Grundfeldmagnet ein statisches relativ homogenes Grundmagnetfeld. Diesem Grundmagnetfeld werden während der Aufnahme von Magnetresonanz-Bildern schnell geschaltete Gradientenfelder zur Ortskodierung überlagert, die von sog. Gradientenspulen erzeugt werden. Mit einem oder mehreren Hochfrequenz-Sendeantennen werden Sequenzen von Hochfrequenz- Pulsen zur Auslösung von Magnetresonanz-Signalen in das Untersuchungsobjekt eingestrahlt. Die mit diesen Hochfrequenz- Pulsen hervorgerufenen Magnetresonanz-Signale werden von Hochfrequenz-Empfangsantennen empfangen. Auf Basis der aus dem jeweils betrachteten Messfeld (FoV = Field of View) empfangenen Magnetresonanz-Signale, das ein oder mehrere Körperschichten des Patienten umfassen kann, werden Schichtbilder des Körperinneren des Patienten berechnet und dargestellt.
Durch eine Verschiebung der Patientenliege innerhalb des Magnetresonanz-Tomographen lassen sich auf diese Weise alle Körperregionen vom Kopf bis zum Fuß vermessen.
Eine wesentliche Anforderung an moderne Magnetresonanz- Tomographen ist die Fähigkeit zur schnellen Bildgebung. Diese Forderung resultiert einerseits aus wirtschaftlichen Überlegungen, um pro Zeitintervall möglichst viele Patienten untersuchen zu können, und andererseits aus bestimmten medizinischen Fragestellungen, bei denen eine schnelle Bildgebung für das Untersuchungsergebnis erforderlich ist. Ein Beispiel hierfür ist die Verminderung von Bewegungsartefakten durch Bewegung des Patienten während der Messung.
Die für eine schnelle Bildgebung erforderliche hohe Repetitionsrate der Hochfrequenz-Sendepulse bzw. Sendepulssequenzen führt jedoch auch zu einer höheren Belastung des Patienten mit elektromagnetischer Strahlung. Durch die gesetzlichen Vorschriften sind Grenzwerte dieser SAR-Belastung (SAR = Specific Absorbtion Rate) vorgegeben, die bei der Magnetresonanz-Bildgebung nicht überschritten werden dürfen. Da moderne Magnetresonanz-Tomographen technisch in der Lage sind, den Patienten mit deutlich höheren SAR-Werten zu belasten, müssen zur Durchführung einer Messung sog. SAR-Monitore eingesetzt werden, um die Einhaltung der Grenzwerte bei der Messung zu gewährleisten. Hierbei müssen neben den Ganzkörper-SAR- Grenzwerten auch spezielle Grenzwerte für verschiedene Körperbereiche beachtet werden, wobei grundsätzlich zwischen Ganzkörper- Teilkörper- und Lokalexposition unterschieden werden muss.
Die SAR-Belastung ist einerseits von den individuellen Patientendaten und andererseits von der Position des Patienten relativ zur Sendeantenne, der Art der Sendeantenne und der Sendeleistung abhängig, welche im Wesentlichen durch die Art der Pulssequenz, die verwendeten Kippwinkel der HF-Pulse, die Repetitionsrate und die Anzahl simultan akquirierter Schichten bestimmt wird. Die Parameter der Messung sind hierbei in der Regel in einem Messprotokoll zusammengefasst.
Die Bestimmung der SAR-Werte für die jeweilige Messsituation, d. h. für die individuellen Daten des Patienten, die Position des Patienten relativ zur Sendeantenne, die Art der Sendeantenne, die Hochfrequenz-Pulsleistung sowie die weiteren Messparameter, wie Repetitionsrate oder Anzahl der zu vermessenden Schichten, erfolgt bislang bei Beginn der eigentlichen Messung. Aufgrund der zahlreichen Einflussparameter wird zur Berechnung der aktuellen SAR-Werte ein sehr grobes Simulationsmodell eingesetzt, um den Zeitaufwand für die Berechnung in Grenzen zu halten. Die Anwendung eines sehr groben Simulationsmodells erfordert jedoch wiederum die Berücksichtigung entsprechend großer Toleranzen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Magnetresonanz-Bildgebung unter Einhaltung von SAR-Grenzwerten anzugeben, die eine genauere Bestimmung der SAR-Werte bei verringertem Zeitaufwand und insbesondere geringeren Toleranzen für die Bestimmung dieser Werte unmittelbar vor der Durchführung der Messung und auch während der Vorausplanung mehrerer Messungen hintereinander - auch mit zwischenzeitlichem Verfahren der Patientenliege - ermöglichen.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem vorliegenden Verfahren erfolgt die Bestimmung der aktuellen SAR-Werte durch Vergleich der aktuellen Messsituation mit in einer Datenbank vorgegebenen Messsituationen, für die vorausberechnete SAR-Werte abgespeichert sind. Als aktueller SAR-Wert wird dabei der abgespeicherte SAR-Wert der der aktuellen Messsituation nächstkommenden Messsituation der Datenbank herangezogen. Bei abweichenden Patientendaten und/oder abweichenden Parametern der Messung wird der abgespeicherte SAR-Wert entsprechend der Abweichungen skaliert. Unter Messsituation wird hierbei die Gesamtheit aller für die Berechnung der SAR-Werte maßgeblichen bekannten Daten der durchzuführenden Messung verstanden. Zu diesen Daten können die Patientendaten, wie Gewicht, Größe, Gestalt und Zusammensetzung des Gewebes des Patienten zählen, die Position des Patienten relativ zur Sendeantenne während der Messung, die Art und Geometrie der Sendeantenne sowie die Parameter der Messung, wie beispielsweise die Anzahl der zu vermessenden Schichten, die zu vermessenden Körperbereiche, die Art der Pulssequenz, die Repetitionsrate sowie die HF-Pulsleistung, die in einem Messprotokoll zusammengefasst sind.
Die aktuellen SAR-Werte sind in bekannter Weise nach den Aspekten "Ganzkörper", "Teilkörper" und "lokal" sowie teilweise auch nach Körperregionen (z. B. Teilkörper Kopf, lokal im Kopf, lokal in den Extremitäten, Augen, Hoden, . . .) zu differenzieren und getrennt zu bestimmen. Sie müssen hierbei selbstverständlich innerhalb der zugehörigen Grenzwerte liegen.
Die in der Datenbank abgespeicherten Messsituationen können hierbei exakt mit der aktuellen Messsituation übereinstimmen, so dass keinerlei Skalierung der abgespeicherten SAR-Werte erforderlich ist. Stimmen die Daten der nächstkommenden Messsituation nicht mit der aktuellen Messsituation überein, so werden die abgespeicherten SAR-Werte im Verhältnis der Abweichung der jeweiligen abweichenden Größe skaliert.
Die Daten der Datenbank können vorab sehr genau berechnet werden, da die notwendigen Berechnungen off-line erstellt werden, und daher die zur Verfügung stehende Rechenzeit kein prinzipielles Thema ist, - im Gegensatz zu der online Berechnung während der Untersuchung. Einmal berechnet, kann das Ergebnis beliebig oft verwendet werden. Die Datenbank enthält vorzugsweise SAR-Werte für eine Vielzahl von Messsituationen, insbesondere für Ganzkörpermessung, Teilkörpermessung oder Lokalmessung, für verschiedene Patientengruppen vom Kleinkind bis zum Erwachsenen - dabei differenziert nach schlank bis dick, muskulös bis adipös -, für unterschiedliche Liegepositionen vom Kopf bis zum Fuß, für unterschiedliche Spulen bzw. Antennensysteme, wie beispielsweise Ganzkörperspule, Body- Resonator oder sendende Kopfspule. Die SAR-Werte wurden für jede Messsituation vorzugsweise unter Zugrundelegung einer Referenz-Bedingung berechnet, welche vorteilhafter Weise die einfache Skalierung der Datenbank-SAR-Werte an die durch die aktuellen Protokoll-Parameter gegebene Messsituation erlaubt. Die Referenz-Bedingung kann auf eine sinnvolle Sendeleistung, beispielsweise 1 W oder die Leistung eines Referenz-Pulses, bezogen sein. Ebenso vorteilhaft kann der Bezug auf eine Referenz-B₁-Feldstärke, beispielsweise die während eines Referenz-Pulses auftretende B₁-Feldstärke (d. h. die magnetische Komponente des HF-Feldes), oder auf eine andere Feldstärke (z. B. 1 µT) sein.
So bietet sich beispielsweise beim Einsatz von Volumenspulen, die ein relativ homogenes B₁-Feld im Patienten erzeugen, an, die Referenz-Bedingung auf eine Referenz-B₁-Feldstärke festzulegen. Bei diesen Spulen wird in der Regel die Sendeleistung durch eine patientenabhängige Justage-Messung so eingestellt, dass die in den Mess- bzw. Sequenzprotokollen eingetragenen Kippwinkel der HF-Pulse genau erreicht werden. Der Kippwinkel ist streng linear zur applizierten B₁-Feldstärke. Der zeitliche Mittelwert der B₁-Feldstärke eines jeden Messprotokolls kann eindeutig berechnet werden, oder ist vorzugsweise bereits als Parameter des Messprotokolls angegeben. Die für die jeweilige Messsituation auf der Referenz-B₁ -Feldstärke normiert berechneten SAR-Werte müssen dann nur noch mit der mittleren B₁-Feldstärke des Protokolls skaliert werden, wobei zu beachten ist, dass bei derzeit eingesetzten Frequenzen der MR-Anlagen die B₁-Feldstärke näherungsweise quadratisch in die SAR-Werte eingeht. Bei anderen Frequenzen ist gegebenenfalls bei Skalierung eine modifizierte Abhängigkeit zu verwenden.
Bei Einsatz von Nicht-Volumenspulen ist es vorteilhaft, die Referenz-Bedingung auf eine normierte Sendeleistung, beispielsweise 1 W, festzulegen. Bei Einsatz eines Protokolls mit einer Sendeleistung von 100 W müssen dann beispielsweise die Datenbank-Werte zur Skalierung lediglich mit einem Faktor 100 multipliziert werden.
Das vorliegende Verfahren bietet den Vorteil eines minimalen Rechenaufwandes zur Bestimmung der aktuellen SAR-Werte während einer Untersuchung. Zur Bestimmung dieser Werte muss nur aus der Datenbank der am besten zutreffende Fall ermittelt werden und mit den Pulsdaten der verwendeten Parameter bzw. des verwendeten Protokolls skaliert werden, um damit die aktuellen SAR-Werte zu erhalten. Dieser Zeitaufwand für den Vergleich und ggf. eine einfache Skalierung ist minimal. Die erhöhte Zuverlässigkeit der Werte erlaubt die Verwendung von vergleichsweise geringen Sicherheitsmargen bei der finalen Festlegung der aktuellen SAR-Werte. Hierdurch können die vorgegebenen SAR-Grenzen besser ausgenutzt werden. Dies bedeutet für den Anwender eine Verbesserung der Performance in der Hinsicht, dass entweder die Messzeiten verkürzt und/oder gleichzeitig mehr Schichtbilder akquiriert werden können. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des vorliegenden Verfahrens besteht darin, dass für die Berechnung der in der Datenbank vorgegebenen Messsituationen beliebig detaillierte Modelle zur SAR-Berechnung eingesetzt werden können. Die hierfür erforderliche Rechenzeit muss nur einmalig aufgewendet werden und behindert nicht die aktuellen Untersuchungen, da die Berechnungen unabhängig davon off-line durchgeführt werden. Das vorliegende Verfahren ermöglicht somit bei entsprechend detaillierter Datenbank eine genauere und schnellere Ermittlung der bei der aktuellen Messung vorliegenden SAR-Werte.
Die Berechnung der in der Datenbank abgespeicherten SAR-Werte kann beispielsweise mittels der Finite-Elemente-Methode oder vergleichbarer Verfahren erfolgen.
Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein Beispiel für den prinzipiellen Aufbau eines Magnetresonanz-Tomographen, mit dem das vorliegende Verfahren durchführbar ist; und
Fig. 2 ein Ablaufschema für die Durchführung des vorliegenden Verfahrens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Schnittbild durch einen Magnetresonanz-Tomographen. In der Figur sind nur die wesentlichen Bauteile des Gerätes, ein Grundfeldmagnet 1, ein Gradientenspulensystem 2, eine Hochfrequenz-Sendeantenne 3 sowie eine Empfangsspule 4 dargestellt. Hierbei kann es sich um eine reine, für die spezielle diagnostische Fragestellung optimierte, Empfangsspule oder auch um eine lokale Sende-Empfangsspule handeln, wie sie beispielsweise häufig in spektroskopischen Anwendungen eingesetzt werden. Weiterhin ist ein Patient 5 auf einer Patientenliege 6 zu erkennen, die in der mit dem Pfeil dargestellten Richtung innerhalb des Magnetresonanz-Tomographen verfahrbar ist. Bei der Messung werden über die als Ganzkörperspule ausgebildete Hochfrequenz-Sendeantenne 3 Hochfrequenzimpulse zur Erzeugung von Magnetresonanz-Signalen im Körper des Patienten 5 eingestrahlt. Die Magnetresonanz-Signale werden mit der Empfangsspule 4 oder der auch als Empfänger betreibbaren Hochfrequenz-Antenne 3 erfasst und in Form eines zweidimensionalen Magnetresonanz- Bildes des jeweils erfassten Messbereiches dargestellt. Selbstverständlich sind zur Erfassung der Magnetresonanz- Signale auch andere Spezial-Empfangsantennen einsetzbar. Zur Erfassung außerhalb der Messregion liegender Körperbereiche werden diese Körperbereiche mit der Patientenliege 6 ins Zentrum des Magneten verfahren, wodurch sich die relative Position des Patienten zur Sendeantenne 3 ändert.
In der Figur ist weiterhin eine Einheit 7 zur Berechnung der SAR-Werte, der sog. SAR-Monitor, dargestellt, die Zugriff auf eine Datenbank 8 hat. In der Datenbank 8 sind SAR-Werte für eine Vielzahl von unterschiedlichen Messsituationen abgespeichert.
Fig. 2 zeigt anhand eines Ausführungsbeispiels ein Ablaufschema zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens. Hierbei wird der Patient 5 zunächst auf der Patientenliege 6 gemäß der beabsichtigten Messung positioniert (Schritt 9). Danach wird für diese spezielle Messsituation gegeben durch Patient 5, Lagerung und Sendespule 3 in der Datenbank 8 eine der vorliegenden Messsituation nächstkommende Messsituation durch eine entsprechende Abfrage gesucht (Schritt 10). Die Messsituation beinhaltet hierbei die Art der eingesetzten Sendespulen 3, die Patientendaten, die Liegeposition des Patienten 5 sowie die geplanten Messparameter. Nach der Identifikation der nächstkommenden Messsituation in der Datenbank 8 werden die zu dieser Messsituation abgespeicherten SAR-Werte herangezogen (Schritt 11). Bei einer Abweichung der aufgefundenen Messsituation in der Datenbank 8 von der aktuellen Messsituation werden die abgespeicherten SAR-Werte zusätzlich entsprechend der Größe der Abweichung skaliert, um die aktuellen SAR-Werte zu erhalten (Schritt 12).
Nach dieser Bestimmung der aktuellen SAR-Werte für die geplanten Messparameter wird ein Vergleich mit den SAR-Grenzwerten durchgeführt, um bei Überschreiten der Grenzwerte die Parameter nochmals zur Einhaltung der Grenzwerte verändern zu können (Schritte 13, 14). Werden die SAR-Grenzwerte mit den aktuellen SAR-Werten eingehalten, so kann die eigentliche Messung 15 erfolgen.
Auf diese Art und Weise wird die Bestimmung relativ genauer SAR-Werte ermöglicht. Die aus Sicherheitsgründen zu berücksichtigenden Toleranzen sind entsprechend geringer. Dies wiederum bedeutet eine Erhöhung der Anlagen-Performance in der Hinsicht, dass die Messzeit verkürzt und/oder gleichzeitig eine größere Anzahl von Schichtbildern akquiriert werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Magnetresonanz-Bildgebung unter Einhaltung von SAR-Grenzwerten, bei dem ein Patient (5) zur Durchführung einer Messung (15) in einem Magnetresonanz-Tomographen über zumindest eine Sendeantenne (3, 4) mit einer Hochfrequenz- Pulssequenz beaufschlagt wird und die erzeugten Magnetresonanzsignale ortsaufgelöst über zumindest eine Empfangsantenne (3, 4) erfasst und zur Erzeugung von Magnetresonanz-Bildern oder -Spektren weiterverarbeitet werden, wobei vor Durchführung der Messung (15) aktuelle SAR-Werte auf Basis von Patientendaten und einer Position des Patienten (5) relativ zur Sendeantenne (3, 4) für geplante Parameter der Messung bestimmt und die Parameter gegebenenfalls verändert werden, bis die aktuellen SAR-Werte innerhalb der SAR-Grenzwerte liegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der aktuellen SAR-Werte durch Vergleich der aktuellen Messsituation mit in einer Datenbank (8) vorgegebenen Messsituationen erfolgt, für die vorausberechnete SAR-Werte abgespeichert sind, wobei als aktueller SAR-Wert der abgespeicherte SAR-Wert der der aktuellen Messsituation nächstkommenden Messsituation herangezogen und gegebenenfalls mit abweichenden Patientendaten und/oder abweichenden Parametern der Messung skaliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit vorgegebenen Messsituationen einer Datenbank (8) verglichen wird, in der auf eine Referenz-Bedingung bezogene SAR-Werte für unterschiedliche Patientendaten, unterschiedliche Körperbereiche, unterschiedliche Sendeantennen (3, 4) und unterschiedliche Positionen des Patienten (5) relativ zur Sendeantenne (3, 4) berechnet und abgespeichert sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit vorgegebenen Messsituationen einer Datenbank (8) verglichen wird, deren SAR- Werte auf Basis eines detaillierten Simulationsmodells berechnet sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter der Messung (15) eine Repetitionsrate und/oder eine Anzahl an zu vermessenden Schichten und/oder die Schichtdicke und/oder ein Kippwinkel von Pulsen der Hochfrequenz-Pulssequenz verändert werden, bis die aktuellen SAR-Werte innerhalb der SAR- Grenzwerte liegen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter der Messung die Messzeit verlängert wird, bis die aktuellen SAR- Werte innerhalb der SAR-Grenzwerte liegen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich der aktuellen Messsituation mit in einer Datenbank (8) vorgegebenen Messsituation automatisiert nach Angabe der Patientendaten und Auswahl eines die Messparameter beinhaltenden Messprotokolls erfolgt.

7. Magnetresonanz-Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Einheit (7) zur Bestimmung von SAR-Werten einer aktuellen Messsituation sowie einer Datenbank (8), in der vorberechnete SAR-Werte für eine Vielzahl von Messsituationen abgespeichert sind, wobei die Einheit (7) derart ausgebildet ist, dass sie die Bestimmung der aktuellen SAR-Werte durch Vergleich der aktuellen Messsituation mit den in der Datenbank (8) vorgegebenen Messsituationen und Übernahme und gegebenenfalls Skalierung der abgespeicherten SAR-Werte der der aktuellen Messsituation nächstkommenden Messsituation vornimmt.