DE102007015040B3 - Verfahren zur Beschleunigung der Datenaufnahme bei dynamischen Messungen der Magnetresonanz (MRT) mittels paralleler Bildgebung - Google Patents

Verfahren zur Beschleunigung der Datenaufnahme bei dynamischen Messungen der Magnetresonanz (MRT) mittels paralleler Bildgebung Download PDF

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Abstract

Ein Verfahren zur zeitaufgelösten bildgebenden N-dimensionalen Magnetresonanz (= MR) mit folgenden Vinem Probenvolumen durch parallele Bildgebung, wobei von jeder Empfangsspule N-dimensionale Datenmatrizen (M1, M2, ... MNt) im k-Raum unterabgetastet aufgenommen werden, wobei die Aufnahme der MR-Signale nach einem zeitlich periodischen Aufnahmeschema erfolgt, welches die zeitliche Abfolge der unterabgetasteten Datenmatrizen (M1, M2, ... MNt) beschreibt, und Rekonstruktion von fehlenden Datenpunkten (FP) des Aufnahmeschemas mittels eines Satzes (CW, <CW>) von Spulengewichtungsfaktoren und mittels N+1-dimensionaler Rekonstruktionskernel (RK, RK', RK"), ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rekonstruktion der fehlenden Datenpunkte (FP) mittels einer einzigen Rekonstruktionskernel-Geometrie erfolgt, wobei jeder Rekonstruktionskernel einen (N+1)-dimensionalen Target-Bereich (TB) umfasst, wobei mittels jedes Rekonstruktionskernels (RK, RK', RK") sämtliche nicht aufgenommene Datenpunkte (TP) innerhalb des zugehörigen Target-Bereichs (TB) rekonstruiert werden, und wobei der Target-Bereich (TB) mindestens die Ausdehnung (nR x mR) in der ky-t-Ebene des Aufnahmeschemas aufweist. Hierdurch kann die Rechenzeit für die Rekonstruktion verkürzt, Rekonstruktionsartefakte verringert und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis optimiert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zeitaufgelösten bildgebenden N-dimensionalen Magnetresonanz (=MR) mit folgenden Verfahrensschritten: Aufnahme von MR-Signalen aus einem Probenvolumen durch parallele Bildgebung mittels mehrerer Empfangsspulen, wobei von jeder Empfangsspule eine Anzahl von Nt N-dimensionalen Datenmatrizen im k-Raum mit einem Reduktionsfaktor R, unterabgetastet aufgenommen werden, wobei ky die Phasenkodierrichtung ist, und wobei die Aufnahme der MR-Signale nach einem zeitlich periodischen Aufnahmeschema erfolgt, welches die zeitliche Abfolge der unterabgetasteten Datenmatrizen beschreibt, und Rekonstruktion von fehlenden Datenpunkten des Aufnahmeschemas mittels eines Satzes von Spulengewichtungsfaktoren und mittels N+1-dimensionaler Rekonstruktionskernel, die festlegen, aus welchen aufgenommenen Datenpunkten die Rekonstruktion erfolgt.
  • Ein solches Verfahren ist aus [7] bekannt.
  • Parallele Bildgebung
  • Die parallele Bildgebung in der MRT wurde erstmals 1997 vorgestellt [1] und basiert auf der Verwendung von Spulenarrays (mehrere Spulenelemente zur gleichzeitigen Datenakquisition), deren räumliche Variation der Sensitivität als zusätzliche räumliche Kodierung des MR-Signals benutzt wird. Die parallele Bildgebung erlaubt eine Reduzierung der Aufnahmezeit bei gleichzeitiger Beibehaltung der räumlichen und zeitlichen Auflösung der Daten. Die Reduzierung der Datenaufnahme bedeutet eine Unterabtastung einer Datenmatrix, wobei die Datenmatrix alle Punkte im k-Raum des abzubildenden Untersuchungsvolumens zu einem bestimmten Messzeitpunkt (Datenpunkte) umfasst, d. h. bei der parallelen Bildgebung werden nicht alle Datenpunkte gemessen. Dies resultiert in einer räumlichen Einfaltung der Bilder. Die Berechnung der fehlenden Daten kann entweder als Entfaltungsprozess im Bildraum (SENSE) vorgenommen werden [3] oder direkt in der Datenmatrix (k-Raum) mittels Berechnung der fehlenden k-Raum-Zeilen (GRAPPA) innerhalb der Datenmatrix [2]. Der maximale Reduktionsfaktor R der Unterabtastung der Datenmatrix ist dabei gegeben durch die Anzahl der Spulenelemente zur Datenakquisition.
  • Ein Problem bei der Implementierung stellt dabei die Tatsache dar, dass die Verwendung der parallelen Bildgebung bei höher werdenden Reduktionsfaktoren zum einen zu einer deutlichen Zunahme von Rekonstruktionsartefakten in den Bildern führt und zum anderen mit einem drastischen Abfall des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses (SNR) in den rekonstruierten Bildern einhergeht. So liegt der maximale Reduktionsfaktor mit beispielsweise 8 Spulenelementen bei ca. 3 um, in Bezug auf Bildartefakte und SNR, in klinischen Anwendungen noch diagnostisch verwertbare Bilder zu erhalten.
  • GRAPPA (GeneRalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisition)
  • Im Rekonstruktionsprozess der k-Raum-bezogenen GRAPPA-Technik sind die Berechnung der fehlenden k-Raum-Zeilen für die Bildrekonstruktion und die Kom bination der damit rekonstruierten Spulenbilder entkoppelt. Aus diesem Grund lässt sich die Rekonstruktion der fehlenden Daten separat optimieren und erlaubt damit eine robuste und optimierte parallele Bildrekonstruktion.
  • Für die Berechnung der fehlenden Datenpunkte der unterabgetasteten Datenmatrix müssen zuerst die räumlichen Sensitivitäten der einzelnen Spulenelemente bestimmt werden, welche durch die so genannten Spulengewichtungsfaktoren beschrieben werden. Dafür wird ein so genannter Kernel definiert, welcher eine bestimmte Ausdehnung in räumlicher Richtung aufweist und sowohl aufgenommene Datenpunkte (Source-Punkte) als auch nicht aufgenommene Datenpunkte (Target-Punkte) umfasst. Zur Bestimmung der Spulengewichtungsfaktoren und zur Rekonstruktion der Target-Punkte innerhalb des Kernels wird eine bestimmte Anzahl von Source-Punkten des Kernels verwendet.
  • Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften und Vorteile der GRAPPA-Technik ist neben der Fachzeitschrift-Publikation [2] auch in der entsprechenden Patentanmeldung [11] gegeben. Ein schnellerer Rekonstruktionsalgorithmus der ansonsten unveränderten GRAPPA-Technik wurde in der Patentanmeldung [12] vorgestellt.
  • Parallele Bildgebung mit zeitlicher und räumlicher Information
  • Unter Einschluss von benachbarten zeitlichen oder räumlichen Informationen lässt sich die Qualität der parallelen Bildgebungsrekonstruktion erhöhen und erlaubt somit die Verwendung höherer Reduktionsfaktoren im Vergleich zur konventionellen parallelen Bildgebung [4–7]. Bei der TSENSE-[4] (SENSitivity Encoding for fast NMR incorporating temporal filtering) sowie der TGRAPPA-Technik [5] werden Daten von benachbarten Messzeitpunkten zu einem Referenzdatensatz zusammengeführt, um daraus die Spulengewichtungsfaktoren für den Rekonstruktionsprozess zu bestimmen. Bei kt-SENSE und kt-BLAST [6] (Broad-use Linear Acquisition Speed-up Technique) sowie auch kt-GRAPPA [7] trägt die zeitliche Information direkt zum Rekonstruktionsprozess bei. Ein Nachteil der kt-SENSE/kt- BLAST-Technik ist die Restriktion auf quasi-periodische Bewegung wie beispielsweise bei der Herzbildgebung. Ein weiterer Nachteil der kt-GRAPPA-Technik ist die Verwendung mehrerer Kernel mit unterschiedlichen Geometrien (multiple Kernels) für die Bestimmung der Spulengewichtungsfaktoren sowie der Rekonstruktion, welche zu systematischen Fehlern und damit zu Bildartefakten führen können und zudem lange Rechenzeiten bedeuten.
  • Bei Multischicht-Bildgebung und 3D-Bildgebung wurden Verfahren vorgestellt, bei welchen zur Rekonstruktion fehlender Datenzeilen Information von räumlich benachbarten Schichten verwendet wurde [8–10]. Das Aufnahmeschema, welches die zeitliche Abfolge der Datenmatrizen beschreibt, unterscheidet sich von dem bei kt-GRAPPA verwendeten, dadurch, dass die zeitliche Dimension durch eine weitere dritte räumliche Richtung ersetzt wird Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit Hilfe dessen die Rechenzeiten verkürzt und die Rekonstruktionsartefakte verringert werden. Gleichzeitig soll das Signal-zu-Rausch-Verhältnis optimiert werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Rekonstruktion der fehlenden Datenpunkte des Aufnahmeschemas mittels einer einzigen Kernelgeometrie erfolgt, wobei jeder Rekonstruktionskernel einen N+1-dimensionalen Target-Bereich umfasst, wobei mittels jedes Rekonstruktionskernels sämtliche nicht aufgenommene Datenpunkte innerhalb des zugehörigen Target-Bereichs rekonstruiert werden, und wobei der Target-Bereich mindestens die Ausdehnung (nR × mR) in der ky-t-Ebene des Aufnahmeschemas aufweist, mit n, m = 1,2, ...
  • Im Gegensatz zu dem bekannten kt-GRAPPA-Verfahren sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, bei der parallelen dynamischen, d. h. zeitaufgelösten, N dimensionalen Bildgebung mit Reduktionsfaktor R, N+1-dimensionale Rekonstruktionskernel mit einheitlicher Geometrie für die Rekonstruktion aller fehlenden Datenpunkte in der N + 1 dimensionalen Datenmatrix zu verwenden. Der Rekonstruktionskernel schließt hierbei alle räumlichen Dimensionen sowie die zeitliche Domäne ein.
  • Der erfindungsgemäße Rekonstruktionskernel umfasst einen N+1-dimensionalen. Target-Bereich, dessen Ausdehnung in der ky-t-Ebene durch den Reduktionsfaktor der Messung bestimmt ist. Der Target-Bereich ist eine Teilmenge des k-t-Raums und umfasst sowohl im Rahmen der Unterabtastung aufgenommene Datenpunkte als auch im Rahmen der Unterabtastung nicht aufgenommene Daten punkte, wobei erfindungsgemäß sämtliche aufgenommenen Punkte des Target-Bereichs Source-Punkte darstellen, d. h. zur Rekonstruktion der fehlenden Datenpunkte verwendet werden und sämtliche nicht aufgenommene Datenpunkte des Target-Bereichs Target-Punkte darstellen, d. h. mittels der Source-Punkte eines bestimmten Rekonstruktionskernels rekonstruiert werden.
  • Zur Rekonstruktion von Datenpunkten verschiedener Target-Bereiche werden verschiedene Rekonstruktionskernel verwendet, die jedoch alle die gleiche Geometrie aufweise, d. h. sämtliche Rekonstruktionskernel innerhalb eines Aufnahmeschemas weisen die gleiche Ausdehnung innerhalb des k-t-Raums sowie die gleiche Anordnung von Source-Punkten und Target-Punkten relativ zueinander auf. Hierdurch kann die für die Rekonstruktion benötigte Rechenzeit verringert und Artefakte minimiert werden.
  • Vorzugsweise wird nach Rekonstruktion der Datenpunkte innerhalb eines Target-Bereichs der Rekonstruktionskernel, sowie der Target-Bereich mit einem Inkrement von einem ganzzahligen Vielfachen von R in ky- und/oder in t-Richtung innerhalb des Aufnahmeschemas verschoben. Auf diese Weise können sukzessive Target-Punkte benachbarter Target-Bereiche rekonstruiert werden.
  • Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Ausdehnung des Rekonstruktionskernels gleich der des Target-Bereichs. Dies stellt die Minimalkonfiguration des erfindungsgemäßen Rekonstruktionskernels dar, d. h. er beinhaltet die minimale Anzahl an Source-Punkten, die notwendig sind, um sämtliche Target-Punkte dieses Target-Bereichs zu rekonstruieren.
  • Nichtsdestotrotz kann es jedoch auch vorteilhaft sein, wenn der Rekonstruktionskernel aufgenommene Datenpunkte außerhalb des Target-Bereichs umfasst. In diesem Fall tragen weitere, innerhalb des Aufnahmeschemas aufgenommene Datenpunkte, welche nicht zur Target-Begrenzung gehören, zur Rekonstruktion bei. Die Ausdehnung des Rekonstruktionskernels ist dann größer als die des Target-Bereichs. Prinzipiell kann die Ausdehnung des Rekonstruktionskernels beliebig sein. Entscheidend ist, dass zur Rekonstruktion der verschiedenen Datenpunk te eines Aufnahmeschemas nur Rekonstruktionskernel mit derselben Geometrie verwendet werden.
  • Vorzugsweise wird der Satz von Spulengewichtungsfaktoren berechnet, indem in einem Kalibrationsbereich des Aufnahmeschemas um ky = 0 alle Datenpunkte dieses Kalibrationsbereichs aufgenommen werden, aus diesem Kalibrationsbereich ein Kernel ausgewählt wird und zu diesem Kernel die Pseudoinverse berechnet wird, wobei der Kernel dieselbe Geometrie aufweist wie der Rekonstruktionskernel. Es werden also sowohl für die Bestimmung der Spulengewichtungsfaktoren als auch für Rekonstruktion aller fehlenden Zeilen in der N + 1 dimensionalen Datenmatrix Rekonstruktionskernel mit einheitlicher Geometrie verwendet. Bei einem 4-dimensionalen Aufnahmeschema, also mit 3 räumlichen Dimensionen (N = 3), ist der Kalibrationsbereich um ky = 0 und kz = 0 angeordnet.
  • Bei einer besonders bevorzugten Variante werden M Sätze von Spulengewichtungsfaktoren berechnet, wobei die Kernel, aus denen die M Sätze von Spulengewichtungsfaktoren berechnet werden, innerhalb des Kalibrationsbereichs in t-Richtung gegeneinander verschoben sind. Aus diesen M Sätzen von Spulengewichtungsfaktoren wird dann ein gemittelter Satz von Spulengewichtungsfaktoren ermittelt. Prinzipiell können beliebig viele Sätze von Spulengewichtungsfaktoren berechnet werden, maximal jedoch Nt – bt + 1, wobei Nt die Anzahl der aufgenommenen Datenmatrizen und bt die Ausdehnung des Kernels in t-Richtung ist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die Datenpunkte des Aufnahmeschemas vorzugsweise MR-Daten für 3D-CINE- und/oder Phasenkontrast- und/oder Perfusions- und/oder Diffusionstensor-Bildgebung und/oder Real-time-Aufnahmen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Rekonstruktion von dynamischen N-dimensionalen Magnet-Resonanz-Tomographie-(MRT) Bildserien bei verschachtelter Unterabtastung des Aufnahmeschemas (k-t-Raum) unter gleichzeitigem Einschluss zeitlicher Informationen. Gegenüber dem Stand der Technik gelingt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Minimierung von Rekonstruktionsartefakten in bspw. MRT-Bildern durch die Verwendung von N + 1 dimensionalen Rekonstruktionskernels mit einer einheitlichen Geometrie für das gesamte Aufnahmeschema bei gleichzeitiger Optimierung des Signal/Rausch-Verhältnisses und der Rekonstruktionszeit.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
  • Es zeigen:
  • 1A ein Aufnahmeschema einer zeitlich periodischen Aufnahme gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren (PEAK-GRAPPA);
  • 1B verschiedenen Rekonstruktionskernel-Konfigurationen des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 2 den Kalibrationsbereich des Aufnahmeschemas aus 1;
  • 3 die Abhängigkeit des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses vom Reduktionsfaktor in einer Region des statischen Phantoms für konventionelles GRAPPA, PEAK-GRAPPA ohne Mittelung der Spulengewichtungsfaktoren über die Zeit und mit Mittelung der Spulengewichtungsfaktoren;
  • 4 mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgenommene Bilder eines Phantoms mit voll aufgenommener Datenmatrix, mit Reduktionsfaktor 6 und mit Reduktionsfaktor 12;
  • 5 In-vivo-Herzbilder rekonstruiert mit der vollen Datenmatrix (links), mit PEAK-GRAPPA (Mitte) und konventionellem GRAPPA (rechts) jeweils mit einem Reduktionsfaktor 6;
  • 6 eine Datenmatrix mit einem Rekonstruktionskernel eines konventionellen GRAPPA-Verfahren (Stand der Technik);
  • 7 ein Aufnahmeschema einer zeitlich periodischen Aufnahme mit einem Rekonstruktionskernel eines konventionellen. kt-GRAPPA-Verfahrens (Stand der Technik);
  • 8A ein mittels paralleler Bildgebung aufgenommenes Bild eines Phantoms mit voll aufgenommener Datenmatrix (Stand der Technik); und
  • 8B ein mittels paralleler Bildgebung aufgenommenes Bild eines Phantoms mit unterabgetasteter Datenmatrix (Stand der Technik).
  • 6 zeigt die Funktionsweise einer Rekonstruktion von Datenpunkten bei paralleler Bildgebung mittels des bekannten GRAPPA-Verfahrens. Durch jede Spule eines Spulenarrays wird eine Datenmatrix M (hier: 2-dimensional) erzeugt. Die Datenmatrix M ist unterabgestastet (im gezeigten Beispiel mit einem Reduktionsfaktor R = 3). Sie umfasst aufgenommene Datenpunkte AP und nicht aufgenommene (fehlende) Datenpunkte FP. Datenpunkte mit derselben Phasenkodierung ky bilden eine Datenzeile. Mit Hilfe eines Rekonstruktionskernels RKGRAPPA kann ein Teil der fehlenden Punkte, nämlich Target-Punkte TP, rekonstruiert werden. Der Rekonstruktionskernel RKGRAPPA umfasst Source-Punkte SP (aufgenommene Datenpunkte, die zur Rekonstruktion verwendeten werden), die hiermit zu rekonstruierenden Target-Punkte TP, sowie weitere nicht aufgenommene Datenpunkte FP und aufgenommene Datenpunkte AP, die jedoch nicht zur Rekonstruktion verwendet werden. Mit dem Rekonstruktionskernel RKGRAPPA wird festgelegt, mit Hilfe welcher Datenpunkte (Source-Punkte SP) welche Datenpunkte (Target-Punkte TP) rekonstruiert werden. Für die Rekonstruktion von R – 1 = 2 Target-Punkten TP werden zueinander benachbarte Source-Punkte SP mit vier verschiedenen Phasenkodierungen ky (also aus vier benachbarten aufgenommenen Datenzeilen) verwendet. Der Rekonstruktionskernel RKGRAPPA hat im gezeigten Beispiel eine Ausdehnung von bx = 5 in kx-Richtung und by = 3R + 1 in ky-Richtung.
  • In der Mitte der Datenmatrix M (um ky = 0) sind Kalibrations-Zeilen ACS (typischerweise 16–32 Datenzeilen) vollständig aufgenommen. Diese Kalibrations-Zeilen ACS werden zur Bestimmung von Spulengewichtungsfaktoren verwendet, welche wiederum zur Rekonstruktion der Target-Punkte TP benötigt werden.
  • 7 zeigt die ky-t-Ebene eines zeitlich periodischen Aufnahmeschemas zur Rekonstruktion von Datenpunkten bei paralleler Bildgebung mittels des bekannten kt-GRAPPA-Verfahrens. Bei diesem Verfahren wird der Einfluss von benachbarten zeitlichen Informationen genutzt, um die Qualität der Rekonstruktion zu verbessern. Zu jedem Messzeitpunkt t1, t2.... tNt wird eine Datenmatrix M1, M2,.. MNt aufgenommen, von der in 7 lediglich die Datenpunkte für einen bestimmten kx-Wert abgebildet sind. Unter Messzeitpunkt t1, t2.... tNt ist hier die Zeit zu verstehen, in der die entsprechende Datenmatrix M1, M2, .. MNt abgebildet wird. Die verschiedenen Datenmatrizen M1, M2, .. MNt wiederholen sich periodisch, wobei in jedem Zyklus R Datenmatrizen M1, M2, ... MR aufgenommen werden. In dem gezeigten Fall mit Reduktionsfaktor R = 3 entspricht die Datenmatrix M1 zum Messzeitpunkt t1 also den Datenmatrizen M4, M7, M10 zu den Messzeitpunkten t4, t7, t10 usw.
  • Aus den in der Mitte des k-Raumes aufgenommenen Kalibrations-Zeilen ACS werden die Spulengewichtungsfaktoren bestimmt, aus welchen sich dann die Target-Punkte TP berechnen lassen. Um einen Target-Punkt TP zu rekonstruieren, werden jeweils zwei zum Target-Punkt TP benachbarte Source-Punkte SP in ky- und in t-Richtung verwendet. Somit ergibt sich für das vorliegende Beispiel ein Rekonstruktionskernel RKkt-GRAPPA mit einer Ausdehnung in ky-t-Ebene von 4 × 4. Bei dem kt-GRAPPA-Verfahren wird in einem Rekonstruktionsschritt, d. h. durch Verwendung eines Rekonstruktionskernels RKkt-GRAPPA, lediglich ein einziger Target-Punkt TP rekonstruiert. Um alle fehlenden Datenpunkte FP des Aufnahmeschemas zu rekonstruieren, ist es notwendig, Rekonstruktionskernel RKkt-GRAPPA mit R-1 unterschiedlichen Kernelgeometrien zu generieren, im vorliegenden Bei spiel sind dies zwei Kernelgeometrien.
  • 8A, 8B zeigen jeweils ein aufgenommenes Bild eines Phantoms. Während die Abbildung des Phantoms in 8A mittels voll aufgenommener Datenmatrizen (R = 1) durchgeführt wurde, wurde bei der in 8B gezeigten Abbildung das GRAPPA-Verfahren mit einem Reduktionsfaktor R = 6 verwendet. Im Vergleich mit der Aufnahme mit R = 1, d. h. ohne parallele Bildgebung (8A), weist das mit einem Reduktionsfaktor von R = 6 rekonstruierte Bild (8B) deutliche Bildartefakte sowie ein stark reduziertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis auf, was zu einer deutlichen Zunahme von Rekonstruktionsartefakten in den Bildern führt.
  • Im Gegensatz zu dem bekannten kt-GRAPPA-Verfahren wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für die Rekonstruktion sämtlicher nicht aufgenommener Datenpunkte FP lediglich eine einzige Kernelgeometrie verwendet. 1A zeigt ein Aufnahmeschema eines Spulenelements, welches dem aus 7 entspricht, mit Reduktionsfaktor R = 3 und einem Kalibrationsbereich mit Kalibrations-Zeilen ACS, sowie einem Target-Bereich TB, wobei der Target-Bereich TB eine mindestens R × R große Matrix darstellt, die Target-Punkten TP und Source-Punkten SP enthält.
  • In 1B sind beispielhaft drei mögliche Kernel-Konfigurationen für einen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbaren Rekonstruktionskernels RK, RK', RK'' für ein Aufnahmeschema mit Reduktionsfaktor von R = 3 dargestellt. Die Ausdehnung der Rekonstruktionskernel RK, RK', RK'' ist für eine 2-dimensionale Bildgebung in kx-Richtung durch bx, in ky-Richtung durch by und in t-Richtung durch bt gegeben. Links in 1B ist der Rekonstruktionskernel RK mit einer minimalen Ausdehnung. von R × R (hier by = bt = 3) in ky-t-Ebene gezeigt (minimale Kernel-Konfiguration). Dieser Rekonstruktionskernel RK mit minimaler Ausdehnung beinhaltet genau den Target-Bereich TB. Die Anzahl Nsource der Source-Punkte SP ist dabei durch den Reduktionsfaktor R nach unten begrenzt. Der Rekonstruktionskernel RK', RK'' kann aber auch noch weitere Datenpunkte außerhalb des Target-Bereichs TB beinhalten (Nsource >= R), wie im mittleren und linken Beispiel aus 1B gezeigt. Bei der in der Mitte von 1B gezeigten Kernel- Konfiguration (Rekonstruktionskernel RK') aus 1B tragen Datenpunkte mit zwei weiteren Phasenkodierungen ky zur Rekonstruktion der Target-Punkte TP bei. Die Anzahl Nsource der Source-Punkte SP beträgt hier 5. Die Ausdehnung by des Rekonstruktionskernels RK' in ky-Richtung ist hier also größer als die der Target-Begrenzung TB (Nsource = 5 mit by = 5 und bt = 3). Die Kernelgeometrie des rechts in 1B dargestellten Rekonstruktionskernels RK'' unterscheidet sich sowohl in seiner Ausdehnung by in ky-Richtung als auch in seiner Ausdehnung bt in t-Richtung von den entsprechenden Ausdehnungen der Target-Begrenzung TB (Nsource = 7 mit by = bt = 5).
  • Bei Verwendung des Rekonstruktionskernels RK mit minimaler Ausdehnung (minimale Kernelkonfiguration) werden sämtliche aufgenommene Datenpunkte AP innerhalb des Rekonstruktionskernels RK als Source-Punkte SP verwendet, wohingegen bei dem in 1B rechts gezeigten Rekonstruktionskernel RK'' einige aufgenommenen Datenpunkte AP außerhalb des Target-Bereichs TB für die Rekonstruktion der Target-Punkte TP nicht herangezogen werden.
  • Im Gegensatz zu dem bekannten kt-GAPPA-Verfahren, bei dem in jedem Rekonstruktionsschritt lediglich ein Target-Punkt TP rekonstruiert wird, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Rekonstruktionsschritt, also mittels eines bestimmten Rekonstruktionskernels RK, RK', RK'', sämtliche Datenpunkte innerhalb des Target-Bereichs TB mit der Ausdehnung nR × mR, die nicht als Source-Punkte SP dienen, rekonstruiert.
  • Um alle fehlenden Datenpunkte FP des gesamten Aufnahmeschemas zu berechnen, wird der Rekonstruktionskernel RK, RK', RK'' nach jedem Rekonstruktionsschritt jeweils mit einem Inkrement von R in ky- sowie in t-Richtung über die ky-t-Ebene verschoben. Die x-Richtung ist hier der Übersicht halber nicht gezeigt. Bei dem in 1A gezeigten Beispiel liegt ein dreidimensionales Aufnahmeschema vor. Die Rekonstruktion der Datenpunkte mit anderen als dem in 1A gezeigten kx-Wert erfordert zusätzlich eine Verschiebung des Rekonstruktionskernels RK, RK', RK'' in kx-Richtung. Bei zeitaufgelösten räumlichen 3D-Daten besitzt der Rekonstruktionskernel RK, RK', RK'' zudem noch eine Ausdehnung in kz-Richtung, vorzugsweise der Größe R. Prinzipiell kann die Ausdehnung des Rekonstruktionskernels RK', RK'' jedoch beliebig sein, solange er den Target-Bereich TB umfasst.
  • Für die Rekonstruktion der fehlenden Datenpunkte FP innerhalb eines Aufnahmeschemas wird lediglich eine einzige der möglichen Kernelkonfigurationen verwendet.
  • 2 veranschaulicht die Bestimmung der Spulengewichtungsfaktoren, die für die Rekonstruktion der fehlenden Datenpunkte FP benötigt werden. Mit Hilfe eines Kernels K, der dieselbe Geometrie aufweist wie der nachher für die Rekonstruktion verwendete Rekonstruktionskernel RK, wird ein Rekonstruktionsschema zur Rekonstruktion der Target-Punkte TP innerhalb der entsprechenden Kernelgeometrie erstellt. Hierzu wird die Pseudoinverse einer Matrix berechnet, deren Dimension unter anderem durch die Anzahl der beitragenden Zeitpunkte t1, t2, ... tNt bestimmt wird. Im erfindungsgemäßen Verfahren können alle aufgenommenen ACS-Zeilen in der Zeitrichtung t als für die Berechnung dieser Pseudoinversen verwendet werden.
  • Die Anzahl der beitragenden Zeitpunkte t1, t2, ... tNt zur Berechnung der Pseudoinversen und somit zur Bestimmung eines Satzes CW an Spulengewichtungsfaktoren kann prinzipiell beliebig variiert werden von nur einem Zeitpunkt t1 bis hin zu allen aufgenommenen Nt Zeitpunkten t1, t2, ... tNt des Aufnahmeschemas. Der Fall von nur einem Zeitpunkt hat den Vorteil der schnelleren Berechnung der Pseudoinversen.
  • Besonders gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn M Sätze CWt (t = 1, 2, ..n) von Spulengewichtungsfaktoren berechnet werden, indem man jeweils aus einem Bereich in der zeitlichen Dimension der Ausdehnung bt einen Satz CWt von Spulengewichtungsfaktoren berechnet und dann diesen Bereich schrittweise mit einem Inkrement von 1 über die Zeitrichtung weiter schiebt und jeweils einen weiteren Satz CWt von Spulengewichtungsfaktoren bestimmt. Die maximale Anzahl Mmax von Sätzen CWt von Spulengewichtungsfaktoren ist gegeben durch Mmax = Nt – bt + 1. 2 zeigt dies schematisch für einen Kernel K mit der Ausdehnung by = bt = 3. Die Verschiebung des Kernes kann dabei über den gesamten Kalibrationsbereich erfolgen.
  • Vorzugsweise wird für jeden Messzeitpunkt t innerhalb des Aufnahmeschemas der Kernel in kx- und ky-Richtung über den Kalibrationsbereich verschoben und somit Nt – bt + 1 Sätze CWt an Spulengewichtungsfaktoren erzeugt, welche dann zu einem Satz <CW>, gemittelt werden. Aus diesem Satz <CW> an Spulengewichtungsfaktoren können dann die Target-Punkte TP rekonstruiert werden.
  • Die für die Rekonstruktion der fehlenden Datenpunkte eines Aufnahmeschemas verwendeten Rekonstruktionskernel RK, RK', RK'', sowie die zur Ermittlung der Spulengewichtungsfaktoren verwendeten Kernel K weisen eine einheitliche Geometrie auf und sind dabei so ausgelegt, dass sich damit ein für das gesamte Aufnahmeschema einziger Satz CW, <CW> von Spulengewichtungsfaktoren berechnen lässt, mit welchem alle nicht aufgenommenen Datenpunkte im Aufnahmeschema rekonstruiert werden können. Jeder Rekonstruktionskernel RK, RK', RK'' mit einem Target-Bereich TB von nR × mR (mit n, m = 1, 2, ...) erfüllt diese Bedingung für das in 1A gezeigte Aufnahmeschema. Die Kernelausdehnung bx in kx-Richtung kann dabei eine beliebig Anzahl von k-Raum Zeilen enthalten (typischerweise bx = 5), welche hier der Übersicht halber nicht dargestellt ist. Bei Vorhandensein weiterer Dimensionen vergrößern sich die Kerneldimensionen entsprechend. Für 3D-Daten bspw. besitzt der Kernel zudem noch eine Ausdehnung in kz-Richtung.
  • Aufgrund der Erweiterung des Rekonstruktionskernels und der Mittelung der Spulengewichtungsfaktoren über die zeitliche Dimension wird das erfindungsgemäße Verfahren mit PEAK-GRAPPA bezeichnet (für Parallel Imaging with Extended and Averaged GRAPPA Kernels).
  • 3 zeigt eine Signal-zu-Rausch-Analyse in Abhängigkeit vom Reduktionsfaktor R in einer Region ROI eines statischen Phantoms für verschiedene Rekonstruktionsverfahren. Die Analyse wurde mittels zweier hintereinander aufgenommenen Bildserien mit identischen Parametern am statischen Phantom durchgeführt. Um die räumliche Abhängigkeit des Signal-Rausch-Verhältnis bei paralleler Bildgebung zu berücksichtigen, wurden die rekonstruierten Bilder jeweils identischer Zeitpunkte der beiden Bildserien gemittelt und subtrahiert. Das Signal-Rausch-Verhältnis ergibt sich dann aus dem Signal des gemittelten Bildes innerhalb einer Bildregion geteilt durch die Standardabweichung des Signals aus dem Subtraktionsbild (Rauschen) innerhalb der gleichen Region.
  • Für die Rekonstruktion mit der konventionellen GRAPPA-Technik (Rauten) verschlechtert sich das Signal-zu-Rausch-Verhältnis wie erwartet mit höheren Reduktionsfaktoren. Für die Rekonstruktion mit dem erfindungsgemäßen PEAK-GRAPPA-Verfahren hingegen bleibt das Signal-zu-Rausch-Verhältnis mit höheren Reduktionsfaktoren im Bereich des Wertes für die Rekonstruktion mit voller Datenmatrix (R = 1). Dabei hat sich gezeigt, dass die zeitliche Mittelung der Spulengewichtungsfaktoren neben einer Verbesserung der Bildqualität in einer weiteren Optimierung des Rauschen resultiert (Quadrate) im Vergleich zur Rekonstruktion mit den Spulengewichtungsfaktoren, welche nur aus einem Zeitpunkt (genauer gesagt mit dem oben beschriebenen Kernel zu einer bestimmten Position in der zeitlichen Dimension) bestimmt wurden (Dreiecke).
  • Aus 3 wird deutlich, dass durch Mittelung der Sätze von Spulengewichtungsfaktoren CW zu einem Satz <CW> das Signal-zu-Rausch-Verhältnis in den Bildern bei verbesserter Bildqualität optimiert werde kann.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit bei höherem Reduktionsfaktor, und somit entsprechend verkürzter Messzeit eine verbesserte Bildqualität erreicht werden. Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbare Reduktionsfaktor kann daher, im Gegensatz zum konventionellen GRAPPA-Verfahren, auch größer als die Anzahl der verwendeten Spulenelemente sein.
  • In 4 sind MRI-Bilder eines statischen Phantoms gezeigt, die mit verschiedenen Reduktionsfaktoren rekonstruiert wurden. Die linke Abbildung zeigt das mittels des vollständig aufgenommenen Datensatzes (R = 1) rekonstruierte Bild. Bei der mittlere Abbildung wurden entsprechend dem in 1A gezeigten Aufnahmeschema Datenzeilen entfernt mit einem Reduktionsfaktor von R = 6 und die fehlenden Datenpunkte mit Hilfe des erfindungsgemäßen PEAK-GRAPPA-Rekonstruktions-Verfahrens rekonstruiert. Das rechte Bild zeigt das Ergebnis einer PEAK-GRAPPA-Rekonstruktion mit einem Reduktionsfaktor von R = 12. Die Bildqualität bei R = 6 ist vergleichbar mit dem vollständig aufgenommenen Bild und auch für den hohen Reduktionsfaktor von R = 12 sind nur minimale Bildartefakte zu erkennen.
  • In 5 sind in-vivo-Herzbilder gezeigt. Die Bilder wurden am schlagenden Herzen aufgenommen, wobei die obere Zeile Bilder zu einem Zeitpunkt während der Systole des Herzzyklus und die untere Zeile zu einem Zeitpunkt während Diastole zeigt. Die linken Aufnahmen wurden mit voll aufgenommenen Datenmatrizen rekonstruiert. Bei den mittleren und rechten Aufnahmen wurden Datenzeilen entsprechend einem Reduktionsfaktor von R = 6 entfernt, wobei die mittleren Bilder mit Hilfe des erfindungsgemäßen PEAK-GRAPPA-Verfahren rekonstruiert wurden, während für die rechten Bilder ein konventionelles GRAPPA-Verfahren verwendet wurde. Während die mit dem erfindungsgemäßen PEAK-GRAPPA-Verfahren rekonstruierten Bilder eine vergleichbare Bildqualität liefert wie die Bilder mit voll aufgenommenen Datenmatrizen, weisen die mittels des konventionellen GRAPPA-Verfahrens rekonstruierten Bilder starke Artefakte und ein reduziertes Signal-Rausch-Verhältnis auf.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auf alle MR-Sequenztechniken wie Gradientenecho-, Spinecho-, oder auch Echo-Planar-Imaging-Methoden anwenden.
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  • ACS
    Kalibrations-Zeilen
    AP
    aufgenommener Punkt
    FP
    nicht aufgenommener Punkt
    M1, M2, .. MNt
    Datenmatrix
    RK
    minimaler Rekonstruktionskernel
    RK', RK''
    Rekonstruktionskernel
    RKGRAPPA
    Rekonstruktionskernel beim GRAPPA-Verfahren
    RKkt-GRAPPA
    Rekonstruktionskernel beim k-t-GRAPPA-Verfahren
    SP
    Source-Punkt
    TB
    Target-Bereich
    TP
    Target-Punkt
    ky
    Phasenkodierrichtung
    bt
    Kernelausdehnung in Zeitrichtung
    by
    Kernelausdehnung in Phasenkodierrichtung

Claims (7)

  1. Verfahren zur zeitaufgelösten bildgebenden N-dimensionalen Magnetresonanz (=MR) mit folgenden Verfahrensschritten: Aufnahme von MR-Signalen aus einem Probenvolumen durch parallele Bildgebung mittels mehrerer Empfangsspulen, wobei von jeder Empfangsspule eine Anzahl von Nt N-dimensionalen Datenmatrizen (M1, M2, ...MNt) im k-Raum mit einem Reduktionsfaktor R unterabgetastet aufgenommen werden, wobei ky die Phasenkodierrichtung ist, wobei die Aufnahme der MR-Signale nach einem zeitlich periodischen Aufnahmeschema erfolgt, welches die zeitliche Abfolge der unterabgetasteten Datenmatrizen (M1, M2, ...Mn) beschreibt, und Rekonstruktion von fehlenden Datenpunkten (FP) des Aufnahmeschemas mittels eines Satzes (CW, <CW>) von Spulengewichtungsfaktoren und mittels N+1-dimensionaler Rekonstruktionskernel (RK, RK', RK''), die festlegen, aus welchen aufgenommenen Datenpunkten (AP) die Rekonstruktion erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekonstruktion der fehlenden Datenpunkte (FP) des Aufnahmeschemas mittels einer einzigen Rekonstruktionskernel-Geometrie erfolgt, wobei jeder Rekonstruktionskernel einen N+1-dimensionalen Target-Bereich (TB) umfasst, wobei mittels jedes Rekonstruktionskernels (RK, RK', RK'') sämtliche nicht aufgenommenen Datenpunkte (TP) innerhalb des zugehörigen Target-Bereichs (TB) rekonstruiert werden, und wobei der Target-Bereich (TB) mindestens die Ausdehnung [nR × mR] in der ky-t-Ebene des Aufnahmeschemas aufweist, mit n, m = 1,2, ...
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Rekonstruktion der Datenpunkte innerhalb eines Target-Bereichs (TB) der Rekonstruktionskernel (RK, RK', RK'') sowie der Target-Bereich (TB) mit einem Inkrement eines ganzzahligen Vielfachen von R in ky- und/oder in t-Richtung innerhalb des Aufnahmeschemas verschoben wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung des Rekonstruktionskernel (RK) gleich der Ausdehnung des Target-Bereichs (TB) ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekonstruktionskernel (RK) aufgenommene Datenpunkte (AP) außerhalb des Target-Bereichs (TB) umfasst.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Satz (CW, <CW>) von Spulengewichtungsfaktoren berechnet wird, indem in einem Kalibrationsbereich des Aufnahmeschemas um ky = 0 alle Datenpunkte dieses Kalibrationsbereichs aufgenommen werden, aus diesem Kalibrationsbereich ein Kernel (K) ausgewählt wird und zu diesem Kernel (K) die Pseudoinverse berechnet wird, wobei der Kernel (K) dieselbe Geometrie aufweist wie der Rekonstruktionskernel (RK, RK', RK'').
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass M Sätze (CWt) von Spulengewichtungsfaktoren berechnet werden, wobei die Kernel (K), aus denen die M Sätze (CWt) von Spulengewichtungsfaktoren berechnet werden, innerhalb des Aufnahmeschemas in t-Richtung gegeneinander verschoben sind, und dass aus diesen M Sätzen (CWt) von Spulengewichtungsfaktoren ein gemittelter Satz (<CW>) von Spulengewichtungsfaktoren ermittelt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenpunkte des Aufnahmeschemas MR-Daten für 3D-CINE- und/oder Phasenkontrast- und/oder Perfusions- und/oder Diffusionstensor-Bildgebung und/oder Real-time-Aufnahmen sind.
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