DE102004002009A1

DE102004002009A1 - Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzsystems und Magnetresonanzsystem

Info

Publication number: DE102004002009A1
Application number: DE102004002009A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Dr. Feiweier; Ralf Ladebeck; Ralph Dr. Oppelt; Wolfgang Dr. Renz; Markus Dr. Vester
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2004-01-14
Filing date: 2004-01-14
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2024-01-15
Also published as: US20050189940A1; DE102004002009B4; US7218113B2

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzsystems (1) beschrieben, bei dem eine B¶1¶-Feldverteilung in zumindest einem Teilbereich eines Untersuchungsvolumens (U) einer Hochfrequenzantenne (3) des Magnetresonanzsystems (1) gemessen wird und dann auf Basis der ermittelten B¶1¶-Feldverteilung die von der Hochfrequenzantenne (3) ausgesendeten HF-Pulse zur Homogenisierung in einem bestimmten Volumen optimiert werden. DOLLAR A Dabei wird für jeden applizierten HF-Puls zuvor ein Wirkvolumen (W) innerhalb des Untersuchungsvolumens (U) bestimmt und auf Basis der ermittelten B¶1¶-Feldverteilung der betreffende HF-Puls individuell so eingestellt, dass das B¶1¶-Feld innerhalb des Wirkvolumens (W) des HF-Pulses homogenisiert wird. Darüber hinaus wird ein entsprechendes Magnetresonanzsystem (1) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzsystems, bei dem eine B₁-Feldverteilung der von einer Hochfrequenzantenne des Magnetresonanzsystems in ein Untersuchungsvolumen eingestrahlten Hochfrequenzpulse (im Folgenden „HF-Pulse" genannt) ermittelt wird und dann auf Basis der ermittelten B₁-Feldverteilung die von der Hochfrequenzantenne ausgesendeten HF-Pulse zur Homogenisierung in einem bestimmten Volumen optimiert werden. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Magnetresonanzsystem mit einer Hochfrequenzantenne zur Aussendung von HF-Pulsen in ein Untersuchungsvolumen, mit einer Messeinheit zur Messung einer B₁-Feldverteilung der in das Untersuchungsvolumen von der Hochfrequenzantenne eingestrahlten HF-Pulse und mit einer Steuereinrichtung, welche auf Basis der ermittelten B₁-Feldverteilung die von der Hochfrequenzantenne ausgesendeten HF-Pulse zur Homogenisierung in einem bestimmten Volumen optimiert.
Bei der Magnetresonanztomographie, auch Kernspintomographie genannt, handelt es sich um eine inzwischen weit verbreitete Technik zur Gewinnung von Bildern vom Körperinneren eines lebenden Untersuchungsobjekts. Um mit diesem Verfahren ein Bild zu gewinnen, muss zunächst der Körper bzw. der zu untersuchende Körperteil des Patienten einem möglichst homogenen statischen Grundmagnetfeld (meist als B₀-Feld bezeichnet) ausgesetzt werden, welches von einem Grundfeldmagneten der Magnetresonanz-Messeinrichtung erzeugt wird. Diesem Grundmagnetfeld werden während der Aufnahme der Magnetresonanzbilder schnellgeschaltete Gradientenfelder zur Ortskodierung überlagert, die von sog. Gradientenspulen erzeugt werden. Außerdem werden mit einer Hochfrequenzantenne HF-Pulse einer definierten Feldstärke in das Untersuchungsvolumen eingestrahlt, in dem sich das Untersuchungsobjekt befindet. Die magnetische Flussdichte dieser HF-Pulse wird üblicherweise mit B₁ bezeichnet. Das pulsförmige Hochfrequenzfeld wird daher im Allgemeinen auch kurz B₁-Feld genannt. Mittels dieser HF-Pulse werden die Kernspins der Atome im Untersuchungsobjekt derart angeregt, dass sie um einen sogenannten „Anregungsflipwinkel" (im Folgenden auch kurz „Flipwinkel" genannt) aus ihrer Gleichgewichtslage, welche parallel zum Grundmagnetfeld B₀ verläuft, ausgelenkt werden. Die Kernspins präzedieren dann um die Richtung des Grundmagnetfelds B₀. Die dadurch erzeugten Magnetresonanzsignale werden von Hochfrequenzempfangsantennen aufgenommen. Bei den Empfangsantennen kann es sich entweder um die gleichen Antennen, mit denen auch die Hochfrequenzpulse ausgestrahlt werden, oder um separate Empfangsantennen handeln. Die Magnetresonanzbilder des Untersuchungsobjekts werden schließlich auf Basis der empfangenen Magnetresonanzsignale erstellt. Jeder Bildpunkt im Magnetresonanzbild ist dabei einem kleinen Körpervolumen, einem sogenannten „Voxel", zugeordnet und jeder Helligkeits- oder Intensitätswert der Bildpunkte ist mit der aus diesem Voxel empfangenen Signalamplitude des Magnetresonanzsignals verknüpft. Der Zusammenhang zwischen einem resonant eingestrahlten HF-Puls mit der Feldstärke B₁ und dem damit erreichten Flipwinkel α ist dabei durch die Gleichung
gegeben, wobei γ das gyromagnetische Verhältnis, welches für die meisten Kernspinuntersuchungen als feststehende Materialkonstante angesehen werden kann, und τ die Einwirkdauer des Hochfrequenzpulses ist. Der durch einen ausgesendeten HF-Puls erreichte Flipwinkel und somit die Stärke des Magnetresonanzsignals hängt folglich außer von der Dauer des HF-Pulses auch von der Stärke des eingestrahlten B₁-Feldes ab. Räumliche Schwankungen in der Feldstärke des anregenden B₁-Feldes führen daher zu unerwünschten Variationen im empfangenen Magnetresonanzsignal, die das Messergebnis verfälschen können.
Ungünstigerweise zeigen aber die HF-Pulse gerade bei hohen magnetischen Feldstärken – die aufgrund des benötigten Magnetgrundfelds B₀ in einem Magnetresonanztomographen zwangsläufig gegeben sind – ein inhomogenes Eindringverhalten in leitfähigen und dielektrischen Medien wie z. B. Gewebe. Dies führt dazu, dass das B₁-Feld innerhalb des Messvolumens stark variieren kann.
Insbesondere bei sogenannten Ultrahochfeld-Magnetresonanzuntersuchungen, bei denen modernere Magnetresonanzsysteme mit einem Grundmagnetfeld von drei Tesla oder mehr verwendet werden, müssen daher besondere Maßnahmen getroffen werden, um eine möglichst homogene Verteilung des transmittierten HF-Felds der Hochfrequenzantenne im gesamten Volumen zu erreichen.

Ein vielversprechender Ansatz hierzu wird in der DE 101 24 465 A1 beschrieben. In dieser Schrift wird eine Sende- und Empfangsspule für MR-Geräte beschrieben, welche mehrere einzelne Antennenelemente (Resonatorsegmente) aufweist, die innerhalb eines Gradientenrohrs um das Untersuchungsvolumen herum angeordnet sind. Diese Antennenelemente sind zu einer großflächigen Volumenantenne ähnlich einer sogenannten Birdcage-Antenne zusammengeschaltet. Die einzelnen Antennenelemente sind durch zwischengeschaltete Kapazitäten elektromagnetisch voneinander entkoppelt. Jedem Antennenelement ist ein separater Sendekanal zugeordnet, über welchen die Hochfrequenzeinspeisung erfolgt. Dadurch kann jedem Antennenelement Phase und Amplitude individuell vorgegeben werden. Dies ermöglicht prinzipiell eine vollständige Kontrolle der Hochfrequenzfeldverteilung im Untersuchungsvolumen (sog. „RF-Shimming"). Es wird vorgeschlagen, auf diese Weise die Homogenität des HF-Felds im gesamten Untersuchungsvolumen zu verbessern. Da jedoch in einem Magnetresonanzexperiment jeder HF-Puls im Allgemeinen sowohl hinsichtlich seiner Funktion als auch hinsichtlich der relevanten Volumina auf unter schiedliche Weise wirkt, ist diese Optimierungsstrategie zu restriktiv.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzsystems und ein Magnetresonanzsystem anzugeben, mit dem eine noch bessere Optimierung der HF-Pulse bezüglich der Homogenität des B₁-Felds erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Magnetresonanzsystem gemäß Patentanspruch 10 gelöst.

Erfindungsgemäß wird bei diesen neuen Verfahren für jeden applizierten HF-Puls zuvor ein Wirkvolumen innerhalb des Untersuchungsvolumens bestimmt und auf Basis der ermittelten B₁-Feldverteilung der betreffende HF-Puls individuell so eingestellt, dass das B₁-Feld innerhalb des Wirkvolumens des HF-Pulses homogenisiert wird. Dadurch wird die bestmögliche Wirkweise jedes applizierten HF-Pulses erreicht. Die Folge hiervon ist eine bezüglich aller hochfrequenzsensitiven Abhängigkeiten optimierte Bildqualität.

Ein erfindungsgemäßes Magnetresonanzsystem muss hierzu eine Steuereinrichtung und eine Hochfrequenzantenne aufweisen, die derart ausgebildet sind, dass für jeden applizierten HF-Puls zuvor ein Wirkvolumen innerhalb des Untersuchungsvolumens bestimmbar ist und auf Basis der ermittelten B₁-Verteilung der betreffende HF-Puls individuell so einstellbar ist, dass das B₁-Feld innerhalb des Wirkvolumens des HF-Pulses homogenisiert wird.

Um den „HF-Shim" individuell für jeden applizierten HF-Puls zu optimieren, so dass eine optimale Homogenisierung im Wirkvolumen des HF-Pulses erreicht wird, ist es zwangsläufig erforderlich, die B₁-Verteilung innerhalb des betreffenden Wirkvolumens genauestens zu kennen. D. h. die B₁-Feldver teilung muss im Untersuchungsvolumen ortsaufgelöst gemessen werden.

Bei einem möglichen Verfahren zur Durchführung einer solchen Messung wird über die Hochfrequenzantenne eine sogenannte „Doppelecho-Hochfrequenzpulssequenz" mit einem ersten Anregungspuls und zwei Refokussierungspulsen zur Erzeugung eines ersten und zweiten Echos ausgesendet. D. h. es wird zunächst ein erster Hochfrequenz-Anregungspuls ausgesendet, welcher den Kernspin beispielsweise um einen Flipwinkel α₁ verkippt. Anschließend erfolgt nach einer bestimmten Zeit ein zweiter Puls, ein sogenannter „Refokussierungspuls", der zu einer weiteren Verkippung um 2∙α₁ führt. Nach Messung eines ersten Echos (des sogenannten Spin-Echos) wird dann ein weiterer α₁-Refokussierungspuls ausgesandt und ein zweites Echo (das sogenannte stimulierte Echo) gemessen. Für die Amplituden des gemessenen Spin-Echo-Signals A_SE und des gemessenen stimulierten Echo-Signals A_STE in Abhängigkeit vom Flipwinkel α₁ gilt. ASE = eiφsin3(α1) (2a) ASTE = eiφsin3(α1)cos(α1) (2b)

φ bezeichnet dabei die Phasenlage des Echo-Signals. Der mit einer solchen Pulssequenz erreichte Flipwinkel α₁ lässt sich folglich über die Bedingung

aus dem Verhältnis der Amplitude der beiden Echosignale bestimmen. Dieser Flipwinkel α₁ kann mit Hilfe von Gleichung (1) in das eingestrahlte B₁-Feld umgerechnet werden.

Um ortsaufgelöst messen zu können, wird bei diesem Verfahren zumindest der Anregungspuls schichtselektiv ausgesendet, wo bei besonders bevorzugt nur der Anregungspuls, nicht aber die Refokussierungspulse schichtselektiv ausgesendet werden. In der mittels des Anregungspulses festgelegten Anregungsschicht werden dann durch die Aussendung der passenden Gradientenpulse ein erstes Echo-Bild und ein zweites Echo-Bild ortsaufgelöst gemessen. Eine solche „ortsaufgelöste" Messung der Echo-Bilder ist mit einem Verfahren möglich, bei dem zunächst die beiden Echos bei Anliegen eines Auslesegradienten durch Abtastung des zeitlichen Verlaufs mit m Datenpunkten mehrmals mit n verschiedenen Amplituden des Phasenkodiergradienten gemessen werden. Das Resultat dieser Messung ist dann eine Datenmatrix mit m Spalten und n Zeilen für jedes der Echos, d. h. des Spin- und des stimulierten Echos, in der sogenannten „Zeitdomäne" (auch "k-Raum" genannt).

Diese Matrix wird für jedes Echo einzeln zweidimensional fouriertransformiert. Man erhält damit für jedes Echo ein echtes zweidimensionales Bild mit k∙l Pixeln, wobei im Allgemeinen m = n = k = l gesetzt wird. Anhand des Verhältnisses der Amplituden des ersten und zweiten Echo-Bildes an den verschiedenen Orten, d.h. für jeden einzelnen Bild-Pixel, werden dann die lokalen Flipwinkel an den betreffenden Orten gemessen. Durch eine solche Messung kann folglich innerhalb der Schicht ortsaufgelöst der Flipwinkel, d.h. eine Flipwinkelverteilung, gemessen werden. Der an einem bestimmten Ort gemessene Flipwinkel ist wiederum repräsentativ für das am betreffenden Ort eingestrahlte B₁-Feld, wobei die Abhängigkeit durch Gleichung (1) gegeben ist. D. h. es kann mit Hilfe dieser Gleichung (bei Kenntnis des verwendeten Pulses) beliebig von einer Flipwinkelverteilung in eine B₁-Feldverteilung und umgekehrt umgerechnet werden. Insoweit ist auch eine Ermittlung einer Flipwinkelverteilung mit einer Ermittlung der entsprechenden B₁-Feldverteilung im Sinne dieser Schrift gleichzusetzen.

Neben dem zuvor beschriebenen Verfahren kann aber auch ein beliebiges anderes geeignetes Verfahren zur ortsaufgelösten Messung der B₁-Feldverteilung verwendet werden.

Die abhängigen Ansprüche enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, wobei insbesondere auch das erfindungsgemäße Magnetresonanzsystem entsprechend der abhängigen Verfahrensansprüche weitergebildet sein kann.

Grundsätzlich kann die Möglichkeit bestehen, dass ein Benutzer für jeden Puls das Wirkvolumen individuell vorgeben kann, beispielsweise über geeignete Funktionen einer Benutzerschnittstelle des Magnetresonanzsystems.

Vorzugsweise wird jedoch für einen auszusendenden HF-Puls das Wirkvolumen auf Basis der Steuerparameter zur Aussendung des betreffenden HF-Pulses automatisch bestimmt. D. h, es wird in einer „intelligenten Messsequenz" automatisch das Wirkvolumen für die einzelnen Typen von Pulsen bestimmt.

Dabei erkennt das System beispielsweise, ob es sich um schichtselektive Anregungs- und Refokussierungspulse handelt. D. h. es wird beispielsweise anhand der Steuerparameter – z.B. anhand des einzustellenden Schichtgradienten und der Frequenz des auszusendenden HF-Pulses – die Schicht bestimmt, in der der HF-Puls im Untersuchungsvolumen wirkt. Vorzugsweise können dabei auch bereits die direkt von der Benutzerschnittstelle bzw. einem Planungsprogramm kommenden Messparameter, welche unmittelbar Informationen über die Schichtposition und Art der Aufnahme enthalten, genutzt werden. Besonders bevorzugt wird für einen auszusendenden schichtselektiven HF-Puls dann das Wirkvolumen im Wesentlichen entsprechend der selektierten Schicht gewählt. Unter dem Begriff „Schicht" ist im Übrigen auch eine dickere Schicht für eine 3D-Volumenaufnahme, ein so genannter „Slab", zu verstehen.

Ebenso kann das System automatisch erkennen, ob es sich um einen Präparationspuls, beispielsweise einen Sättigungspuls oder Magnetisierungstransferpuls, ohne räumliche Selektivität oder mit räumlicher Selektivität (mit oder ohne spektraler Selektivität) handelt und wenn ja, in welcher Region der Präparationspuls wirken soll.

Für einen auszusendenden Präparationspuls ohne räumliche Selektivität wird das Wirkvolumen vorzugsweise auf Basis der Vereinigungsmenge einer bestimmten Anzahl von Schichten, besonders bevorzugt auf Basis der Vereinigungsmenge aller in der Untersuchung aufgenommener Schichten bzw. Slab-Volumina bestimmt.

Dies bietet sich meist bei Fettsättigungspulsen an, da Fettsättigungspulse im Allgemeinen ohne eine räumliche Selektivität appliziert werden.

Für einen nur regional wirkenden Präparationspuls wird das Wirkvolumen vorzugsweise so gewählt, dass es im Wesentlichen der betreffenden Region entspricht.

Bei einem besonders bevorzugten Verfahren kann der Nutzer zusätzlich einen ihn interessierenden Bereich vorgeben, beispielsweise die so genannte „Region of Interest" bereits bei der Planung einstellen. Es wird dann unter Berücksichtigung dieses interessierenden Bereichs innerhalb des betreffenden Wirkvolumens jeweils ein Optimierungsvolumen automatisch bestimmt. Dabei wird beispielsweise das Optimierungsvolumen als Schnittmenge aus dem vorzugsweise automatisch ermittelten Wirkvolumen und dem vom Nutzer vorgegebenen interessierenden Bereich festgelegt. Der HF-Puls wird dann individuell so eingestellt, dass das B₁-Feld innerhalb des Optimierungsvolumens möglichst homogen ist.

Hierzu muss das Magnetresonanzsystem eine entsprechende Benutzerschnittstelle zur Eingabe eines interessierenden Bereichs innerhalb des Untersuchungsvolumens aufweisen und die Steuereinheit muss entsprechend ausgebildet sein, um auf Basis des interessierenden Bereichs innerhalb des betreffenden Wirkvolumens das Optimierungsvolumen zu bestimmen und dann den HF-Puls individuell so einzustellen, dass das B₁-Feld innerhalb des Optimierungsvolumens homogenisiert wird.

Um eine entsprechende Homogenisierung der HF-Pulse in dem gewünschten Wirkvolumen bzw. Optimierungsvolumen zu erreichen, weist das Magnetresonanzsystem bevorzugt eine Hochfrequenzantenne auf, welche eine Antennenanordnung mit mehreren Antennenelementen umfasst. Außerdem weist dieses Magnetresonanzsystem entsprechende Ansteuermittel auf, um für jeden HF-Puls die Antennenelemente gezielt mit einer bestimmten Phase und einer bestimmten Amplitude anzusteuern. Eine Möglichkeit für einen konkreten Aufbau einer solchen Antennenanordnung ist in der bereits eingangs zitierten DE 101 24 465 A1 beschrieben, auf die hiermit voll inhaltlich Bezug genommen wird.

Bei Verwendung einer Hochfrequenzantenne mit mehreren Antennenelementen wird die B₁-Feldverteilung vorzugsweise für sämtliche Antennenelemente separat ermittelt, um die Wirkung der einzelnen Antennenelemente innerhalb des Untersuchungsvolumens zu bestimmen. D. h. es wird beispielsweise von jedem einzelnen Antennenelement nacheinander die oben genannte „Doppelecho-Hochfrequenzpulssequenz" zur ortsaufgelösten Messung des B₁-Felds ausgesendet.

Da die automatische Berechnung des Wirkvolumens und insbesondere auch die Berechnung der optimierten Steuerparameter zur Ansteuerung der Hochfrequenzantenne relativ rechen- und somit zeitaufwändig ist, erfolgt besonders bevorzugt eine komplette Berechnung der Aufnahmesequenz für alle während der Aufnahmesequenz auszusendenden optimierten HF-Pulse vorab. D.h. es werden in einem Planungszyklus sämtliche Wirkvolumina und/oder Optimierungsvolumina für die einzelnen HF-Pulse bestimmt und die optimierten Steuerparameter, beispielsweise die einzelnen Phasen und Amplituden für die verschiedenen Antennenelemente, berechnet und in einem Messprotokoll gespeichert. Bei der eigentlichen Messung erfolgt dann lediglich noch die Ansteuerung der Hochfrequenzantenne gemäß dem vorberechneten Messprotokoll, wobei z. B. unmittelbar vor Aussendung des HF-Pulses jeweils die passende Amplituden- und Phasenansteuerung der einzelnen Antennenelemente eingestellt wird.

Die Realisierung der Steuereinrichtung eines erfindungsgemäßen Magnetresonanzsystems erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von Software-Komponenten. Übliche Steuereinrichtungen bereits bestehender Magnetresonanzsysteme weisen in der Regel ohnehin einen programmierbaren Prozessor auf, so dass mit einem entsprechenden Softwareupdate auf einfache Weise eine Nachrüstung dieser Magnetresonanzsysteme möglich ist. Es ist dann lediglich erforderlich, dass das Magnetresonanzsystem eine geeignete Hochfrequenzantenne aufweist, beispielsweise mit mehreren separat ansteuerbaren Antennenelementen, um das ausgesendete B₁-Feld der einzelnen HF-Pulse beliebig beeinflussen zu können.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Festlegung eines Wirkvolumens innerhalb eines größeren Untersuchungsvolumens,
2a einen ersten Teil eines Flussdiagramms eines möglichen Ablaufs zur automatischen Festlegung der Wirkvolumina und der Berechnung der optimierten Ansteuerparameter für die Aussendung optimierter Hochfrequenzpulse,
2b einen zweiten Teil des Flussdiagramms nach 2a,
3 eine schematische Darstellung eines exemplarischen Sequenzablaufs für ein einfaches Gradientenecho-Experiment mit drei dargestellten Schichten,
4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Magnetresonanzsystems.
In 1 ist innerhalb eines Untersuchungsvolumens U des Magnetresonanzsystems ein auf einer Patientenliege 5 liegender Patient P dargestellt. Bei der MR-Untersuchung werden Aufnahmen in verschiedenen Schichten S, S₁, S₂, S₃ senkrecht zur Längsachse des Patienten P erzeugt werden. Der besseren Übersichtlichkeit wegen sind hier nur drei Schichten S₁, S₂, S₃ jeweils stark vergrößert dargestellt. Die Optimierung der ausgesendeten Hochfrequenzpulse erfolgt hierbei erfindungsgemäß jeweils für jeden einzelnen HF-Puls hinsichtlich der Schicht, in welcher der betreffende HF-Puls wirken soll. In 1 ist als Beispiel die Schicht S₁ als Wirkvolumen W bestimmt, hinsichtlich derer eine optimale Homogenisierung des zur Anregung der betreffenden Schicht S₁ ausgesendeten HF-Pulses erfolgen soll.
Zusätzlich ist in 1 die Möglichkeit schematisch dargestellt, dass ein Bediener des MR-Systems eine „Region of Interest" ROI bestimmt. In diesem Fall erfolgt die Optimierung des HF-Pulses optional in erster Linie hinsichtlich der Schnittmenge aus Wirkvolumen W und Region of Interest ROI, d. h. in einem eingeschränkten Teilbereich des Wirkvolumens W, dem „Optimierungsvolumen" O.
In dem Flussdiagramm in den 2a und 2b ist ein möglicher Messablauf dargestellt. Gezeigt wird hier ein Verfahren, bei dem vollautomatisch – beispielsweise von der Steuereinrichtung des Magnetresonanzsystems – das Wirkvolumen in Abhängigkeit von den zu fertigenden Aufnahmen festgelegt wird.
Ein solcher Messablauf beginnt zunächst mit einer Justage-Messung, in welcher die B₁-Feldverteilung im Untersuchungsvolumen U einer Hochfrequenzantenne 3 gemessen wird. Im vorliegenden Fall weist die Hochfrequenzantenne 3 mehrere einzelne Antennenelemente 4 auf. Daher wird bei der Justage-Messung das B₁-Feld jeweils für sämtliche Antennenelemente 4 separat vermessen, um die Wirkung der einzelnen Antennenelemente 4 innerhalb des Untersuchungsvolumens zu ermitteln.
Diese Justage-Messung erfolgt unmittelbar vor der eigentlichen Messung, wobei sich der Patient bereits innerhalb des Untersuchungsvolumens befindet und die durch die spezielle Messanordnung gegebenen Einflüsse mit berücksichtigt werden.
Anschließend erfolgt in üblicher Weise eine Aufnahme von Übersichtsbildern, sogenannten „Localizern", welche als Orientierungs- und Planungsbilder für die Planung des weiteren Messablaufs verwendet werden.
In einem dritten Schritt werden dann die Messparameter für die Untersuchung vom Bediener des Geräts festgelegt. Dies kann z. B. anhand der Übersichtsbilder mit Hilfe einer graphischen Benutzeroberfläche erfolgen. Dabei werden beispielsweise die Schichten bestimmt oder es wird festgelegt, in welchen regionalen Bereichen Sättigerschichten zu legen sind usw.
Im nachfolgenden Schritt erfolgt dann die eigentliche Berechnung des Sequenzablaufs. Dabei werden die Formen, die Amplituden und Frequenzen der für die Messung benötigten i = 1, ..., N HF-Pulse berechnet, die im Laufe der nachfolgenden Untersuchung ausgesendet werden müssen, um die gewünschten Aufnahmen durchzuführen.
Anschließend erfolgt in einer Prozessschleife für jeden einzelnen der i = 1, ..., N HF-Pulse eine automatische Ermittlung des Wirkvolumens W(i) des betreffenden HF-Pulses und eine anschließende Berechnung der optimierten Amplituden- und Phasenansteuerungsparameter A(i,j), P(i,j) für jedes einzelne Antennenelement, um durch die Überlagerung der von den einzelnen Antennenelementen ausgesandten HF-Pulse insgesamt ei nen optimalen „Gesamt-HF-Puls" mit möglichst homogener B₁-Feldverteilung im ermittelten Wirkvolumen W(i) zu erreichen.
Die Schleife beginnt zunächst mit einer Abfragekette, um festzustellen, ob es sich beispielsweise um einen schichtselektiven Puls, einen regionalen Sättigungspuls oder um einen nicht räumlich selektiven Puls handelt. Die hier als einzelne Abfragen dargestellten Schritte können auch aus einer Mehrzahl von einzelnen Frageschritten verschiedener Messparameter bzw. Steuerparameter bestehen, anhand derer festgestellt werden kann, um welche Art von Puls es sich handelt und in welchem Bereich des Untersuchungsvolumens der Puls wirken soll. So ist beispielsweise klar, dass es sich bei einem „normalen" Anregungspuls oder Refokussierungspuls in einer üblichen Messpulssequenz um einen schichtselektiven Puls handelt. In diesem Fall wird z. B. anhand des eingestellten Gradienten und der gewählten Frequenz des Pulses die festgelegte Schicht erkannt und als Wirkvolumen W(i) festgelegt. Ebenso kann bei Aussenden eines regionalen Sättigungspulses das Wirkvolumen W(i) entsprechend der Region gesetzt werden, in welcher der Sättigungspuls wirken soll.
Gegebenenfalls wird nach weiteren Abfragen festgestellt, dass der Puls räumlich überhaupt nicht selektiv ist. So kann es sich beispielsweise um einen allgemeinen Fettsättigungspuls handeln. In solchen Fällen wird das ganze Bildgebungsvolumen bzw. das ganze Untersuchungsvolumen als Wirkvolumen W(i) für den betreffenden Puls bestimmt.
In ähnlicher Form kann auch automatisch geprüft werden, ob es sich um einen anderen regional wirkenden oder nicht regional wirkenden Präparationspuls handelt. Dies ist jedoch in 2b der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt.
Nach der Bestimmung des Wirkvolumens W(i) für jeden einzelnen auszusendenden HF-Puls werden dann im nächsten Schritt die optimalen Amplituden-Ansteuerungsparameter A(i,j) und Phasen- Ansteuerungsparameter P(i,j) zur Ansteuerung jedes einzelnen Sendeelements j = 1, ..., M für den betreffenden Puls i bestimmt.
3 zeigt einen exemplarischen Sequenzablauf für eine Aussendung dreier aufeinander folgender HF-Pulse für drei verschiedene Schichten S₁, S₂, S₃. In diesem Pulsfrequenzschema sind in üblicher Weise auf parallelen Zeitachsen die von der Hochfrequenzantenne – hier von den einzelnen Antennenelementen 1, ..., M ausgesendeten HF-Pulse und die in zeitlicher Abhängigkeit von den Hochfrequenzpulsen passend geschalteten verschiedenen Gradienten dargestellt.
Die von den Hochfrequenz-Antennenelementen j = 1, 2, ..., M ausgesendeten HF-Pulse werden dabei jeweils durch eine auf einer oberen Achse dargestellte Amplitudenmodulation A(1), A(2), ..., A(M) und eine unmittelbar auf der darunter liegenden Achse gezeigte Phasenmodulation P(1), P(2), ..., P(M) beschrieben, wobei der in Klammern angegebene Parameter die einzelnen Antennenelemente j = 1, 2, ..., M angibt.
Unter den Achsen zur Darstellung der von den einzelnen Antennenelementen j = 1, 2, ..., M ausgesendeten HF-Pulse ist der sog. Schichtselektions- oder Slice-Selection-Gradient Gs dargestellt, welcher in z-Richtung angelegt wird und für die Selektion einer bestimmten Schicht beim Anregen der Spins genutzt wird. Darunter befindet sich der sog. Phasenkodierungsgradient (Phase-Encoding-Gradient) Gp, welcher für eine Phasenkodierung sorgt. Dieser Phasenkodierungsgradient wird während einer Messung sehr schnell auf verschiedene Werte durchgeschaltet. Der dritte Gradient Gr ist der sog. Read-Out- oder Frequency-Encoding-Gradient, welcher angelegt wird, um in einer bestimmten Schicht frequenzkodiert Signale auszulesen. Auf der untersten Zeitachse ist das vom ADC (Analog Digital Converter; Analog-Digital-Wandler) tatsächlich gemessene Signal dargestellt.
Insgesamt kann durch entsprechende Schaltung des Phasenkodierungsradienten Gp und des Read-Out-Gradienten Gr eine ortsaufgelöste Messung von Signalen innerhalb der durch den Schichtselektionsgradienten Gs gemeinsam mit der Frequenz des Anregungspulses bestimmten Schicht erfolgen. Der genaue Ablauf der Phasenkodierung und Frequenzkodierung zur ortsauflösenden Messung innerhalb einer Schicht sowie die Darstellung in einem solchen Sequenzschema sind dem Fachmann bekannt und werden daher nicht weiter erläutert.
In dem konkreten Beispiel handelt es sich um ein einfaches Gradientenechoexperiment mit drei dargestellten Schichten S₁, S₂, S₃. Die Selektion der Schichten S₁, S₂, S₃ erfolgt wie oben erläutert durch Anlegen des Selektionsradienten Gs und Einstrahlen eines Hochfrequenzpulses mit jeweils verschiedener Frequenz. Die unterschiedliche Frequenz der HF-Pulse ist hier innerhalb der Phasenansteuerungsachsen P(1), P(2), ..., P(M) durch einen zeitlich linearen Phasengang (welcher jedoch auf +/– π beschränkt ist) dargestellt. D. h. in üblicher Weise bleibt die Trägerfrequenz gleich und die Verstellung der eingestrahlten Frequenz des Anregungspulses erfolgt durch die Überlagerung des linearen Phasengangs. Abhängig von der Steigung des Phasengangs kann so die Frequenz des Hochfrequenzpulses gegenüber der Trägerfrequenz verschoben werden.
Wie in 3 deutlich zu erkennen ist, werden zur Aussendung der HF-Pulse für jede der drei Schichten S₁, S₂, S₃ die einzelnen Antennenelemente j = 1, ..., M jeweils mit unterschiedlichen Amplituden A(1), A(2), ..., A(M) und Phasen P(1), P(2), ..., P(M) angesteuert, um insgesamt durch die Überlagerung aller von den einzelnen Antennen-Elementen j = 1, ..., M ausgesendeten Hochfrequenzpulse einen „Gesamt-Hochfrequenzpuls" mit möglichst guter Homogenisierung in der ausgewählten Schicht zu erreichen.
Nachdem die einzelnen Steuerparameter, d. h. die Amplituden-Ansteuerparameter und Phasen-Ansteuerparameter für jedes Sen deelement j = 1, ..., M für den betreffenden Puls i berechnet wurden, wird anschließend überprüft, ob noch weitere HF-Pulse optimiert werden müssen. Hierzu wird geprüft, ob die Laufvariable i bereits den Wert N der Anzahl der auszusendenden HF-Pulse erreicht hat. Ist dies nicht der Fall, so wird die Laufvariable i um 1 erhöht und die Schleife beginnt von vorne, d. h. es wird für den nächsten Puls (i+1) das Wirkvolumen W(i+1) bestimmt und die optimalen Amplituden- und Phasenansteuerparameter für jedes Antennenelement berechnet.
Nachdem diese Berechnungen für alle Pulse i = 1, ..., N durchgeführt wurden, wird in einem späteren Verfahrensschritt in üblicher Weise der Messablauf gesteuert, wobei unmittelbar vor jedem HF-Puls i die zuvor berechneten Amplituden- und Phasen-Ansteuerungsparameter A(i,j), P(i,j) für jedes einzelne Antennenelement j eingestellt wird.
In den 2a und 2b ist – der besseren Übersichtlichkeit wegen – nicht der Fall dargestellt, dass der Benutzer das Optimierungsvolumen selber festlegt, bzw. dass der Benutzer eine ihn interessierende Region ROI festlegt und sich die Optimierungsvolumina als Schnittmenge aus der vom Nutzer bestimmten Region ROI und der automatisch berechneten Wirkvolumina W(i) der Hochfrequenzpulse ergeben. Es ist klar, dass es ohne Weiteres möglich ist, diese Optionen in den Planungs-, Berechnungs- und Messablauf zu integrieren.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Magnetresonanzsystem 1, mit welchem eine automatische Messung gemäß dem in den 2a und 2b dargestellten Verfahren möglich ist. Kernstück dieses Magnetresonanzsystems 1 ist ein Tomograph 2, in welchem ein Patient auf einer Liege 5 in einem ringförmigen Grundfeldmagneten positioniert wird. Innerhalb des Grundfeldmagneten befindet sich eine Hochfrequenzantenne 3 zur Aussendung der HF-Pulse.
Diese Hochfrequenzantenne 3 weist eine Mehrzahl von Antennenelementen 4 auf, welche einzeln über separate Sendekanäle angesteuert werden können. Der Aufbau kann beispielsweise dem in der DE 101 24 465 A1 genannten Aufbau entsprechen. Abgesehen von dem speziellen Aufbau der Antenne 3 und der notwendigen Komponenten zur separaten Ansteuerung der einzelnen Antennenelemente 4 kann es sich um einen handelsüblichen Tomographen handeln.
Angesteuert wird der Tomograph 2 von einer Steuereinrichtung 6, welche hier separat dargestellt ist. An die Steuereinrichtung 6 ist ein Terminal 14 angeschlossen, dieses Terminal 14 weist in üblicher Weise einen Bildschirm 15, eine Tastatur 16 und ein Zeigegerät 17 für eine graphische Benutzeroberfläche, beispielsweise eine Maus 17 auf. Das Terminal 14 dient u. a. als Benutzerschnittstelle, über die ein Bediener die Steuereinrichtung 6 und damit den Tomographen 2 bedient.
Die Steuereinrichtung 6 ist hier über die Schnittstellen 9, 10 mit dem Tomographen 2 verbunden. Sowohl die Steuereinrichtung 6 als auch das Terminal 14 können aber ebenso auch integraler Bestandteil des Tomographen 2 sein.
Das gesamte Magnetresonanzsystem weist darüber hinaus auch alle weiteren üblichen Komponenten bzw. Merkmale, wie z.B. Schnittstellen zum Anschluss an ein Kommunikationsnetz, beispielsweise ein Bildinformationssystem auf. Diese Komponenten sind jedoch der besseren Übersichtlichkeit wegen in 3 nicht dargestellt.
Über das Terminal 14 kann der Bediener mit einer Ansteuereinheit 12 kommunizieren, welche über die Schnittstelle 9 den Tomographen 2 ansteuert und beispielsweise für eine Aussendung der gewünschten Hochfrequenzpulssequenzen durch die Antennen 3 sorgt und die Gradienten in geeigneter Weise schaltet, um die gewünschten Messungen durchzuführen. Über die Schnittstelle 10 werden die vom Tomographen 2 kommenden Mess daten akquiriert und daraus in einer Signalauswerteeinheit 13 die Bildern rekonstruiert, welche dann beispielsweise auf dem Bildschirm 15 des Terminals 14 dargestellt und/oder in einem Speicher 8 der Steuereinrichtung 6 hinterlegt werden können.
Bei der Ansteuereinheit 12 und der Signalauswerteeinheit 13 handelt es sich vorzugsweise um Softwaremodule, welche auf einem programmierbaren Prozessor 7 der Steuereinrichtung 6 realisiert sind. Bei dem Speicher 8 kann es sich auch um einen externen Massenspeicher handeln, auf welchen die Steuereinrichtung 6 beispielsweise über ein Netzwerk Zugriff hat.
Bei dem dargestellten Magnetresonanzsystem 1 weist die Steuereinrichtung 6 außerdem – ebenfalls in Form eines Softwaremoduls – eine Messeinheit 11 auf, welche zur Messung einer B₁-Feldverteilung der in das Untersuchungsvolumen von der Hochfrequenzantenne 3 bzw. von den einzelnen Antennenelementen 4 eingestrahlten HF-Pulse dient. Hierzu veranlasst die Messeinheit 11 beispielsweise die Ansteuereinheit 12, entsprechende Steuerbefehle an den Tomographen 2 zu übergeben, so dass dieser die eingangs beschriebenen Doppelecho-Hochfrequenzpulssequenzen o. ä. Sequenzen zur Messung der B₁-Feldverteilung aussendet. Anschließend werden die dabei gemessenen Rohdaten von der Signalauswerteeinheit 13 an die Messeinheit 11 übergeben. Dort wird auf Basis dieser Daten die ortsaufgelöste B₁-Feldverteilung für jedes einzelne Antennenelement 4 bestimmt.
Die Informationen über die B₁-Feldverteilung werden dann einer – hier wieder in Form eines Softwaremoduls realisierten – Optimierungseinheit 18 übergeben, welche anhand der vom Nutzer über das Terminal 14 oder der automatisch innerhalb eines Messprotokolls vom Magnetresonanzsystem vorgegebenen Messparameter für die bei der folgenden Untersuchung auszusendenden Hochfrequenzpulse die zugehörigen Wirkvolumina bzw. Optimierungsvolumina bestimmt und die in 2b innerhalb der Schleife dargestellte Optimierung durchführt. D. h. in dieser Optimierungseinheit 18 werden die optimierten Amplituden-Ansteuerungsparameter A(i,j) und Phasen-Ansteuerungsparameter P(i,j) für die einzelnen Antennenelemente 4 für jeden einzelnen HF-Puls ermittelt. Diese Informationen können dann beispielsweise in Form eines optimierten Messprotokolls zunächst im Speicher 8 zwischengespeichert werden. Wird anschließend die Messung gestartet, so wird dieses Messprotokoll mit den optimierten Ansteuerungsparametern vom Speicher 8 an die Ansteuereinheit 12 übergeben und von dort der Tomograph 2 entsprechend angesteuert, um die optimierte Messung durchzuführen.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei dem vorhergehend detailliert beschriebenen Verfahrensablauf sowie bei dem dargestellten Magnetresonanzsystem lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können anstelle der konkret beschriebenen Pulssequenz auch andere Pulssequenzen verwendet werden. Ebenso ist es auch möglich, die Antenne außer in der in DE 101 24 465 A1 beschriebenen Form auch in anderer Form aufzubauen. Wesentlich ist lediglich dass eine Möglichkeit gegeben ist, die B₁-Feldverteilung der ausgesendeten Hochfrequenzpulse möglichst genau räumlich einzustellen.
Obwohl die Erfindung eingangs am Beispiel von Magnetresonanzgeräten im medizinischen Bereich beschrieben wurde, sind die Einsatzmöglichkeiten der Erfindung nicht auf diesen Bereich beschränkt, sondern die Erfindung kann ebenso auch in wissenschaftlichen und/oder industriell genutzten Magnetresonanzgeräten verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzsystems (1), bei dem eine B₁-Feldverteilung einer Hochfrequenzantenne (4) in zumindest einem Teil eines Untersuchungsvolumens (U) des Magnetresonanzsystems (1) gemessen wird, und dann auf Basis der ermittelten B₁-Feldverteilung die von der Hochfrequenzantenne (4) ausgesendeten HF-Pulse zur Homogenisierung in einem bestimmten Volumen optimiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden applizierten HF-Puls zuvor ein Wirkvolumen (W) innerhalb des Untersuchungsvolumens (U) bestimmt wird und auf Basis der ermittelten B₁-Feldverteilung der betreffende HF-Puls individuell so eingestellt wird, dass das B₁-Feld innerhalb des Wirkvolumens (W) des HF-Pulses homogenisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für einen auszusendenden HF-Puls das Wirkvolumen auf Basis von Messparametern bzw. Steuerparametern zur Aussendung des betreffenden HF-Pulses automatisch bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für einen auszusendenden, schichtselektiven HF-Puls das Wirkvolumen (W) im Wesentlichen der selektierten Schicht (S₁, S₂, S₃) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für einen auszusendenden Präparationspuls das Wirkvolumen auf Basis der Vereinigungsmenge einer Anzahl von Schichten bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für einen auszusendenden regionalen Präparationspuls das Wirkvolumen im Wesentlichen der betreffenden Region entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden HF-Puls innerhalb des betreffenden Wirkvolumens unter Berücksichtigung eines vorgegebenen interessierenden Bereichs (ROI) jeweils ein Optimierungsvolumen (O) bestimmt wird und der HF-Puls individuell so eingestellt wird, dass das B₁-Feld innerhalb des Optimierungsvolumens (O) homogenisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzantenne (3) mehrere Antennenelemente (4) umfasst und für jeden HF-Puls die Antennenelemente (4) gezielt mit einer bestimmten Phase und einer bestimmten Amplitude so angesteuert werden, dass das von den HF-Pulsen insgesamt erzeugte B₁-Feld im Wirkvolumen (W) des HF-Pulses oder einem darin befindlichen Optimierungsvolumen möglichst homogen ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Antennenelemente der Hochfrequenzantenne die B₁-Feldverteilung jeweils separat ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die während einer Aufnahmesequenz auszusendenden HF-Pulse vor der Aufnahmesequenz die Wirkvolumina und/oder Optimierungsvolumina für die einzelnen HF-Pulse bestimmt werden und optimierte Steuerparameter zur Ansteuerung der Hochfrequenzantenne für die Aussendung der einzelnen HF-Pulse ermittelt und gespeichert werden.
Magnetresonanzsystem (1) – mit einer Hochfrequenzantenne (3) zur Aussendung von HF-Pulsen in ein Untersuchungsvolumen, – mit einer Messeinheit (11) zur Messung einer B₁-Feldverteilung der in das Untersuchungsvolumen von der Hochfrequenzantenne eingestrahlten HF-Pulse, – und mit einer Steuereinrichtung (6), welche auf Basis der ermittelten B₁-Feldverteilung die von der Hochfrequenzan tenne ausgesendeten HF-Pulse zur Homogenisierung in einem bestimmten Volumen optimiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) und die Hochfrequenzantenne (3) derart ausgebildet sind, dass für jeden applizierten HF-Puls zuvor ein Wirkvolumen (W) innerhalb des Untersuchungsvolumens bestimmbar ist und auf Basis der ermittelten B₁-Feldverteilung der betreffende HF-Puls individuell so einstellbar ist, dass das B₁-Feld innerhalb des Wirkvolumens (W) des HF-Pulses homogenisiert wird.
Magnetresonanzsystem nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Benutzerschnittstelle (14) zur Eingabe eines interessierenden Bereichs (ROI) innerhalb des Untersuchungsvolumens, wobei die Steuereinrichtung (6) derart ausgebildet ist, dass für jeden HF-Puls innerhalb des betreffenden Wirkvolumens (W) unter Berücksichtigung eines jeweils eingegebenen interessierenden Bereichs (ROI) ein Optimierungsvolumen (O) bestimmt wird und der HF-Puls individuell so eingestellt wird, dass das B₁-Feld innerhalb des Optimierungsvolumens homogenisiert wird.
Magnetresonanzsystem nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch eine Hochfrequenzantenne (3) mit mehreren Antennenelementen (4) und durch Ansteuermittel (12), um für jeden HF-Puls die Antennenelemente (4) gezielt mit einer bestimmten Phase und einer bestimmten Amplitude anzusteuern.
Computerprogrammprodukt, welches direkt in einen Speicher einer programmierbaren Steuereinrichtung (6) eines Magnetresonanzsystems (1) ladbar ist, mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen, wenn das Programm in der Steuereinrichtung (6) des Magnetresonanzsystems (1) ausgeführt wird.