DE102004060513B4

DE102004060513B4 - MR-Bildgebungsverfahren

Info

Publication number: DE102004060513B4
Application number: DE200410060513
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. 48147 Dierkes; Joachim Dr. 52428 Kaffanke; Sandro Dr. 52525 Romanzetti; Nadim Prof.Dr. 52428 Joni Shah; Bruce J. Prof. Balcom; Meghan Halse
Original assignee: University of New Brunswick; Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: New Brunswick New Brunswick Ca, University of; Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2024-12-17
Also published as: DE102004060513A1

Abstract

MR-Bildgebungsverfahren, bei dem ein magnetisches Gradientenfeld angelegt, ein HF-Puls appliziert und eine zeitliche Serie von k-Raum-Daten aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass k-Raum-Datensätze von niedriger Ortsauflösung durch Teile von k-Raum-Datensätzen höherer Ortsauflösung ergänzt werden und das so entstandene Gesamtbild im k-Raum durch eine inverse Fourier-Transformation in ein Ortsbild transformiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bildgebungsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus dem Artikel von P. Aksit et al., ”Multiple Field of View MR Fluoroscopy”, Magn. Res. Med. 47 (2002), S. 53–60 ist ein Bildgebungsverfahren bekannt, bei dem ein magnetisches Gradientenfeld angelegt und ein HF-Puls appliziert wird. Ferner wird eine zeitliche Serie von k-Raum-Daten aufgenommen, wobei k-Raum-Datensätze von niedriger Ortsauflösung durch k-Raum-Daten höherer Ortsauflösung ergänzt werden.
Aus dem Artikel von M. Halse et al., ”Centric scan SPRITE magnetic resonance imaging: optimization of SNR, resolution, and relaxation time mapping”, J. Magn. Reson. 169 (2004), S. 102–117 ist ein Verfahren zur magnetischen Bildgebung bekannt, bei dem eine chirp-Z-Transformation zur Anpassung des Sichtfelds und gleichzeitig zur Erzeugung von Bildern im Ortsraum dient.
Aus der Arbeit von James Rioux, ”Non-Uniform Fast Fourier Transformation of SPRITE MRI Data Thesis, New Brunswick/Kanada, 2003 ist ein Einsatz einer Fast-Fourier-Transformation zur Bearbeitung von Magnetresonanz-Bilddaten bekannt.
Aus der US-Patentschrift US 5,713,358 A ist gleichfalls ein Verfahren zur k-Raum-Darstellung von dreidimensionalen Magnetresonanzbildern bekannt.
Eine spektrale Kodierung von Pulssequenzen magnetischer Resonanzbildgebung ist aus der US 5,570,019 A bekannt
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 199 01 171 A1 offenbart ein Bildgebungsverfahren, bei dem ein magnetisches Gradientenfeld angelegt, ein HF-Puls appliziert und eine zeitliche Serie von k-Raum-Daten aufgenommen wird, wobei mindestens zwei unterschiedliche Abfolgen von HF-Impulsen und Magnetfeldgradientenpulsen verwendet werden, die sich in mindestens einem der für verschiedene Aspekte der Bildqualität verantwortlichen Merkmale der Signalerzeugung unterscheiden.
Die Druckschrift von C. M. Tsai und D. G. Nishimura, ”Reduced aliasing artifacts using variable-density k-space sampling trajectories”, Magn Reson Med. 43 (2000), S. 452–458 offenbart ein Verfahren, bei dem in einer Dimension Datensätze unterschiedlicher Ortsauflösung kombiniert werden.
Die US-Patentschrift US 5,438,263 A offenbart ebenfalls ein Verfahren, bei dem in einer Dimension Datensätze unterschiedlicher Ortsauflösung kombiniert werden.
Nach dem Stand der Technik sind reine Phasenkodiersequenzen bekannt, die in der Fachwelt als single point imaging (SPI) bezeichnet werden. Diese sind beispielsweise in der Veröffentlichung von S. Emid und J. H. N. Creyghton ”High Resolution NMR Imaging in Solids”, Physica B 128 (1985), S. 81–83, offenbart.
Bei diesem Verfahren werden Gradientenfelder zur Phasenkodierung in drei Raumrichtungen gesetzt. Nach Anregung der Spins durch einen Hochfrequenzpuls wird nach einer festen Zeit t_p zur Phasenkodierung durch die Gradientenfelder ein einzelner Datenpunkt aufgenommen. Dies wird mit veränderten Gradientenfeldern in der Weise wiederholt, dass eine kartesische Abtastung des Ortsfrequenzraumes (sog. k-Raum) erfolgt. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die auf diesem Wege akquirierten Daten bzw. Bilder nicht mit dem T₂*-Zerfall gefaltet sind, so wie dies bei frequenzkodierten Verfahren wie FLASH (A. Haase et al., ”FLASH Imaging. Rapid NMR Imaging Using Low Flip-Angle Pulses”, JMR 67 (1986), S. 258–266) oder EPI (P. Mansfield, ”Multiplanar image formation using NMR sein echoes”, J. Phys. C: Solid State Phys. 10, (1977, L55–L58) der Fall ist.
SPI-Verfahren sind für Materialien mit schneller Relaxation der Magnetisierung (T₂*-Zerfall), wie zum Beispiel ²³Na oder ¹⁷O, geeignet. SPI-Sequenzen sind jedoch ineffizient, da zur Aufnahme jedes k-Raum Punktes die Gradientenfelder ein- und wieder ausgeschaltet werden. Eine Folge davon ist, dass verstärkte Vibrationen im Gradientensystem entstehen.
Ein von B. Balcom et al. offenbartes Verfahren löst dieses Problem durch stufenweise Gardientenänderung, wie in den Veröffentlichungen B. J. Balcom, „Single-Point Ramped Imaging with T₁ Enhancement (SPRITE), J. M. R. Series A 123 (1996), S. 131–134 und Steven D. Beyea, „Relaxation Time Mapping of short T₂* Nuclei with Single-Point Imaging (SPI) Methods”, J. M. R. 135 (1998), S. 156–164 offenbart wird. Mit diesem Verfahren werden die Gradientenvibrationen stark reduziert, aber das Verfahren ist immer noch ineffizient verglichen mit frequenzkodierten Sequenzen, weil immer nur ein einziger Datenpunkt pro Phasenkodierschritt akquiriert wird.
Um das Signal-Rausch-Verhältnis der Einpunkt-Bildgebungsverfahren zu verbessern, wird von O. Heid in der Veröffentlichung „Sensitivity Enhanced Single Point Imaging”, ISMRM 1998, S. 2186 ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem nach Anregung eine Serie von Punkten aufgenommen wird und die rekonstruierte Serie von Bildern zur Signalmittelung verwendet wird. Allerdings gehören die verschiedenen akquirierten Punkte zur verschiedenen k-Raum Koordinaten, weil der Phasenkodiergradient während des Sammelns der Daten aktiv ist. Das hat zur Folge, dass das Sichtfeld und die räumliche Auflösung der rekonstruierten Bilder verschieden sind. Um die Mittelwertbildung der Bilder korrekt auszuführen, ist ein Sichtfeldanpassungsverfahren nötig. Dies ist beispielsweise mit der chirp z-Transformation möglich, die von L. R. Rabiner et al. in der Veröffentlichung „The Chirp-z-Transform Algorithm and its Application” in „The Bell System Technical Journal” 48 (1969), S. 1249–1292 vorgeschlagen wurde.
Die Akquisition von mehreren Punkten zur Signal-zu-Rausch-Verbesserung oder T₂ ^*-Kartographie ist mit folgenden Problemen verbunden:

1. Die rekonstruierten Bilder von k-Räumen verschiedener Größe haben unterschiedliche Auflösung.
2. Die Erstellung einer T₂ ^*-Karte ist daher nicht leicht durchführbar.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem Bilder hoher Auflösung auch dann erzeugt werden können, wenn die Bilder aus den k-Räumen verschiedene Größen haben und unterschiedliche Auflösung besitzen. Die Bildauflösung soll verbessert werden, ohne dass zusätzliche Daten akquiriert werden müssen. Das Verfahren soll gegenüber der wiederholten Ausführung eines SPI-Experiments zeitsparend sein.
Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass k-Raum Datensätzen von niedriger Ortsauflösung durch Teile von k-Raum Datensätze höherer Ortsauflösung ergänzt werden und das so entstandene Gesamtbild im k-Raum durch eine inverse Fourier-Transformation in ein Ortsbild transformiert wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nunmehr möglich, Bilder verbesserter Auflösung zu erzeugen, wenn die Bilder aus den k-Räumen verschiedene Größen haben und demnach unterschiedliche Auflösung besitzen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im Folgenden soll die Erfindung beschrieben werden.
Die Figuren zeigen Bilddaten bei verschiedenen Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Es zeigt:
1: k-Raum Daten, die nach einem HF-Puls ausgelesen worden sind,
2: Daten nach einer chirp z-Transformation,
3: k-Raum Daten, welche durch Fourier-Transformation der Daten aus 2 erhalten wurden,
4: relevante Datenbereiche aus 3,
5: Randbereiche der einzelnen k-Raum Bilddaten,
6: aus den Randbereichen der 5 zusammengesetztes Bild im k-Raum,
7: ein Ortsbild, das aus den Daten aus 6 generiert wurde.
Nach der erfindungsgemäßen Verfahrensweise werden folgende Schritte durchführt:
Zunächst wird ein magnetisches Gradientenfeld angelegt, welches den zu erfassenden Ortsraum frequenzkodiert.
Die Spins werden durch einen Hochfrequenz-Puls (HF-Puls) angeregt.
Zu mindestens einem, vorzugsweise jedem gemessenen Zeitpunkt t₁ ... t_n wird dabei ein k-Raum Datensatz k_t1 ... k_tn erzeugt, der die k-Raum Koordinaten umfasst. Die daraus resultierenden k-Raum Daten sind in 1 dargestellt. In 1 sind beispielsweise 16 k-Raum Datensätze abgebildet, welche zu verschiedenen Zeitpunkten t₁ bis t₁₆ nach einem HF-Puls akquiriert wurden. Ein k-Raum Datensatz nimmt hier 1/16 der Figurfläche ein und umfasst jeweils ein Quadrat.
Diese Schritte werden unter Anlegen von verschiedenen Gradientenfeldern so oft wiederholt, bis genügend Daten aus dem k-Raum erfasst wurden.
Die auf diesem Weg erfassten k-Raum Daten werden so transformiert, dass sie gleich große bzw. im wesentlichen gleich große Sichtfelder umfassen. Das Sichtfeld ist in der Fachwelt auch unter der Bezeichnung FOV (field of view) bekannt und wird in Längenmaßen gemessen. Hierzu werden die Daten vorzugsweise einer chirp z-Transformation unterzogen. Die daraus resultierenden Bilddaten sind in 2 dargestellt.
Die chirp z-Transformation ist beispielhaft für Verfahren, die als Rezooming-Verfahren bezeichnet werden können und bei denen das Sichtfeld ausgedehnt wird. An Stelle der chirp z-Transformation kann aber auch jedes andere Rezooming-Verfahren treten, das den gleichen Effekt bewirkt. Beispielhaft können Spline- und Polynominterpolation als lineare Interpolationsmethoden nach erfolgter Fourier Transformation genannt werden.
Bei diesem Verfahrensschritt wird aus jedem Datensatz, der zu einem Messzeitpunkt aufgenommen wurde, ein Ortsbild mit gleichem Sichtfeld generiert.
Im nächsten Verfahrenschritt werden die durch das vorgeschaltete Sichtfeldanpassungsverfahren erhaltenen Ortsbilder mittels einer Fourier-Transformation in den k-Raum zurücktransformiert. Aus jedem Bild aus 2 werden dabei k-Raum Daten für jeden Messzeitpunkt t₁ ... t_n generiert, welche dem gleichen Sichtfeld zugeordnet sind.
Die für das zu rekonstruierende Ortsbild relevanten Daten befinden sich in diesem Datensatz in unterschiedlich großen Ausschnitten und entsprechen somit einer unterschiedlichen Auflösung. Die so generierten Datensätze sind in 3 dargestellt.
Im nächsten Schritt werden die in den verschiedenen Bildern der 3 relevanten Daten ausgeschnitten. Durch die Größe der Gradientenfelder zum einen und die Phasenkodierzeit zwischen HF-Anregung und Messzeitpunkt zum anderen ist die Größe des erfassten k-Raumes gegeben. Damit lässt sich die Ausdehnung des k-Raumes für jeden erfassten k-Raum über den Messzeitpunkt bestimmen. Die Ausdehnung der relevanten Daten ist bezogen auf den letzten k-Raum und für jeden Zeitpunkt t_l mit l = 1 ... n durch die Funktion R_l = t_l/t_n zu berechnen. Der Skalierungsfaktor R₁ kann eine beliebige Funktion von l sein, die unabhängig vom Datenaufnahmezeitpunkt t_l ist. Die einzelnen Kästchen der 4 zeigen für jeden Datensatz, der für einen Messzeitpunkt generiert wurde, demjenigen Ausschnitt, der für die Bildgebung relevant ist. Die Flächenabschnitte nahmen je nach dem Messzeitpunkt zu dem sie aufgenommen wurden, verschiedene Flächen im k-Raum an. Würde man die Flächen dieser Teilabbildungen übereinander legen, so ergäben sie konzentrische Quadrate bzw. Vierecke mit wachsendem Umfang, von denen das jeweils nächstgrößere einen das vorhergehende überragenden Bildanteil aufweist.
Im nächsten Verfahrenschritt werden die das vorhergehende Bild überragenden Datenausschnitte entsprechend ihren Randbereichen herausgeschnitten. Daraus resultieren Rahmen, die in 5 zu sehen sind. Sie entsprechen den Datenbereichen, die den Datensatz des vorhergehenden Bildes überragen und die einer jeweils höheren Ortsauflösung des entsprechenden Ortsbildes entsprechen.
Die aus den Randbereichen der jeweiligen k-Raum Bilder resultierenden Daten werden nun zu einem Gesamtbild im k-Raum zusammengefügt, z. B. addiert, das in 6 dargestellt ist.
Die für die Darstellung des Bildes in 6 ausgehend von den Daten der 4 notwendigen Rechenschritte können wie folgt dargestellt werden.
Eine Serie von Rahmen F_m (5), von denen jeder den zunehmenden Informationsgehalt zwischen aufeinanderfolgenden Fenstern W_m (4) repräsentiert, kann in folgender Weise definiert werden:
, wobei n die Anzahl der Datenpunkte bzw. k-Räume ist.
Die so definierten Rahmen werden mit dem ursprünglichen Fenster kombiniert: k ' / 1 = W₁ ⋃ F₂ ⋃ F₃ ⋃ ... F_n.
Damit ist ein k-Raum mit verbesserter Auflösung gewonnen (6). Dasselbe Verfahren wird mit den folgenden Fenstern wiederholt, so daß ein Serie erweiterter k-Räume entsteht: k ' / 2 = W₂ ⋃ F₃ ⋃ F₄ ⋃ ... F_n ... k ' / n-1 = W_n-1 ⋃ F_n k ' / n 0 k_n, wobei der letzte k-Raum k_n' identisch ist mit k_n.
Dabei brauchen die Mengen F_m und W_m nicht notwendigerweise paarweise disjunkt sein, da auch eine überlappende Definition von Fenstern und Rahmen möglich ist.
Nachdem das k-Raum Bild gemäß 6 dargestellt wurde, können die Daten durch inverse Fourier-Transformation in ein Ortsbild transformiert werden, welches in 7 dargestellt ist.
Bei den für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzten Fourier-Transformationen kann es sich grundsätzlich um alle möglichen Varianten dieses mathematischen Verfahrens handeln, jedoch werden bevorzugt Fast-Fourier-Methoden angewendet, da diese zu besonders kurzen Rechenzeiten führen.
Mit dem erfindungsgemäßen Bildgebungsverfahren können insbesondere im medizinischen Bereich Bilder von Körperteilen erzeugt werden, da dort kurze Messzeiten gewünscht sind. Insbesondere können Bilddaten vom Gehirn nach kernmagnetischen Resonanzmethoden aufgenommen werden.

Claims

MR-Bildgebungsverfahren, bei dem ein magnetisches Gradientenfeld angelegt, ein HF-Puls appliziert und eine zeitliche Serie von k-Raum-Daten aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass k-Raum-Datensätze von niedriger Ortsauflösung durch Teile von k-Raum-Datensätzen höherer Ortsauflösung ergänzt werden und das so entstandene Gesamtbild im k-Raum durch eine inverse Fourier-Transformation in ein Ortsbild transformiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Datensätze für einen Messzeitpunkt ermittelt werden, b) die Ausdehnung der relevanten Datensätze für jeden Messzeitpunkt t₁ mit l = 1 ... n durch die Funktion R_l = t_l/t_n berechnet werden, c) die über den Datenbereich des vorhergehenden Bildes hinausgehenden Datenbereiche als Informationen über eine höhere Ortsauflösung herangezogen werden, d) die im Schritt c) ermittelten Daten mit den Daten entsprechend der niedrigeren Ortsauflösung zu einem Gesamtdatensatz addiert werden, und diese mittels Fourier-Transformation in den Ortsraum zurücktransformiert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gemäß Schritt c) bestimmten Datensätze nach der Formel
ermittelt werden, wobei W_m und W_m-1 echte Teilmengen voneinander sind.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nach Schritt c) bestimmten Datensätze mit dem einer niedrigeren Ortsauflösung entsprechenden Datensatz nach der Formel k ' / 1 = W₁ ⋃ F₂ ⋃ F₃ ⋃ ... F_n addiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mengen F_m und W_m nicht paarweise disjunkt sind bzw. eine überlappende Definition von Fenstern und Rahmen möglich ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Sichtfeldanpassungsverfahren eine chirp-z-Transformation eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgter Fourier-Transformation ein lineares Interpolationsverfahren eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Interpolationsverfahren ein Spline- oder Polynom-Interpolationsverfahren herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Sichtfeldanpassungsverfahren hergestellten Ortsbilder durch Fourier-Transformation aus k-Raum-Datensätzen gewonnen wurden und durch Fourier-Transformation wieder in k-Raum Datensätze überführt werden.