DE102004057030B4

DE102004057030B4 - Erzeugung einer HF-Anregung entsprechend einem gewünschten Anregungsprofil unter Verwendung einer Sendespulenanordnung

Info

Publication number: DE102004057030B4
Application number: DE102004057030.2A
Authority: DE
Inventors: Yudong Zhu
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2016-06-16
Anticipated expiration: 2024-11-26
Also published as: JP4954464B2; US7053618B2; NL1027586C2; NL1027586A1; US20050110488A1; DE102004057030A1; JP2005152657A; US20050134268A1; US7075302B2

Abstract

MRI-Vorrichtung mit: einem Magnetresonanzbildungssystem (10) (MRI) mit einem Magneten (52) zur Einprägung eines polarisierenden Magnetfelds, mit einer Anzahl von Gradientenspulen (50), die über dem Kanal des Magneten (52) angeordnet sind, um einen Magnetfeldgradienten zu erzeugen, und mit einem HF-Sender-Empfängersystem (58) sowie einem HF-Schalter (62), der durch ein Pulsmodul (38) gesteuert wird, um HF-Signale an eine HF-Spulenanordnung (56) zur Akquisition von MR-Bildern zu übertragen, und einem Computer (12, 24, 22, 32, 36), der zur unabhängigen Anregung jeder Sendespule (72) einer Sendespulengruppe (70) zur Steuerung der HF-Erzeugung durch die Sendespulengruppe (70) so programmiert ist, dass eine sich ergebende kollektive HF-Erzeugung in einem der Bildgebung unterworfenen Volumen im Wesentlichen einem gewünschten HF-Anregungsprofil entspricht; bei der der Computer (12, 24, 22, 32, 36) weiter programmiert ist, um eine effektive räumliche Wichtung zu bestimmen, die der kollektiven HF-Erzeugung durch jede Sendespule (72) der Sendespulengruppe (70) auferlegt wird, wobei die Anzahl der HF-Impulsformen so gestaltet ist, dass die kopplungsinduzierten Korrelationen zwischen Spulen berücksichtigt werden, und bei der die effektive für jede Sendespule (72) vorgenommene räumliche Wichtung wenigstens Raumfrequenzwichtungen enthält, die durch unabhängig gesteuerte HF-Quellen induziert werden, die mit der Sendespulengruppe (70) verbunden sind, wobei die räumliche Wichtung mit der gegenseitigen Kopplung zwischen den Sendespulen (72) der Sendespulengruppe (70) und einem entsprechenden B1-Feldmuster zusammenhängt.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist allgemein die MR-Bildgebung und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Parallelanregung durch eine Sendespulengruppe, die ein gewünschtes Anregungsprofil verwirklicht. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem ein Verfahren zum Design paralleler Anregungsimpulse, die die gegenseitige Kopplung zwischen Spulen der Spulengruppe berücksichtigt und sich für jede Spulengeometrie eignet. Die vorliegende Erfindung ist außerdem auf zielgerichtete HF-Anregung eines bildgebenden Volumens gerichtet, um die MR-Bildgebung zu beschleunigen.
Wenn ein Stoff, wie bspw. menschliches Gewebe einem gleichmäßigen Magnetfeld (Polarisierungsfeld B₀) ausgesetzt ist, versuchen sich die einzelnen magnetischen Momente der Spins zu dem Polarisierungsfeld auszurichten, wobei sie um das Feld mit ihrer charakteristischen Larmor-Frequenz präzedieren. Wenn der Stoff oder das Gewebe einem Magnetfeld (Anregungsfeld B₁) ausgesetzt wird, das in der x-y-Ebene liegt und der Larmor-Frequenz nahe kommt, kann das ausgerichtete Nettomoment oder die „Längsmagnetisierung“ in die x-y-Ebene gedreht werden, wodurch eine Querkomponente M_t des magnetischen Moments entsteht. Durch die angeregten Spins wird nach Beendigung des Anregungssignals B₁ ein Signal ausgesandt, und dieses Signal kann zur Erzeugung eines Bildes empfangen und verarbeitet werden.
Wenn diese Signale zur Erzeugung von Bildern benutzt werden, werden magnetische Feldgradienten (G_x, G_y und G_z) genutzt. Typischerweise wird der bildgebende Bereich mittels einer Folge von Messzyklen gescannt, in denen diese Gradienten entsprechend des jeweils speziellen verwendeten Lokalisierungsverfahrens variiert werden. Der resultierende Satz empfangener NMR-Signale wird digitalisiert und weiterverarbeitet, um das Bild unter Nutzung einer von vielen bekannten Rekonstruktionstechniken zu rekonstruieren.
Die räumlich selektive Anregung wird bei der MR-Bildgebung weithin dazu verwendet, um eine Quermagnetisierung unter Beschränkung der Größe des zum Signal beitragenden Volumens zu induzieren. Die scheibenselektive Anregung, die am meisten verwendet wird, beschränkt das zum Signal beitragende Volumen auf eine festgelegte Scheibe, die die räumliche Enkodierung bei der Signalakquisition vereinfacht, um die Datenakquisitions- oder Scanzeit zu reduzieren. Es ist außerdem eine mehrdimensionale Anregung verwendet worden, die eine Lokalisierung in mehr als einer Dimension gestattet, um diese Reduktion der Scanzeit weiterzuführen. Beispielsweise sind die lokalisierte Spektroskopie, der reduzierte FOV-Scan eines interessierenden Bereiches, die Bildgebung einer Zielanatomie charakteristischer Form und die Echoplanarbildgebung (EPI) mit verkürzter Echozuglängeanwendungen diejenigen, die, weil sie reduzierte Scanzeiten ermöglichen, üblicherweise implementiert werden. Zusätzlich ist eine Profilsteuerung (Umschaltung, Phase, Frequenz) über ein festlegbares Volumen mit selektiver Anregung benutzt worden, um die Anregungsprofiltreue bei Vorhandensein von B₀-Inhomogenitäten oder Gradientennichtlinearitäten zu verbessern und somit die Anfälligkeit für Artefakte zu reduzieren.
Selektive Anregung wird gewöhnlich bei einer Einzelsendespule angewendet, die über ein ganzes Volumen sendet und ein relativ gleichmäßiges B₁-Feld erzeugt, wie bspw. eine Birdcagespule (Vogelkäfigspule). Es sind hocheffiziente Pulsalgorithmen entwickelt worden, um die Anregungspulse zu gestalten, die zu einer solchen Konfiguration passen. Ungeachtet der durch diese Pulsdesigntools erreichten Vorzüge verbleiben technische Schwierigkeiten. Einige der herausragensten Herausforderungen unter der Vielzahl von Anwendungen sind Fragen der Anregungsimpulsdauer, der Anregungsimpulsgenauigkeit und der HF-Leistungsabsorbtion (SAR). Verglichen mit der 1D-Anregung bringt die flexible Steuerung in mehreren Richtungen bei 2D- oder 3D-Anregung eine verstärkte Pulsierungsaktivität mit sich und erfordert starke Gradienten, um die Pulsdauer in Kontrolle zu halten. Diese Beschränkung verhindert Anwendungen der mehrdimensionalen Anregung in Scannern mit Allzweckgradienten. Eine wesentliche Abhängigkeit des B₁-Feldes vom Subjekt, die sich aus dem verstärkten Wellenverhalten und der Quelle-Subjekt-Wechselwirkung bei hohen Frequenzen ergibt, kann weiter zu Schwierigkeit bei der Kontrolle des Anregungsprofils beitragen. Ein weiterer Faktor, der eine signifikante Auswirkung auf die Gestaltung und die Anwendung von HF-Sendemodulen und/oder Anregungsimpulsen hat, ist die erhöhte HF-Leistungsabgabe bei hohen Frequenzen.
Die Nutzung von adiabatischen Impulsen bildet einen Pulsdesignansatz, der sich der Schwierigkeit der mit B₁-Inhomogenitäten zusammenhängenden Anregungsprofilkontrolle annimmt. Dieser Ansatz ist hinsichtlich seiner Anwendbarkeit in dem Maße beschränkt, wie seine Anwendung auf bestimmte Profile beschränkt ist, und führt tendenziell zu hohen HF-Leistungen. Ein B₁-Feld-Optimierungsansatz, der die Maximierung der gesamten B₁-Homogenitäten unterstützt, nimmt auf die Steuerungsproblematik durch Verbesserungen an dem Sendemodul Rücksicht. Eine Anpassung der Sendespulengeometrie oder des Antriebsmechanismus haben gezeigt, dass sie B₁-Inhomogenität reduzieren können. Jedoch ist bei hohen Frequenzen die Möglichkeit der Feldoptimierung beschränkt. Auch mit kalibrierungsgeführter Einstellung von Ansteuerungsportgewichten ist der Grad, mit dem sich die räumliche Variation des zusammengesetzten B₁-Felds einem gewünschten Niveau nähert, in hohem Maße von den Eigenschaften von Komponenten-B₁-Feldern abhängig und das Ergebnis neigt zu einer erheblichen Restinhomogenität.
Eine andere vorgeschlagene Lösung zur Reduzierung der Anregungsimpulslänge basiert auf einer Parallelanregungsarchitektur, d.h. auf vielen Sendeelementen, die durch unabhängige Treiber angeregt werden. Es werden individuelle B₁-Feldmuster benutzt, um Nebenzipfel (engl.: „side lobes“) zu unterdrücken, die aus der Abtastdichtreduktion in dem Anregungs-K-Raum herrühren. Ungeachtet der mit der Parallelanregungsstruktur erreichten Reduktion der Anregungsimpulslänge hat die Anwendung einer solchen Struktur gezeigt, dass die Besonderheiten der Sendeelemente nicht vollständig berücksichtigt werden. Dies heißt, dass diese bekannten Parallelsendearchitekturen die gegenseitige Kopplung zwischen den Sendeelementen nicht berücksichtigen und häufig von einer simplistischen Sendegruppengeometrie abhängen. Dadurch werden die von den Sendeelementen erzeugten räumlichen Variationen nicht vollständig ausgenutzt.
US 2003/0214294 A1 zeigt eine Vorrichtung mit mehreren Sendespulen zur parallelen Aussendung von HF-Pulsen.
Der Artikel U. Katscher et al. Theory and experimental verification of transmit SENSE” in Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med., 10, 2002, S. 190 beschreibt die simultane Anregung mit mehreren Sendespulen, wobei das räumliche Empfindlichkeitsprofil jeder Sendespule berücksichtigt wird.
Der Artikel T.S. Ibrahim et al., „Effect of RF coil excitation on field inhomogeneity at ultra high fields: A field optimized TEM resonator“, Magn. Reson. Imag. 19 (2001), S. 1339–1347 beschreibt die Multiportanregung eines TEM-Resonators zur Feldoptimierung bei der MRI-Bildgebung.
Es wäre deshalb zu wünschen, über ein System und ein Verfahren zu verfügen, die in der Lage sind, mittels einer Sendeelementeparallelachitektur die gewünschten Anregungsprofile zu realisieren und die Sendeimpulslänge zu reduzieren, wobei in einem von der Sendespulengruppe erzeugten zusammengesetzten B₁-Feld die gewünschten räumlich-zeitlichen Variationen des B₁-Felds bewirkt werden.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein System und ein Verfahren zur Bewirkung räumlich-zeitlicher Variationen in einem zusammengesetzten B₁-Feld, das durch eine Sendespulengruppe erzeugt ist, wodurch die vorgenannten Nachteile überwunden werden.
Die vorliegende Überwindung ist auf die Beschleunigung einer mehrdimensionalen Anregung durch eine abgestimmte Anregung der vielen Sendespulen gerichtet. Die vorliegende Erfindung betont die Koordinierung der vielen Sendeelemente, um in einem zusammengesetzten B₁-Feld angemessene räumlichzeitliche B₁-Variationen zu erzeugen, um das Management einer multidimensionalen Pulslänge zu verbessern, während die getreue Erzeugung eines gewünschten Anregungsprofils erleichtert wird. Die vorliegende Erfindung ist außerdem auf die Gestaltung paralleler Anregungsimpulse mit räumlicher Wichtung und Wichtung im Raum-Frequenz-Bereich gerichtet.
Deshalb ist nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren geschaffen, das den Schritt enthält, dass ein gewünschtes HF-Anregungsprofil bestimmt wird. Das Verfahren beinhaltet weiter den Schritt der unabhängigen Anregung jeder Sendespule einer Sendespulengruppe, derart, dass das Ergebnis der kollektiven, durch die Sendespulengruppe erzeugten Anregung dem gewünschten HF-Anregungsprofil im Wesentlichen entspricht.
Gemäß der Erfindung enthält die MRI-Einrichtung ein MRI-System mit einem Magneten zur Einprägung eines polarisierenden Magnetfeldes, sowie eine Anzahl von Gradientenspulen, die um den Kanal des Magneten herum positioniert sind, um einen Magnetfeldgradienten zu erzeugen. Ein Pulsmodul steuert ein HF-Sende-/Empfängersystem und einen HF-Schalter, um HF-Signale mit der HF-Spulenanordnung zu senden und zu empfangen, um MR-Bilder aufzunehmen. Die MRI-Einrichtung enthält außerdem einen Computer, der zur unabhängigen Anregung jeder Sendespule einer Sendespulengruppe zur Steuerung der HF-Erzeugung durch die Sendespulengruppe so programmiert ist, dass das Ergebnis kollektiver HF-Erzeugung in einem der Bildgebung unterworfenen Volumen im Wesentlichen einem gewünschten HF-Anregungsprofil entspricht, das unabhängig von der Sendespulengruppengeometrie ist, wobei der Computer weiter programmiert ist, um eine effektive räumliche Wichtung zu bestimmen, die der kollektiven HF-Erzeugung durch jede Sendespule der Sendespulengruppe auferlegt wird, wobei die Anzahl der HF-Impulsformen so gestaltet ist, dass die kopplungsinduzierten Korrelationen zwischen Spulen berücksichtigt werden, und wobei die effektive durch jede Sendespule vorgenommene räumliche Wichtung wenigstens Raumfrequenzwichtungen enthält, die durch unabhängig gesteuerte HF-Quellen induziert werden, die mit der Sendespulengruppe verbunden sind, wobei die räumliche Wichtung mit der gegenseitigen Kopplung zwischen den Sendespulen des Sendespulengruppe und einem entsprechenden B₁-Feldmuster zusammenhängt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Erfindung durch ein Computerprogramm verkörpert, das auf einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert ist und Instruktionen enthält, die, wenn sie durch einen Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, die HF-Aussendung einer Anzahl von Sendespulen einer Sendespulengruppe so zu steuern, dass die räumliche und zeitliche Variation eines zusammengesetzten B₁-Felds begleitet durch passende synchron vorgenommene Gradientenänderungen bei Beendigung der HF-Aussendung ein gewünschtes Anregungsprofil erzeugen.
Diese und andere Eigenschaften, Aufgaben und Vorzüge der vorliegenden Erfindung werden aus dem Studium der folgenden detaillierten Beschreibung und der Zeichnungen ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Zeichnungen veranschaulichen eine bevorzugte Ausführungsform, wie sie gegenwärtig zur Ausführung der Erfindung in Betracht gezogen wird.
Die Zeichnungen:
1 ist ein schematisches Blockbild eines bildgebenden MR-Systems zur Anwendung der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Blockbild, das eine lineare Sendespulengruppenanordnung gem. einem Aspekt der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
3 ist ein Blockbild, das eine einhüllende Sendespulengruppenanordnung gem. einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
4 ist ein Graph, der ein HF-Anregungsprofil veranschaulicht, das gem. der vorliegenden Erfindung mit einer Sendespulengruppe erreichbar ist.
5 und 6 sind Plots, die einen k_x-Richtungs-Wichtungsbeitrag der Spulen einer Sendespulengruppe veranschaulicht, die an zwei x-Achsenstellen angeordnet sind.
7 veranschaulicht die Größe eines Lokalisierungsprofils entlang der x-Achse für jede Spule einer Sendespulengruppe.
8 veranschaulicht eine erfindungsgemäße Impulssequenzgrafik.
9 veranschaulicht die sich ergebende 2D-Quermagnetisierungsverteilung, wie sie durch Beseitigung der Spulenempfindlichkeitswichtung aus einem akquirierten Bild geschätzt wird.
10 veranschaulicht B₁-Feldmaps für Spulen einer exemplarischen Sendespulengruppe.
11 veranschaulicht eine Quermagnetisierungsverteilung einer nichtselektiven Anregung in einer Referenzkörperspule.
12 veranschaulicht B₁-Feldmaps für jede Spule einer Sendespulengruppe, sowie ein zusammengesetztes Feldmaping, das durch Überlagerung der individuellen B₁-Feldmaps erzeugt ist.
13 bis 16 veranschaulichen Ergebnisse eines HF-Pulsprotokolls zur Steuerung der HF-Aussendung und Minimierung der HF-Einstrahlung auf ein Subjekt gem. einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
In 1 sind die Hauptkomponenten eines bevorzugten bildgebenden Magnetresonanzsystems 10 (MRI) veranschaulicht, das die vorliegende Erfindung umfasst. Der Betrieb des Systems wird von einer Bedienkonsole 12 gesteuert, die eine Tastatur oder andere Eingabeeinrichtung 13, ein Steuerpanel 14 und einen Wiedergabeschirm 16 aufweist. Die Konsole 12 kommuniziert über eine Verbindung 18 mit einem gesonderten Computersystem 20, das es einem Bediener gestattet, die Erzeugung und Anzeige von Bildern auf den Displayschirm 16 zu steuern. Das Computersystem 20 enthält eine Anzahl von Modulen, die miteinander über eine Rückebene 20a kommunizieren. Zu diesen gehört ein Bildprozessormodul 22, ein CPU-Modul 24 und eine Speichermodul 26, der in der Fachwelt als Framepuffer zur Speicherung von Bilddatenarrays bekannt ist. Das Computersystem 20 ist mit einem Plattenspeicher 28 und einem Bandspeicher 30 zur Speicherung von Bilddaten und -programmen verbunden und kommuniziert über eine serielle Hochgeschwindigkeitsverbindung 34 mit einer separaten Systemsteuerung 32. Die Eingabeeinrichtung 13 kann eine Maus, ein Joystick, ein Keyboard, ein Trackball, ein Touchscreen, ein Lichtstift, eine Sprachsteuerung o. ä. oder eine äquivalente Eingaberichtung sein und zur interaktiven Geometriebeschreibung verwenden werden.
Die Systemsteuerung 32 enthält einen Satz von Modulen, die über eine Rückebene 32a miteinander verbunden sind. Zu ihnen gehören ein CPU-Modul 36 und ein Pulsgeneratormodul 38, das die Bedienkonsole 12 über eine serielle Verbindung 40 anschließt. Die Systemsteuerung 32 empfängt Befehle von einem Bediener über eine Verbindung 40, um die durchzuführende Scanfrequenz anzuzeigen. Das Pulsgeneratormodul 38 betreibt die Systemkomponenten so, dass die gewünschte Scanfrequenz ausgeführt und Daten erzeugt werden, die das Timing, die Stärke und die Form der zu erzeugenden HF-Impulse, sowie das Timing und die Länge des Datenakquisitionsfensters kennzeichnen. Das Pulsgeneratormodul 38 ist mit einem Satz von Gradientenverstärkern 42 verbunden, um das Timing und die Form der Gradientenimpulse vorzugeben, die während des Scans erzeugt werden. Das Pulsgeneratormodul 38 kann außerdem Patientendaten von einer physiologischen Akquisitionssteuerung 44 empfangen, die Signale von einer Anzahl unterschiedlicher mit dem Patienten verbundener Sensoren empfängt, wie bspw. ECG-Signale von Elektroden, die an dem Patienten befestigt sind. Und schließlich ist das Pulsgeneratormodul 38 mit einer Scanrauminterfaceschaltung 46 verbunden, die Signale von verschiedenen Sensoren für den Zustand des Patienten und des Magnetsystems empfängt. Ebenfalls über die Scanrauminterfaceschaltung 46 empfängt ein Patientenpositioniersystem 48 Signale, um den Patienten in die für den Scan gewünschte Position zu bewegen.
Die durch das Pulsgeneratormodul 38 erzeugten Gradientenkurvenformen (Waveforms) werden dem Gradientenverstärkersystem 42 mit den Verstärkern G_x, G_y, und G_z zugeführt. Jeder Gradientenverstärker erregt eine entsprechende physikalische Gradientenspule, in der im Ganzen mit 50 bezeichneten Gradientenspulenanordnung, um die zur räumlichen Kodierung akquirierter Signale genutzten magnetischen Feldgradienten zu erzeugen. Die Grandientenspulenanordnung 50 bildet einen Teil einer Magnetanordnung 52, die einen polarisierenden Magneten 54 und eine Ganzkörper-HF-Spule 56 enthält. Ein Sender/Empfänger-Modul 58 des Steuersystems 32 erzeugt Impulse, die durch einen HF-Verstärker 60 verstärkt und durch einen Sende/Empfangs-Schalter 62 an eine HF-Spule 56 gekoppelt werden. Die von den angeregten Kernen in dem Patienten ausgesandten resultierenden Signale werden durch die gleiche HF-Spule 56 erfasst und durch den Sende/Empfangs-Schalter 62 zu einem Vorverstärker 64 geleitet. Die verstärkten MR-Signale werden in dem Empfängerabschnitt des Senders/Empfängers 58 demoduliert, gefiltert und digitalisiert. Der Sende/Empfangs-Schalter 62 wird durch ein Signal des Pulsgeneratormoduls 38 gesteuert, um den HF-Verstärker 60 während der Sendebetriebsart mit der Spule 56 zu verbinden, und um die Spule 56 während der Empfangsbetriebsart mit dem Vorverstärker 64 zu verbinden. Der Sender/Empfangsschalter 62 kann außerdem eine gesonderte HF-Spule (bspw. eine Oberflächenspule) freigeben, die entweder in der Sendebetriebsart oder der Empfangsbetriebsart genutzt wird.
Die durch die HF-Spule 56 aufgenommenen MR-Signale werden durch das Sende/Empfängermodul 58 digitalisiert und an ein Speichermodul 66 in der Systemsteuerung 32 übertragen. Ein Scan ist vollständig, wenn in dem Speichermodul 66 eine Gruppe von k-Raum-Rohdaten akquiriert ist. Die k-Raum-Rohdaten werden für jedes zu rekonstruierende Bild in gesonderte k-Raum-Datengruppen umgeordnet und jede dieser Gruppen wird einem Arrayprozessor 68 eingegeben, der dazu dient, an den Daten in einem Array von Bilddaten eine Fouriertransformation vorzunehmen. Diese Bilddaten werden durch die serielle Verbindung 34 zu dem Computersystem 20 geleitet, wo sie in einem Speicher, wie bspw. einem Plattenspeicher 28 gespeichert werden. In Befolgung von von der Bedienkonsole 12 empfangenen Befehlen können diese Bilddaten in Langzeitspeichern, wie bspw. auf einem Bandspeicher 30 archiviert oder durch den Bildprozessor 22 weiterverarbeitet und zu der Bedienkonsole 12 geleitet, sowie auf dem Display 16 präsentiert werden.
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und ein System zur Beschleunigung der HF-Impulsübertragung durch mehrere Sendespulen. Eine solche Sendespulengruppe ist in 2 veranschaulicht. Die Sendespulengruppe 70 enthält eine Anzahl von HF-Spulen oder -elementen 72, die zur parallelen HF-Aussendung eingerichtet sind, sowie eine Anzahl von HF-Verstärkern 74. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird jede Sendespule 72 durch einen zugeordneten HF-Verstärker 74 angesteuert. In dieser Hinsicht ist jeder HF-Verstärker so eingerichtet, dass er in einer entsprechenden HF-Spule einen kontrollierten Strom erzeugt, um ein Anregungsvolumen 76 eines Subjekts 78 innerhalb des MRI-System zu definieren und zu steuern. Wie ebenfalls noch beschrieben werden wird, ist jede Sendespule in einer solchen Weise gesteuert, dass Zwischenspulenkorrelationen, d.h. gegenseitige Kopplungen, berücksichtigt werden. Wie in 2 veranschaulicht ist, sind die Sendespulen 72 in einer im Wesentlichen linearen Weise angeordnet. Zusätzlich erregen, wie detaillierter beschrieben werden wird, die HF-Verstärker die HF-Sendespulen so, dass die HF-Erregung im Wesentlichen auf einen speziellen interessierenden Bereich lokalisiert werden kann, um die HF-Einstrahlung auf das Subjekt zu reduzieren. Wie weiter beschrieben wird, ist jede der Spulen in einer solchen Weise gesteuert, dass die HF-Abstrahlung weiter reduziert wird.
In 3 ist eine Sendespulenanordnung 70 einer anderen Ausführungsform veranschaulicht. In dieser Ausführungsform sind die Sendespulen 72 in das Objekt einhüllenderweise angeordnet. In dieser Hinsicht werden die Spulen um das Subjekt herum angeordnet. Ähnlich wie mit Bezug auf 2 veranschaulicht und beschrieben, ist jede HF-Spule 72 mit einem zugeordneten HF-Verstärker 74 verbunden. Der Fachmann erkennt leicht, dass die 2 und 3 ein paar mögliche Anordnungen der Spulen einer Sendespulengruppe veranschaulichen und dass andere, nicht speziell veranschaulichte Anordnungen möglich sind und in Betracht gezogen werden.
Wie oben angedeutet, richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren und ein System, das an einer Sendespulengruppe so betrieben werden kann, dass die HF-Erregung durch die Sendespulen parallel ausgeführt werden kann. Diese Parallelanregung unterstützt die Reduktion der Scanzeit durch die Beschleunigung der HF-Impulse und die Lokalisierung der gezielten Anregung.
Die vorliegende Erfindung wird im Hinblick auf small-tip-angle-Anregung (kleiner Anregungswinkel) beschrieben, jedoch versteht der Fachmann, dass die vorliegende Erfindung auf andere Erregungsarten anwendbar ist. Die Quermagnetisierung, die sich aus einer kleinwinkligen Erregung mit einer einzigen Sendespule ergibt, kann durch die Fouriertransformation der durchquerten k-Raumtrajektorie und Wichtung während der Erregung analysiert werden: M(x) = jγM₀(x)b(x)∫_kW(k)S(k)e^j2πk·xdk Gleichung 1, wobei S(k) eine räumlich, frequenzmäßige Abtasttrajektorie repräsentiert, die durch die Schaltgradienten gesteuert ist, W(k) eine räumlich, frequenzmäßige Wichtung (Raumfrequenzwichtung) repräsentiert, die durch die ansteuernde HF Quelle induziert wird, und b(x), eine räumliche Wichtung repräsentiert, die durch das B₁-Feldmuster der Spulen induziert wird.
Wenn verschiedene Sätze von Impulssynthesizern und -verstärkern parallele HF-Quellen bilden, die gleichzeitig während der Anregung entsprechende Spulen ansteuern, beeinflussen vielfache räumlich-frequenzmäßige und räumliche Wichtungen die Erzeugung der Quermagnetisierung. Innerhalb der Grenzen der small-tip-angle-Approximation kann die durch die Gleichung 1 ausgedrückte k-Raumperspektive erweitert werden, um ein parallel angeregtes System auf Basis seiner Linearitätseigenschaften zu analysieren:
Gleichung 2.
In Gleichung 2 bezeichnet N die Gesamtzahl der Senderspulen, n und l sind Spulenindizes, c_nl sind Koeffizienten, die die gegenseitige Kopplung zwischen den Spulen charakterisieren, W_l(k) repräsentiert die räumlich, frequenzmäßigen Wichtungen, die durch die unabhängig gesteuerten HF-Quellen induziert werden und b_n(x) repräsentiert die räumlichen Wichtungen, die durch die entsprechenden B₁-Feldmuster der Spulen induziert werden.
Wenn g(x) den Term in Gleichung 2 beschreibt, der das Anregungsprofil festlegt, kann g(x) ausgedrückt werden als
Gleichung 3, die anzeigt, dass bei der Analyse des parallelen Sendesystems b ˆ_l(x) ≡ Σ N / n-1c_n,lb_n(x), die effektiven räumlichen Wichtungen, dazu genutzt werden können, die kopplungsinduzierten Korrelationen zwischen den Spulen zu berücksichtigen.
Als ein Beispiel wird ein 2D-Anregungsfall betrachtet, bei dem eine planare (k_xk_y) Echotrajektorie verwendet wird (wobei k_x die langsame oder Abfallrichtung und Δ_kx die Abtastperiode ist und bei der {(x, y)|x_min ≤ x ≤ x_max, y_min ≤ y ≤ y_max} das Blickfeld (Field-of-View) spezifiziert, das das Subjekt enthält. Die k-Raumwichtung und -abtastung ergibt ein 2D-Anregungsprofil, das, wie durch Gleichung 3 definiert, eine gewichtete Superposition einer N-periodischen Funktion ist:
Gleichung 4.
In Gleichung 4 repräsentieren die Bezeichnung u_l(x) und Δ entsprechend ∫W_l(k)e^j2πk·xdk sowie 1/Δ_kx. Zu Zwecken der Vereinfachung ist die Z-Abhängigkeit unterdrückt worden.
Aus Gleichung 4 wird klar, dass die diskrete Natur von k_x notwendigerweise Seitenzipfel entlang x impliziert. Von Wichtigkeit ist, dass Gleichung 4 anzeigt, dass die Seitenzipfelunterdrückung durch vielfache Wichtung im Raumbereich (b ˆ_l(x)) und im Raum-Frequenz-Bereich (W_l(k)) erreicht werden kann. Dies kann mit dem Fall der Anregung mit einer Körperspule (Volumenspule mit b(x) ≈ 1) verglichen werden, wo bei dem typischen Impulsdesign die Seitenzipfel aus dem Objekt herausgedrängt werden, indem die Abtastperiode Δ_kx auf einen Wert nicht größer als 1/D (D = x_max – x_min) beschränkt wird.
Bei der Betriebsart mit small-tip-angle (kleinem Anregungswinkel) können unter Voraussetzung eines gewünschten Anregungsprofils das Design des Gradienten und des HF-Impulses erreicht werden, indem ein durch Gleichung 2 definiertes inverses Problem gelöst wird. Zum Zweck der Veranschaulichung wird eine 2D-Anregung beschrieben.
Um ein 2D-Anregungsprofil zu erzielen, das durch g(x, y) und durch Gleichungen des Typs: u_l(x, y) = h_l(x, y)g(x, y) gegeben ist, kann Gleichung 4 umgeschrieben werden als:
Gleichung 5.
Die allgemein für alle (x, y) innerhalb des Blickfelds fordert,
Gleichung 6.
Indem die Gleichungen (durch Wechsel der Variablen) sortiert werden, kann gezeigt werden, dass {h_l(x, y), l = 1, ..., N} typischerweise an jedem (x, y) durch K-lineare Gleichungen beschränkt ist (K ist als die kleinste ganze Zahl definiert, die größer oder gleich D/Δ ist): C_{(x, y)}h_{(x, y)} = e₁ Gleichung 7, wobei
Gleichung 8, h_(x,y) = [h₁(x, y)h₂(x, y)...h_N(x, y)]^T Gleichung 9, e₁ = [1 0...0]^T Gleichung 10 und {x, ..., x + mΔ(m ≠ 0), ...} den Satz von x-Koordinaten innerhalb des Blickfelds repräsentiert, die voneinander gleichmäßig beabstandet sind und durch Aliasing-Effekte einander zugeordnet sind. Bei Verwendung einer Abtastperiode Δ_kx die größer als 1/D ist zeigen alle außer der ersten Gleichung in Gleichung 7 die Unterdrückung von Aliasing-Effekten verursachten Nebenzipfeln (side lobes) innerhalb des Blickfelds.
Das wiederholte Lösen der Gleichung 7 für verschiedene Stellen in dem Blickfeld ergibt die verschiedenen h_l(x, y), die dann die Berechnung der k-Raum-Wichtung gem. der folgenden Gleichung gestatten: W_l(k) = ∫_xh_l(x)g(x)e^–j2πk·xdx Gleichung 11.
Die k-Raum-Wichtung und die HF Pulsform, die der l-ten Spule zugeordnet sind, können dann durch Fouriertransformation einer räumlich gewichteten Version des gewünschten Anregungsprofils berechnet werden, wobei die räumliche Wichtung aus B₁-Feldaufzeichnungen jeder Sendespule und der k-Raum Quertrajektroie erhalten werden.
Die Qualität der B₁-Feldaufzeichnung hat einen direkten Einfluss auf die Genauigkeit des Erregungsprofils. Die Aufzeichnungen können experimentell einmalig kalibriert werden. Mit diesem Ansatz gehört zu jeder Kalibrierung ein Bildgebungsexperiment, das ein einzelnes Element der Sendergruppe zur Sendung (mit Null Eingangssignalen der anderen Elemente) und die Körperspule zum Empfang nutzt. Die Division des Ergebnisses durch ein Referenzbild zur Beseitigung der Modulation des Subjektkontrasts und die zusätzliche Verarbeitung zur Unterdrückung der Rauscheffekte liefert dann eine Schätzung der effektiven B₁-Aufzeichnung, die dem Sendeelement zugeordnet ist. Alternativ können B₁-Aufzeichnungen von Empfindlichkeitsaufzeichnungen auf der Basis der Reziprozität hergeleitet werden. Es wird angemerkt, dass zur Reduktion der Kalibrierzeit viele Empfindlichkeitsaufzeichnungen parallel durchgeführt werden können. Jedoch können die entgegengesetzte Phase und mögliche Änderungen der Spulenkopplungscharakteristika zwischen Senden und Empfangen, wenn sie nicht berücksichtigt werden, die Genauigkeit der geschätzten effektiven B₁-Aufzeichnungen kompromittieren.
Wenn bei dem 2D-Anregungsbeispiel zwei Systemtypen verglichen werden, liefert die vorliegende Erfindung eine Anregungsbeschleunigung bis zum N-fachen gegenüber einem einkanaligen Körperspulensystem. Formal geht dies aus dem Umstand hervor, dass Gleichung 7 wenigstens eine Lösung zulässt, wenn N ≥ D/Δ oder äquivalent Δ_kx ≤ N/D, was umgekehrt die stringentere Forderung im Vergleich zu Δ_kx ≤ 1/D im Falle der Sendung mittels Körperspule ist. Intuitiv wird das Potential der Beschleunigung oder Reduktion der Anregung der k-Raum-Abtastdichte wahrscheinlich am besten erkannt, indem berücksichtigt wird, dass, während eine Reduktion der Anregungs-k-Raum-Abtastdichte innerhalb des Objekts zu lokalisierende Nebenzipfel verursacht, ein angemessenes Design der Raumfrequenzbereichswichtung (W_l(k)) mit der Raumbereichswichtung (b ˆ_l(x)) und dem Aliasing-Muster (wie es durch das Abtasten bestimmt ist) kombiniert werden kann, um eine inkohärente Addition vorzunehmen, was die Reduktion oder Auslöschung von Seitenzipfel-Nettoamplituden bewirkt.
Für einen Beschleunigungsfaktor, der kleiner als N ist oder äquivalent eine Abtastperiode, die kleiner als N/D ist, lässt Gleichung 7 eine Lösungsfamilie der Dimensionalität N – K zu. Dies ergibt eine Auswahl von Anregungsimpulsdesigns, die alle in der Lage sind, eine Hauptkeule zu erzeugen, die dem gewünschten Anregungsprofil entspricht und die, wenn sie angewendet werden, gleichzeitig Nebenzipfel unterdrücken. Das spezifische Design, das die durch die Lösung von Gleichung 7 berechneten h_l(x, y) im Minimierungssinne nutzt, ist bemerkenswert, weil es dazu neigt, die Empfindlichkeit des Anregungsprofils auf Störungen oder die Leistungsanforderungen an die HF-Verstärker zu verringern.
Die unabhängige Ansteuerung der Sendespulen einer Sendespulengruppe unterstützt auch das SAR-Management. Im Vergleich zu einer einheitlichen Abdeckung eines Subjektvolumen mit einer einzigen Sendespule verhindert die fokussierte Erregung lediglich des interessierenden Bereichs mit einer Gruppe von verteilten lokalen Sendespulen durch Nutzung der Spulen in enger Nachbarschaft eine nennenswerte HF-Einstrahlung außerhalb des Bereichs. Außerdem kann aus der Vielzahl der Möglichkeiten der Abstimmung der Quellen und der Erzielung des gewünschten Anregungsprofils dasjenige herausgewählt werden, das ein kleinstmögliches E-Feld und folglich eine geringst mögliche HF-Einstrahlung ermöglicht.
Während die vorliegende Erfindung eine Anzahl von SAR-Reduktionstechniken, d.h. die fokussierte HF-Anregung, unterstützt, wird hiernach ein SAR-Management mit Konzentration auf die Minimierung der über das Subjektvolumen und die Anregungsperiode gemittelten SAR nachfolgend detaillierter beschrieben, das definiert ist durch:
Gleichung 12.
In Gleichung 12 bezeichnet σ die Gewebeleitfähigkeit, ρ die Dichte, V die Größe des bestrahlten Subjektvolumens und P die Gesamtzahl der Zeitpunkte, die zur Quantifizierung des zeitlichen Durchschnitts genutzt werden.
Es wird beispielsweise von mehrschleifigen Spulen ausgegangen, die der Oberfläche eines großen Stücks leitenden Materials gegenüber angeordnet sind. Bei niedrigen Frequenzen sind die Felder innerhalb des Stücks tendenziell durch das einfallende Feld dominiert, das durch die Ströme in den Spulen erzeugt wird. Dem quasi-statischen Ansatz zur Analyse elektrischer und magnetischer Nahfelder folgend, können die Felder durch ein Vektorpotential A charakterisiert werden:
Gleichung 13, wobei die Linienintegrale über die Ströme in den Spulen auf einer Stromfadenapproximation der Spulenleiter beruhen und die Felder mit A durch B = ∇xA und E = dA/dt verbunden sind. In diesem Falle kann der Kern |E(x, pΔt)|² berechnet werden zu:
Gleichung 14, was eine quadratische Form in [I₁(pΔt)I₂(pΔt)...I_N(pΔt)], einem Vektor mit Werten der Ströme zum Zeitpunkt pΔt, ist. Werden das Volumenintergral und die zeitliche Summation abgetrennt, kann SAR_ave als eine quadratische Funktion der Abtastwerte der Stromkurve ausgedrückt werden: SAR_ave = s^HFs Gleichung 15, wobei das hochgestellte H die konjugierte Transponierung bezeichnet, die Matrix F Einträge enthält, die auf der Basis der Gleichungen 12 und 14 berechnet worden sind und der Vektor s in entsprechender Folge eine Anzahl von N × P-Abtastwerten der Stromkurve beinhaltet.
Vorausgesetzt, dass das elektrische Feld sich linear zu den Funktionen der beaufschlagenden Quelle verhält, gilt generell eine quadratische Beziehung in der Form der Gleichung 15 zwischen durchschnittlichem SAR und den Abtastwerten der Quellenfunktion. Jedoch ist das Lösen der Maxwell’schen Gleichung in Anwesenheit eines biologischen Objekts oder bei hohen Frequenzen schwierig und die Konstruktion der F-Matrix muss man möglicherweise auf Kalibrierungsergebnisse oder direkte E-Feld-Messungen zurückgreifen.
Wenn die Abhängigkeiten der Absorptionsrate und der Quermagnetisierung der angewendeten Quellfunktionen bekannt sind, ist die Bestimmung eines Satzes koordinierter Quellfunktionen, die das gewünschte Anregungsprofil bei Minimierung der SAR, möglich. Bei einem Regime mit kleinem Anregungswinkel oder seiner Erweiterung, bei der eine lineare Behandlung der Bloch’schen Gleichungen angemessen ist, existiert eine geschlossene Lösung für ein multidimensionales Anregungsdesign, was die Aufgabe der Durchsuchung eines großen Lösungsraums überflüssig macht.
Es wird mit dem vorstehend beschriebenen 2D-Anregungsbeispiel fortgesetzt, wobei die Gleichungen der Form gem. Gleichung 7, die von dem Erfordernis der Erzeugung einer gewünschten Hauptkeule im Objekt unter Vermeidung von Nebenzipfeln herrühren, gemeinsam die räumlichen Muster der h_l(x) festlegen. Das Zusammenführen dieser Gleichungen ergibt somit die Auslegungsbeschränkungen, die in Matrixform ausgedrückt werden können als: C_allh_all = e_all Gleichung 16.
In Gleichung 16 ist C_all eine Diagonalmatrix mit C_(x,y) auf der Diagonalen und Nullen überall sonst und h_all und e_all sind Vektoren, die, entsprechend verkettet, die h_(x,y) und die (mehreren) e₁ repräsentieren. Wenn ein bewegtes Abtasten der Wichtungsfunktionen mit einer konstanten Rate ausgeführt wird, sind die W_l(k(t)) den Stromkurvenformen proportional. Die fouriertransformierte Beziehung zwischen den W_l(k) und den h_l(x) gestattet die Umformung der Gleichung 15 nach h_all: SAR_ave = h H / allVh_all Gleichung 17.
Die quadratische Form bleibt, denn die Fouriertransformation definiert eine lineare Abbildung von h_l(x) auf W_l(k). Eine variable Abtastrate würde lediglich die Einträge der Matrix V zur Anpassung an die Gradientenamplitudenänderungen modifizieren. Somit kann das Impulsdesign für das SAR-Management durch Minimierung einer quadratischen Funktion erreicht werden, die einer linearen Beschränkung unterworfen ist: minimize h H / allVh_all subject to C_allh_all = e_all Gleichung 18, die unter Nutzung bekannter numerischer Techniken gelöst werden kann.
In der Simulation und in Phantomexperimenten sind Designprinzipien für kleine small-tip-angle Anregungsimpulse, wie oben beschrieben, evaluiert worden. Das Designprinzip zur beschleunigten multidimensionalen Anregung zu evaluieren, wurde in einer Simulationsstudie zuerst die Parallelanregung an einer Sendespulengruppe geprüft. Die Sendegruppe hatte neun identische 19,8cm × 6,4cm Schleifenspulen, die in flacher Form in x-Richtung aufgereiht waren. Diese Gruppe wies auf eine dünne Objektscheibe unterhalb der Fläche der Gruppe. Es wurde mit Parallelanregungsimpulsen eine 2D-Anregung mit dem gewünschten Erregungsprofil über das Objekt in der Form von g(x) = g_x(x)·g_z(z) angewendet. In diesem Fall führen die Verwendung einer planaren k_x – k_z-Echotrajektorie, bestehend aus um Δ_kx gleichmäßig beabstandeten Linien k_x = konstant, eine vernachlässigbare B₁-Variation in y- und z-Richtung in dem lokalisierten Volumen und die Abtrennbarkeit der Lösungen für g(x) zu Gleichung 11 der Form W_l(k) = U_kx,l(k_x)·U_kz(k_z), wobei
zum Zwecke dieses ersten Experiments sind die Gleichungen der Form gem. Gleichung 7 aufgestellt und die Wichtungen über k_x – k_z bestimmt worden. Es sind dann HF-Impulsformen auf Basis von Gleichung 11 berechnet worden. Als Referenz ist ein Körperspulenanregungsimpuls an der gleichen 2D-Lokalisierung benutzt worden.
Das Designprinzip der beschleunigten Anregung ist in einer Phantomstudie weiter evaluiert worden, die an einem 1,5 Tesla MRI-Scanner mit einer Einstellung vorgenommen worden ist, die der oben genannten Simulationsstudie sehr ähnlich war. Die interessierende Sendespulengruppe hatte die gleiche Geometrie und war 3cm oberhalb eines wassergefüllten Quader-phantoms mit 41 × 19 × 1 cm³ angeordnet. Weil der Scanner lediglich einkanalige HF-Impulsübertragung unterstützt hat, hat die Studie die Parallelerregung indirekt geprüft, indem sie die simultane Anregung von neun Gruppenelementen durch eine Serie von neun Einzelkanalexperimenten nachgeahmt hat. Die Validität dieses Ansatzes wird durch die Linearitätseigenschaft des kleinwinkligen Regimes sichergestellt, was die Vorhersage des Ergebnisses eines Parallelanregungselementes aus der Überlagerung der Quermagnetisierungsverteilungen gestattet, die bei Einzelkanalanregungselementen beobachtet worden sind.
Speziell ist eine einzelne Sendeempfangsspulenschleife der Größe 19,8 cm × 6,4 cm an dem HF-Interface des Scanners angeschlossen worden. Während der neuen Experimente ist die Spule jeweils in einer Position angeordnet und mit einem HF-Impuls beaufschlagt worden, die und der den neuen Elementen der virtuellen Spulengruppe entsprechen, die simuliert werden sollte. Nach Beendigung jeder Sendung wurde die Spule unmittelbar auf ihre Empfangsfunktion umgeschaltet, wobei über die gesamten Experimente hinweg die Körperspule des Scanners inaktiviert war. Die 2D-Anregung und Akquisition wurde mit einer Gradientenechosequenz durchgeführt. Von einem Experiment zum nächsten blieb die k-Raumtraversierungserregung die gleiche (d.h. eine planare k_x – k_y Echotrajetorie, wobei k_x die langsame Richtung ist), jedoch wurde die Wichtung (HF-Impuls) entsprechend dem Anregungspulsdesign geändert. Die 2D-Akquisition erzeugte Bilder, die das Wasserphantom entlang der x- und y-Richtung (und in y-Richtung in der Normalrichtung der 1-cm-Schicht projiziert) abbilden. Die 2D-Quermagnetisierungsverteilungen wurden durch Entfernung der Empfindlichkeitsprofile der Spulen aus den Bildern quantifiziert. Die Verteilungen wurden dann überlagert, um eine Schätzung der Verteilung zu erhalten, die sich aus dem entsprechenden Parallelanregungsexperiment ergibt. Bei dieser Gestaltung der Studie ist die Spulenkopplung kein Faktor. Die B₁-Auszeichnungen sind auf Basis des Biot-Savartschen Gesetz sowohl für die HF-Impulsberechnungen als auch hinsichtlich der Beseitigung der Empfindlichkeitsprofile berechnet worden.
Bei einer anderen Studie der Anregungsbeschleunigung ist die Rundanordnungsgeometrie überprüft worden. Die Gruppe bestand aus sieben Sendeelementen, die azimuthal in Einhüllenderform innerhalb eines Patientenkanals eines Scanners angeordnet waren. Computersimulationen haben 2D-Anregungsdesign in x- und y-Richtung evaluiert. Die Kopplung zwischen den Elementen war nicht vernachlässigbar und ist in einer Kopplungsmatrix in Betracht gezogen worden, die sich aus Gegeninduktionsberechnungen ergibt. Die Designs beruhten auf den Originalgleichungen 7 und 11.
Die Effizienz des vorstehend als in das Parallelimpulsdesign integrierten SAR-Managementschemas ist weiter evaluiert worden. Die Evaluierung wurde in der gleichen Weise ausgeführt wie die erste Simulationsstudie mit der Ausnahme der Applikation paralleler Anregungsimpulse, der von Gleichung 18 definierten Form anstelle von Gleichung 17. Mit den berechneten Koeffizienten H_l(x, z) gab Gleichung 11 die Wichtungen über k_x – k_z, was wiederum die HF-Impulsformen festlegt. Das sich ergebende Erregungsprofil und gemittelte SAR wurde mit dem der ersten Simulationsstudie verglichen.
Es folgt eine Diskussion der Ergebnisse der oben beschriebenen Experimente. Es wurde eine fokussierte Erregung eines Bereichs von 5 cm mal 5 cm innerhalb des Scheibenobjekts zentriert bei x = 8 cm und z = 0 cm in der ersten Simulationsstudie untersucht. Ein Referenzdesign auf der Basis einer Körpersendespule nutzt Pulse, die 57 Linien mit k = Konstant bei Δ_kx = 1/31,6 Zyklen/cm traversierend aufweisen. Die x-Richtungslokalisierung, die sich aus diesem Referenzdesign ergibt, ist in den 4 bis 7 veranschaulicht. Ein Parallelerregungsdesign vollbringt die 2D-Lokalisierungsaufgabe mittels der Sendespulengruppe. Das Design nutzt Impulse, die traversierend vierzehn Linien mit k_x = Konstant und Δ_kx = 1/7 Zyklen/cm aufwiesen, was eine 4-fache Beschleunigung darstellt. U_kx,4(mΔ_kx) und U_kx,7(mΔ_kx), die k_x-Richtungswichtung, die durch die bei x = 4 cm und x = 7 cm angeordneten Spulen beigetragen werden, sind in 5 und 6 veranschaulicht. Die Lokalisierung entlang der x-Achse mittels der neun Spule ist in 7 veranschaulicht. Während die ersten Aliasing-Effekte erzeugenden Nebenzipfel infolge der Reduktion der Samplingdichte 4,5 × näher an dem Ziel (Mitten-zu-Mittenabstand = 7 cm) waren, waren die Nettoamplituden aller dieser, wie auch anderer Nebenzipfel innerhalb des 40 cm FOV infolge der inkohärenten Addition vernachlässigbar, wie aus 4 hervorgeht. Im Vergleich zu dem Ergebnis mit dem Körperspulenansatz war die Lokalisierung der Parallelanregung genauso gut fokussiert (die nicht dargestellte imaginäre Komponente war vernachlässigbar) und lieferte eine vergleichbare Auflösung – siehe 4.
Bei der Phantomstudie waren die Auswirkungen der inkohärenten Addition auf Aliasing-Effekte der Nebenzipfel Hauptgegenstand der Untersuchung. Zu diesem Zweck sind 2D-Anregungsimpulse gestaltet worden, um einen Bereich in dem Wasserphantom direkt unter dem Mittenelement ins Visier zu nehmen. Um die Untersuchung zu erleichtern, haben die Impulsberechnungen außerdem eine ausgedehnte lineare Anordnung anstelle einer lediglich neuen Elemente aufweisenden Anordnung angenommen. Die gestalteten Impulse waren 5,7 msek lang. Für das Experiment mit dem Mittelelement veranschaulicht 8 die applizierten HF-Impulse (Größe und Phase) sowie die G_x und G_z, wobei die Gradientenimpulse in allen Experimenten dieser Serie identisch ausgeführt worden sind. Die Beseitigung des Empfindlichkeitsprofils der Spule aus dem sich ergebenden Bild lieferte eine Schätzung der 2D-Quermagnetisierungsverteilung, die durch das Element induziert wird, wie in 9 veranschaulicht ist. 10 veranschaulicht die verwendeten B₁-Empfindlichkeitsauszeichnungen. Als eine Referenz veranschaulicht 11 die Quermagnetisierungsverteilung einer nichtselektiven Anregung in einem Körperspulensenderempfangsexperiment. In 9 ist ein Rauschverstärkungseffekt infolge der zur Beseitigung des Empfindlichkeitsprofils genutzten Divisionsoperation spürbar, was tendenziell zu einer Erhöhung der Rauheit in größeren Abstand von dem empfindlichen Bereich führt. Um die Überlagerung der Untersuchungen durch übermäßige Rauschverstärkung zu vermeiden, ist die Divisionsoperation in ferneren Bereichen unterdrückt worden.
Die Ergebnisse aller neun Experimente sind in 12 zusammengefasst, die in den Zeilen 1 bis 9 die aufgezeichnete Quermagnetisierung entsprechend jedem der Experimente wiedergibt. Die untere Zeile (Zeile 10) stellt das Ergebnis der Überlagerung der individuellen Aufzeichnungen dar und ist als Vorhersage des Ergebnisses der entsprechenden Parallelerregung gedacht. Wiederum wurde eine wesentliche Reduzierung der Aliasing-Effekte erzeugenden Nebenzipfel infolge inkohärenter Addition beobachtet. Bei dieser Einstellung waren die Beiträge der Elemente beim Aufbau der Hauptkeule und der Unterdrückung der Nebenzipfel leicht zu erkennen. Die Ergebnisse des Mittelelements allein und der mittleren fünf und mittleren neun Elemente legen nahe, dass die Steuerung des lokalen Anregungsprofils hauptsächlich durch Nahspulen erzielt wird. Die Zugrundelegung der Annahme der ausgedehnten Sendergruppe bei den Impulsberechnungen legt größere Restaliasingeffekte (unvollständige Auslöschung) in Richtung auf die Grenze der neuen Elementengruppe nahe. Eine Vergrößerung der Gruppe mit Elementen über die neun hinaus kann diesen Effekt ausgleichen. Auch kann das Design von Pulsen für die Neun-Elementgruppe diesen Effekt beseitigen, wobei in diesem Fall die Wichtung der außenliegenden Spulen die größten Veränderungen erfährt.
Es sind 2D-Parallelanregungspulse für eine einhüllende Spulenanordnung gestaltet und evaluiert worden. Die Simulationen konzentrierten sich auf die Aufgabe der selektiven Anregung eines willkürlich positionierten lokalen Volumens innerhalb eines axialen 40cm-mal-23cm Sichtfelds. Gleichung 7 ist wiederholt auf der Basis des wirksamen B₁-Feldmusters und einer EPI-Trajektorie mit 14 Linien k_x = Konstant bei Δ_kx = 1/6,9 Zyklen/cm gelöst worden. Für die lte-Spule, l = 1, 2, ..., 7 wurde dann das Produkt des gewünschten 2D-Lokalisierungsprofils mit den berechneten h_l(x, y) Fourier transformiert, um die k-Raumwichtung der Spule und die HF-Pulsform der Parallelanregung zu bestimmen. Das Nettoergebnis war im Wesentlichen frei von Nebenzipfeln und repräsentiert eine exzellente Annäherung an die Referenzanregung, die mit einer Körpersendespule und 4-mal längerer HF-Erregung erreicht wurde.
Das Design der letzten Simulationsstudie ergab Parallelerregungsimpulse, die sich in ihrer Form von den Impulsen der letzten Simulationsstudie unterscheiden. Die 13 bis 16 repräsentieren das Ergebnis in einem Format ähnlich zu dem der 4 bis 7. Während die Impulse das gleiche Niveau der Lokalisierungsgenauigkeit und der räumlichen Auflösung wie die Impulse der ersten Simulationsstudie erreichen, führt die Designänderung nach 13 zu einer 38%-igen Verminderung der Durchschnitts-SAR, was den wesentlichen Fortschritt des integrierten SAR-Managementschemas bestätigt.
Mit der vorliegenden Erfindung werden designte HF-Impulse synthetisiert, verstärkt und entsprechenden Sendeelementen parallel zugeführt, um sowohl räumliche als auch zeitliche Variationen des zusammengesetzten B₁-Felds hervorzurufen, das begleitet durch entsprechende synchron ausgeführte Gradientenänderungen, bei Beendigung der Anregung ein gewünschtes Anregungsprofil erzeugt. Dies steht im Gegensatz zu einem herkömmlichen Ansatz, bei dem das Design der Spulengeometrie und die Versatze der Treiberportphasen/Amplituden auf die räumliche Homogenität des B₁-Felds zielen und die HF-Impulse, die während der Anregung ausgesandt werden, darauf beschränkt sind, lediglich eine temporäre B₁-Feldvariation zu erzielen. Der Fachmann erkennt, dass das Einführen von angemessenen räumlich, zeitlichen B₁-Variationen zur Erregung signifikante Verbesserungen der Leistungsfähigkeit der HF-Anregung erbringt. Dies bedeutet, dass die Parallelanregung eine Beschleunigung der Anregung und/oder eine SAR-Steuerung ohne wesentliche Abstriche hinsichtlich der Genauigkeit der Erzeugung des gewünschten Anregungsprofils gestattet.
Der ein Sendeelement erregende HF-Impuls kann mittels der Fouriertransformation einer räumlich gewichteten Version des gewünschten Anregungsprofils berechnet werden, wobei die Reserve zur Beschleunigung der multidimensionalen Anregung mittels einer Reduktion der k-Raum-Samplingdichte in der Unterdrückung von Nebenzipfeln liegt und durch zweckmäßig gestaltete Anregungsimpulse erreicht werden kann (räumlich frequenzmäßige Bereichswichtungen) und es kann ein SAR-Management erreicht werden, indem eine quadratische Funktion über den Erregungsquellen minimiert wird, um einen Weg zur Abstimmung der Quellen zu suchen, um ein gewünschtes Anregungsprofil und/oder eine Beschleunigung beim Induzieren eines E-Felds unter Erreichung minimaler HF-Einstrahlung zu erzielen.
Aus Sicht der Anmeldung ist die schnellere Bildgebung ein Bereich, in dem der vorliegende Parallelerregungsansatz insbesondere anwendbar ist. Unter Umständen, bei denen die interessierende Anatomie bspw. in einem lokalen Bereich enthalten ist, gestattet eine mehrdimensionale Anregung, die den Bereich „schlaglichtartig erhellt“, die Beschleunigung der Bildgebung durch Erleichterung der räumlichen Kodierung einer einzelnen Akquisition. Mehrfache kürzere Parallelerregungen stellen Verbesserungen gegenüber herkömmlichen Erregungen dar und unterstützen die Definition/Steuerung des bildgebenden Volumens, während zugleich die Zeitkostenbarriere durchbrochen wird, die die praktische Anwendung mehrdimensionaler Pulse in der Vergangenheit verhindert hat. Im Vergleich zu der Verwendung des Ansatzes mit Parallelakquisition unterliegt die fokussierte, auf dem Parallelerregungsansatz beruhende Bildgebung nicht der durch den Geometriefaktor beschriebenen SNR-Verschlechterung. Es ist kombinierte Verwendung der beiden Ansätze möglich und kann eine noch größere Reserve zur Scanzeitreduktion erschließen. Während die hier berichteten Experimente auf die 2D-Lokalisierung fokussiert waren, kann die Parallelerregung auf die Erzeugung und Beschleunigung allgemeiner 2D-Anregungsprofile angewendet werden, mit Werkzeugen, die die Korrektur toleranzinduzierter Effekte und eine räumliche Nichtfourierkodierung einschließt. Die vorliegende Erfindung ist außerdem auf 3D-Erregungen anwendbar.
Bei der Hochfeldbildgebung können das beschriebene Sendesystem und die Treibermittel außerdem dazu verwendet werden, sowohl das Anregungsprofil zu managen, als auch die HF Leistungseinstrahlung zu regulieren. Die vorliegende Erfindung erleichtert die Steuerung des Anregungsprofils, indem sie eine integrierte Behandlung von Anregungsimpulsen und Sendespulen verwirklicht. Die Sendung mit einem verteilten parallelen System, die Beschleunigung der Anregung und das SAR-Management liefert ferner eine Lösung zur Leistungseinstrahlung bei hohen Feldstärken.
Die vorliegende Erfindung liefert weiter ein Verfahren er MR-Bildgebung, das die Ermittlung eines gewünschten HF-Anregungsprofils beinhaltet und unabhängig jede Sendespule einer Sendespulengruppe so ansteuert, dass das Ergebnis einer kollektiven von der Sendespulengruppe erzeugten Anregung im Wesentlichen dem gewünschten HF-Anregungsprofil entspricht. Wie mit Verweis auf die 2 und 3 beschrieben, ist jede Sendespule an einen zugeordneten HF-Verstärker angeschlossen, der dazu eingerichtet ist, die HF-Anregung der entsprechenden Sendespule zu steuern. Spezieller liefert der HF-Verstärker oder ein anderes Steuermittel ein Steuersignal, das eine HF-Impulsform (Wellenform, Waveform) repräsentiert, die für eine entsprechende Sendespule spezifisch ist, so dass über das der Bildgebung zu unterwerfende Volumen eine zusammengesetzte HF-Anregung erzeugt wird, die mit dem gewünschten HF-Anregungsprofil übereinstimmt. Das Verfahren beinhaltet weiter, dass für jede Sendespule die HF-Impulsform aus einer räumlich gewichteten Version des gewünschten HF-Anregungsprofils bestimmt wird. Wie vorstehend bemerkt, wird die räumliche Wichtung jeder Sendespule so betrachtet, dass die gegenseitige Kopplung zwischen den Spulen der Sendespulengruppe in Betracht gezogen wird.
Die vorliegende Erfindung ist außerdem auf ein MRI-Gerät gerichtet, das ein MRI-System mit einem Magneten zur Einprägung eines polarisierenden Magnetfelds, einer Anzahl von über dem Kanal des Magneten angeordneten Gradientenspulen zur Erzeugung eines magnetischen Feldgradienten und ein HF-Sender-/Empfängersystem sowie einen HF-Schalter aufweist, der durch ein Impulsmodul gesteuert ist, um HF-Signale an die HF-Spulenanordnung zur Akquisition von MR-Bildern zu liefern. Die MRI-Einrichtung enthält außerdem einen Computer, der dazu eingerichtet ist, eine Anzahl von HF-Impulsen zu gestalten und der so konfiguriert ist, dass er die HF-Erzeugung durch eine Sendespulengruppe so steuert, dass das Ergebnis der kollektiven HF-Erzeugung in einem der Bildgebung unterworfenen Volumen unabhängig von der Sendespulengeometrie im Wesentlichen einem gewünschten HF-Anregungsprofil entspricht. Der Computer ist außerdem dazu programmiert, eine effektive räumliche Wichtung zu bestimmen, die der kollektiven HF-Erzeugung durch jede Sendespule der Sendespulengruppe auferlegt wird, wobei er die HF-Impulse so abgibt, dass die gegeninduktivitätsinduzierten Korrelationen berücksichtigt werden. Die wirksame räumliche Wichtung, die jeder Sendespule auferlegt wird, beinhaltet räumlich frequenzmäßige Wichtungen, die durch HF-Quellen hervorgerufen wird und ist dazu eingerichtet, die HF-Anregung der Sendespulen, die mit der gegenseitigen Kopplung zwischen den Sendespulen, der Sendespulengruppe zusammenhängende Wichtung sowie ein entsprechendes B₁-Feld für jede Sendespule in der Gruppe zu steuern. Der Computer ist außerdem darauf programmiert, die Anzahl der HF-Impulse für jede Sendespulengruppe zu gestalten, bei der die Sendespulen linear, in einhüllender Anordnung oder in jeder anderen Konfiguration angeordnet sein können. Zusätzlich können eine oder mehrere Sendespulen dazu eingerichtet sein, MR-Signale zu empfangen.
Die vorliegende Erfindung kann außerdem auf einem computerlesbaren Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm enthalten sein, und einen Satz von Instruktionen repräsentieren, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden den Computer veranlassen, die HF-Aussendung einer Anzahl von Sendespulen so zu steuern, dass die räumliche und zeitliche Variation eines zusammengesetzten B₁-Felds bei vollständiger HF-Übertragung ein gewünschtes Anregungsprofil induziert. Dieser Satz von Arbeitsanweisungen veranlasst den Computer weiter, die Erzeugung von Gradienten in einem bildgebenden Volumen mit der Erzeugung von räumlichen und zeitlichen Variationen in der HF-Übertragung zu synchronisieren. Der Satz von Arbeitsanweisungen veranlasst den Computer weiter, die Steuersignale der Sendespulen so zu steuern, dass die HF-Anregung durch die Sendespulen parallel erfolgt. Der Computer bestimmt außerdem die räumlichen und zeitlichen Variationen, die an wenigstens einer Feldaufzeichnung des wirksamen B₁-Felds einer Sendespule vorzunehmen sind. Die wirksamen B₁-Feldaufzeichnungen jeder Spule reflektieren die gegenseitige Kopplung der Spulen. Vorzugsweise werden die B₁-Feldaufzeichnungen während der Kalibrierung der Sendespulengruppe erzeugt.
Es ist ein System beschrieben, das mehrere Sendespulen 70, 72 mit entsprechenden HF-Impulssynthesizern und -verstärkern 74 aufweist. Außerdem ist ein Verfahren zur Gestaltung von HF-Impulsen beschrieben, die für jede Sendespule 72 spezifisch oder individuell sind, um räumliche-zeitliche Variationen in einem zusammengesetzten B₁-Feld zu erzeugen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die getreue Erzeugung gewünschter Anregungsprofile und ermöglicht die Verwendung jeder Sendespulengruppengeometrie. Die vorliegende Erfindung unterstützt außerdem die Reduktion der Anregungsimpulslänge. Durch ein effektives B₁-Fieldmapping für jede Sendespule können gegenseitige Kopplungen und Korrelationen zwischen den Spulen in der Gestaltung der HF-Impulse berücksichtigt werden.
Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die bevorzugte Ausführungsform beschrieben und es wird darauf hingewiesen, das äquivalente Alternativen und Modifikationen möglich sind.

Claims

MRI-Vorrichtung mit: einem Magnetresonanzbildungssystem (10) (MRI) mit einem Magneten (52) zur Einprägung eines polarisierenden Magnetfelds, mit einer Anzahl von Gradientenspulen (50), die über dem Kanal des Magneten (52) angeordnet sind, um einen Magnetfeldgradienten zu erzeugen, und mit einem HF-Sender-Empfängersystem (58) sowie einem HF-Schalter (62), der durch ein Pulsmodul (38) gesteuert wird, um HF-Signale an eine HF-Spulenanordnung (56) zur Akquisition von MR-Bildern zu übertragen, und einem Computer (12, 24, 22, 32, 36), der zur unabhängigen Anregung jeder Sendespule (72) einer Sendespulengruppe (70) zur Steuerung der HF-Erzeugung durch die Sendespulengruppe (70) so programmiert ist, dass eine sich ergebende kollektive HF-Erzeugung in einem der Bildgebung unterworfenen Volumen im Wesentlichen einem gewünschten HF-Anregungsprofil entspricht; bei der der Computer (12, 24, 22, 32, 36) weiter programmiert ist, um eine effektive räumliche Wichtung zu bestimmen, die der kollektiven HF-Erzeugung durch jede Sendespule (72) der Sendespulengruppe (70) auferlegt wird, wobei die Anzahl der HF-Impulsformen so gestaltet ist, dass die kopplungsinduzierten Korrelationen zwischen Spulen berücksichtigt werden, und bei der die effektive für jede Sendespule (72) vorgenommene räumliche Wichtung wenigstens Raumfrequenzwichtungen enthält, die durch unabhängig gesteuerte HF-Quellen induziert werden, die mit der Sendespulengruppe (70) verbunden sind, wobei die räumliche Wichtung mit der gegenseitigen Kopplung zwischen den Sendespulen (72) der Sendespulengruppe (70) und einem entsprechenden B₁-Feldmuster zusammenhängt.
MRI-Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Computer (12, 24, 22, 32, 36) außerdem so programmiert ist, dass er eine Anzahl von HF-Impulsformen erzeugt, die so beschaffen sind, dass die k-Raum-Traversierung in einer kürzeren Zeitspanne ausgeführt wird, indem die Anregungs-k-Raum-Samplingdichte reduziert wird.
MRI-Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Computer (12, 24, 22, 32, 36) außerdem so programmiert ist, dass er die HF-Erzeugung so steuert, dass das Ergebnis der kollektiven HF-Erzeugung unabhängig von der Geometrie der Sendespulengruppe (70) im Wesentlichen dem gewünschten Anregungsprofil entspricht.
MRI-Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Computer (12, 24, 22, 32, 36) weiter so programmiert ist, dass er während der Kalibrierung des MRI-Systems (10) für jede Sendespule ein effektives B₁-Feld bestimmt.
MRI-Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Sendespulengruppe (70) linear angeordnet ist und außerdem zum Empfang von MR-Signalen eingerichtet ist.
MRI-Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Sendespulengruppe (70) außerdem so konfiguriert ist, dass sie ein HF-Feld auf Basis der parallelen Aussendung von Anregungsimpulsen erzeugt.
MRI-Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Kurven- oder Wellenformen weiter so konfiguriert sind, dass Aliasing-Effekte erzeugende Nebenzipfel (side lobes) bei der kollektiven HF-Erzeugung in den der Bildgebung unterworfenen Volumen reduziert werden.
MRI-Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Computer (12, 24, 22, 32, 36) weiter so programmiert ist, dass er die HF-Impulsformen gestaltet, die an die Sendespulengruppe (70) anzulegen sind.