DE102007033880B4

DE102007033880B4 - Verfahren zur Korrektur von Verzeichnungen in mittels eines Magnetresonanzgeräts aufgenommenen Bilddatensätzen sowie Computerprogramm, Bildverarbeitungseinheit und Magnetresonanzgerät zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102007033880B4
Application number: DE102007033880A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. Ritter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2010-06-24
Anticipated expiration: 2027-07-21
Also published as: US8260021B2; US20090022384A1; DE102007033880A1

Abstract

Verfahren zur Korrektur von Verzeichnungen in mittels eines Magnetresonanzgeräts aufgenommenen Bilddatensätzen, wobei das Magnetresonanzgerät ein Messvolumen aufweist, worin ein Grundmagnetfeld herrscht, welches bekannte lokale Abweichungen von einem Sollwert aufweist, umfassend folgende Schritte:
– Laden eines mit dem Magnetresonanzgerät unter Verwendung bekannter Aufnahmeparameter aufgenommenen Bilddatensatzes,
– Berechnen lokaler Verschiebungen von Bildelementen in dem geladenen Bilddatensatz aus den bekannten lokalen Abweichungen des Grundmagnetfeldes und den bekannten Aufnahmeparametern,
– Erstellen eines korrigierten Bilddatensatzes auf Grundlage der berechneten lokalen Verschiebungen und des geladenen Bilddatensatzes,
– Anzeigen und/oder Speichern des korrigierten Bilddatensatzes,
wobei die lokale Verschiebung aus dem Quotienten der lokalen Abweichung des Grundmagnetfeldes des Magnetresonanzgeräts von dem Soll-Wert und einem durch die bekannten Aufnahmeparameter bekannten Wert des Frequenzkodiergradienten berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur von Verzeichnungen in mittels eines Magnetresonanzgeräts aufgenommenen Bilddatensätzen.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Computerprogramm, eine Bildverarbeitungseinheit und ein Magnetresonanzgerät zur Durchführung des Verfahrens.
Die Magnetresonanz-Technik ist eine bekannte Technik, mit der Bilder vom Inneren eines Untersuchungsobjektes erzeugt werden können. Dabei wird die Abhängigkeit der Präzessionsfrequenzen (Larmorfrequenzen) angeregter Spins von der Magnetfeldstärke des herrschenden Magnetfeldes des Magnetresonanzgeräts zur Ortsauflösung genutzt. Das herrschende Magnetfeld setzt sich dabei aus dem Grundmagnetfeld des Magnetresonanzgeräts und angelegten Gradientenmagnetfeldern zusammen. Übliche Verfahren zur Rekonstruktion von Bilddatensätzen aus Magnetresonanzsignalen setzen ein homogenes Grundmagnetfeld und streng lineare Gradientenmagnetfelder voraus.
Wegen der Abhängigkeit der Larmorfrequenzen von dem herrschenden Magnetfeld ergeben sich bei Inhomogenitäten des Grundmagnetfeldes geometrische Verzeichnungen entlang der Frequenzcodierrichtung (Ausleserichtung) in den aus den Magnetresonanzsignalen gewonnenen Bilddatensätzen. Bei Nichtlinearitäten der Gradientenfelder liegen die Verzeichnungen sowohl in der tomographischen Bildebene als auch senkrecht dazu bei Schichtanregungen mit einem Selektionsgradienten. In der Praxis lassen sich derartige Inhomogenitäten des Grundmagnetfeldes und Nichtlinearitäten von Gradientenfeldern nicht völlig vermeiden. Innerhalb eines Messvolumens eines Magnetreso nanzgeräts sollten die Abweichungen des Grundmagnetfeldes, also die Inhomogenität, dennoch kleiner als 3 ppm sein (ppm: „parts per million”).
Die sich dadurch ergebenden Verzeichnungen betreffen dabei sowohl die geometrische Lage der aus den Magnetresonanzsignalen rekonstruierten Bilddaten als auch die rekonstruierte Bildsignalstärke. Eine Schwächung der Bildsignalstärke kann dabei beispielsweise durch eine Dephasierung der Spins bei starken lokalen Grundfeldinhomogenitäten auftreten. Weitere fälschliche Veränderungen der Bildsignalstärke sind durch die räumliche Verteilung der aus den Magnetresonanzsignalen ermittelten Intensitätswerte auf eine in der Größe von der tatsächlichen Fläche abweichende Fläche möglich.
Die Ursachen für auftretende Inhomogenitäten von Grundmagnetfeldern in Magnetresonanzgeräten sind beispielsweise konstruktiv bedingt, d. h. sie sind z. B. abhängig von der Bauform und Wicklungsgeometrie des Grundfeldmagneten, der Abschirmung und vorhandener Shimvorrichtungen. Derartig verursachte Inhomogenitäten des Grundmagnetfeldes sind statisch, d. h. sie bleiben im Wesentlichen zeitlich konstant.
Bei der Bestimmung der Inhomogenität des Grundmagnetfeldes wird z. B. das tatsächlich herrschende Magnetfeld an mehreren Messpunkten auf einer Oberfläche des Messvolumens mit Hilfe von Magnetfeldsensoren, beispielsweise Hallsensoren, des Messphantoms gemessen.
Liegen die Messpunkte auf einer Kugeloberfläche mit Radius r₀, können die auch „Spektrum” genannten Koeffizienten Alm und B_l,m der folgenden Entwicklungsfunktion nach Kugelfunktionen von Magnetfeldern berechnet werden. Daraus kann dann mit der genannten Entwicklungsfunktion
das gesamte Grundmagnetfeld B0 an jedem Punkt (r, ϑ, φ) (Kugelkoordinaten) innerhalb des Messvolumens berechnet werden. P_l,m bezeichnen hierbei die zu den Legendre Polynomen P_l assoziierten normierten Legendre Funktionen.
Aus den berechneten Werten B0(r, ϑ, φ) und dem Soll-Wert für das Grundmagnetfeld B0_soll kann eine lokale Abweichung des Grundmagnetfeldes Δ_B0(r, ϑ, φ) = B0(r, ϑ, φ) – B0_soll berechnet werden.
Die Grundfeldinhomogenität kann auch als relative Grundfeldinhomogenität δ_B0 an jedem Punkt (r, ϑ, φ) berechnet werden:
Die Verteilung der relativen Grundfeldinhomogenität kann in einer sogenannten B0-Map ortsaufgelöst gespeichert werden. Eine solche B0-Map lässt sich beispielsweise als Höhenprofil in einer Schnittebene durch das Messvolumen darstellen. Dabei gibt das Höhenprofil die relative Grundfeldinhomogenität an dem jeweiligen Ort in dem Messvolumen an.
Weitere Ursachen für Inhomogenitäten eines Magnetfelds in einem Magnetresonanzgerät sind z. B. Suszeptibilitätsänderungen durch ein in das Magnetresonanzgerät eingebrachtes Untersuchungsobjekt, dynamische Störungen durch Wirbelströme oder Artefakte wie „Chemical Shift”, Flussartefakte oder Bewegungen des Untersuchungsobjekts. Derartig verursachte Inhomogenitäten hängen von der jeweiligen Situation, z. B. der Art der Untersuchung und des Untersuchungsobjektes, ab.
Jegliche Arten von Verzeichnungen in Bilddatensätzen sind unerwünscht, insbesondere in medizinischen Bilddatensätzen, da sie eine Diagnose verfälschen oder zumindest erschweren und z. B. die Bestimmung der absoluten Position einer Läsion erschweren. Wegen der verschiedenen möglichen Ursachen und Arten von Verzeichnungen gibt es bereits verschiedene Verfahren, um die verschiedenen Arten von Verzeichnungen in Bilddatensätzen zu korrigieren.
In der US 2004/0032261 A1 ist ein Verfahren zur Korrektur von Verzerrungen in MR-Bilddatensätzen beschrieben. Das Grundmagnetfeld weist bekannte lokale Abweichungen von einem Sollwert auf. Dabei wird zunächst ein Bilddatensatz geladen, der unter Verwendung bekannter Aufnahmeparameter erstellt wurde. Lokale Verschiebungen der Bildelemente werden aus den bekannten lokalen Abweichungen des Grundmagnetfelds und der bekannten Aufnahmeparameter bestimmt. Auf der Grundlage der berechneten lokalen Verschiebungen wird ein korrigierter Bilddatensatz bestimmt.
In dem Artikel von S. Skare und J. L. L. Andersson: ”Correction of MR Image Distortions Induced by Metallic Objects Using a 3D Cubic B-Spline Basis Set: Application to Stereotactic Surgical Planning”, erschienen 2005 in Magnetic Resonance in Medicine, Vol. 54, Seiten 169–181, ist ein Verfahren zur Entzerrung von Magnetresonanzbildern beschrieben, die mit einer Spin-Echo-Technik aufgenommen wurden. Dazu werden zwei Bilder mit entgegengesetzter Polarität des Schichtauswahl- und Frequenzkodiergradienten erstellt. Beide Bilder sind identisch bis auf entgegengesetzte Verzerrungsrichtungen. Mit einem Iterationsverfahren wird die Quadratsummendifferenz der beiden Bilder minimiert, wodurch die lokale Verzerrung der Bildpunkte bestimmt wird.
Ein Verfahren zur Verzeichnungskorrektur für Gradienten-Nichlinearitäten bei Kernspintomographiegeräten ist auch aus der DE 195 40 837 B4 bekannt. Dabei wird mit Hilfe zweier Hilfsdatensätze, die eine Verschiebung eines gemessenen Ortes gegenüber einem tatsächlichen Ort eines Signalursprungs beschreiben, Ortskorrekturen in x- und y-Richtung durchgeführt. Neben den Ortskorrekturen werden auch Intensitätskorrekturen angewandt.
Die DE 198 29 850 C2 beschreibt ein Verfahren zur Rekonstruktion eines planaren Schnittbilds aus Magnetresonanzsignalen in inhomogenen Magnetfeldern. Dabei werden aus mehreren Ori ginalbildelementen in gekrümmten Schichten im Untersuchungsobjekt Bildelemente eines planaren Schnittbildes erzeugt.
In der WO 95/30908 A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem in Ausleserichtung eine generalisierte Fresnel-Transformation (GFT-Rekonstruktion) durchgeführt wird. Die GFT-Rekonstruktion berücksichtigt eine bekannte Ortsabhängigkeit des Hauptmagnetfeldes in Ausleserichtung, um während der Transformation von dem Messdatenraum (k-Raum) in den Ortsraum eine Korrektur von Verzeichnungen und Intensitätsfehlern durchführen zu können.
Es besteht weiterhin Bedarf an leistungsfähigen Verfahren zur Korrektur von Verzeichnungen in mittels Magnetresonanztechnik aufgenommenen Bilddatensätzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einfache und dabei effektive Weise Verzeichnungen in mittels eines Magnetresonanzgeräts aufgenommenen Bilddatensätzen korrigieren zu können.
Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Dazu berechnet das erfindungsgemäße Verfahren lokale Verschiebungen von Bildelementen in einem geladenen Bilddatensatz, der unter Verwendung bekannter Aufnahmeparameter in einem Messvolumen eines Magnetresonanzgeräts aufgenommen wurde. Dabei werden für die Berechnung der lokalen Verschiebungen die bekannten Aufnahmeparameter und bekannte lokale Abweichungen eines Grundmagnetfeldes des Magnetresonanzgerätes in dem Messvolumen des Magnetresonanzgerätes verwendet. Auf Grundlage der berechneten Verschiebungen und des geladenen Bilddatensatzes wird ein korrigierter Bilddatensatz erstellt. Dieser korrigierte Bilddatensatz wird schließlich angezeigt und/oder gespeichert. Dabei wird die lokale Verschiebung aus dem Quotienten der lokalen Abweichung des Grundmagnetfelds des Magnetresonanzgeräts vom Soll-Wert und einem durch die bekannten Aufnahmeparameter bekannten Wert des Frequenzkodiergradienten berechnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich leicht implementieren und kann auch einfach in evtl. bereits bestehende Algorithmen zur Verzeichniskorrektur integriert werden. Weitere Vorteile sind die damit verbundene Schnelligkeit der Korrekturberechnung einerseits, weil die Berechnung an sich schnell abläuft, und andererseits weil keine Mehrfachmessungen notwendig sind. Es genügt die Messung zur Aufnahme des Bilddatensatzes und das Wissen über die lokalen Abweichungen des Grundmagnetfeldes. Die Bestimmung lokaler Abweichungen des Grundmagnetfeldes wird in der Regel standardmäßig bei einem Setup eines Magnetresonanzgeräts durchgeführt. Diese Bestimmung der lokalen Abweichungen und damit eine Grundlage des Verfahrens basiert auf physikalischen Messungen und ist damit unabhängig von Bildinterpretationsfehlern.
Des Weiteren wird die Aufgabe durch ein Computerprogramm gemäß Anspruch 7, eine Bildverarbeitungseinheit gemäß Anspruch 8 und ein Magnetresonanzgerät gemäß Anspruch 9 zur Durchführung des Verfahrens gelöst.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Die aufgeführten Beispiele stellen keine Beschränkung der Erfindung dar. Es zeigen:
1 einen schematischen Aufbau eines bekannten Magnet-Resonanz-Geräts,
2 ein schematisches Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt schematisch den Aufbau eines Magnetresonanzgerätes 1 in einer Seitenansicht. Dabei sind nur die für die Erfindung wesentlichen Teile dargestellt. Weitere Teile wie z. B. eine Liege, Lokalspulen, Gradientenspulen und Einheiten zur Steuerung derselben sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Das Magnetresonanzgerät 1 umfasst insbesondere einen supraleitenden Grundfeldmagneten 3. Der Grundfeldmagnet 3, üblicherweise ein Kryomagnet 3 mit einer tunnelförmigen Öffnung oder ein offener Magnet, erzeugt ein starkes Grundmagnetfeld 5 (dargestellt durch exemplarische, gestrichelt skizzierte Feldlinien), das üblicherweise 0,2 Tesla bis 3 Tesla und mehr beträgt. Das Grundmagnetfeld 5 ist in einem Messvolumen 7 des Magnetresonanzgeräts 1 bis auf kleinere lokale Abweichungen von einem Soll-Wert homogen.
Um ein Objekt mittels Magnetresonanztechnik zu untersuchen, werden verschiedene, in ihrer zeitlichen und räumlichen Charakteristik genauestens aufeinander abgestimmte Magnetfelder auf den Körper eingestrahlt. Die dadurch erzeugten Magnetresonanzsignale werden als Messdaten gemessen.
Ein zu untersuchendes Objekt wird auf einer Liege gelagert (hier nicht dargestellt) und für eine Aufnahme von Messdaten in dem Messvolumen 7 positioniert.
Eine Steuereinheit 9 steuert das Magnetresonanzgerät, insbesondere während der Akquisition der Messdaten.
Eine Bildverarbeitungseinheit 11 erzeugt aus den Messdaten einen Bilddatensatz, der über eine Bedienkonsole 13 einem An wender dargestellt oder in einer Speichereinheit 15 gespeichert wird.
Die Bildverarbeitungseinheit 11 ist dabei so ausgebildet, dass das erfindungsgemäße Verfahren mit der Bildverarbeitungseinheit 11 gegebenenfalls zusammen mit der Steuereinheit 9 durchgeführt werden kann. Dazu ist beispielsweise ein erfindungsgemäßes Computerprogramm ausführbar auf der Bildverarbeitungseinheit 11 und/oder der Steuereinheit 9 installiert.
Eine Bildverarbeitungseinheit 11, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist, kann aber auch unabhängig von einem Magnetresonanzgerät 1 betrieben werden.
2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Dabei wird zunächst ein mit dem Magnetresonanzgerät unter Verwendung bekannter Aufnahmeparameter aufgenommener Bilddatensatz (kurz: BDS) z. B. auf eine Bedienkonsole oder eine Bildverarbeitungseinheit geladen (Block 21).
Aus bekannten lokalen Abweichungen des Grundmagnetfeldes des Magnetresonanzgeräts, die z. B. auf die oben beschriebene Weise bestimmt wurden, und den bekannten Aufnahmeparametern des Bilddatensatzes werden lokale Verschiebungen von Bildelementen entlang der Ausleserichtung in dem Bilddatensatz z. B. auf folgende Art berechnet (Block 23):
Die lokalen Verschiebungen in Ausleserichtung (Frequenzkodierrichtung) Δ B0 / ro(r, ϑ, φ) ergibt sich in Abhängigkeit der Gradientenstärke des Frequenzkodiergradienten G_ro zu:
wobei Δ_B0(r, ϑ, φ) = B0(r, ϑ, φ) – B0_soll die lokale Abweichung des Grundmagnetfeldes, und δ_B0(r, ϑ, φ) die relative Grundfeldinhomogenität am Ort (r, ϑ, φ) ist.
Dabei müssen selbstverständlich nur Verschiebungen an Orten (r, ϑ, φ) berechnet werden, die Teil des geladenen Bilddatensatzes sind.
Die Gradientenstärke G_ro lässt sich hierbei z. B. aus den bekannten Aufnahmeparametern wie Pixelbandbreite (pbw), Auflösung (pix) und Bildfeld (x_FoV, FoV: „field of view”) und dem gyromagnetischen Verhältnis y* von Protonen berechnen:
Auf Grundlage der berechneten Verschiebungen in dem Bilddatensatz wird ein korrigierter Bilddatensatz erstellt (Block 25).
Dabei werden Bildelemente des Bilddatensatzes entsprechend der berechneten lokalen Verschiebungen korrigiert, d. h. jedes Bildelement wird den berechneten Verschiebungen entsprechend verschoben, so dass Verzeichnungen entlang der Ausleserichtung, die durch die Inhomogenität des Grundmagnetfeldes entstanden waren, ausgeglichen werden.
Die verschobenen Bildelemente fallen in der Regel nicht exakt auf ein korrespondierendes Bildelement des korrigierten Bilddatensatzes, der aus regelmäßig verteilten Bildelementen besteht. Daher ist es sinnvoll, eine Intensitätsinterpolation zur Bestimmung der Intensitätswerte jedes regelmäßig verteilten Bildelements des Bilddatensatzes durchzuführen, um die Auflösung des korrigierten Bilddatensatzes nicht zu verschlechtern.
Dies kann durch eine lineare Intensitätsinterpolation oder eine sogenannte „Nearest-Neighbour”-Interpolation geschehen. Beide Verfahren sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Allerdings kann die Verwendung eines dieser Verfahren zu einer Vergröberung der Auflösung des korrigierten Bilddatensatzes führen.
Für eine möglichst genaue Intensitätsinterpolation wird ein sogenanntes B-Spline-Verfahren vorgeschlagen. Auch B-Spline-Verfahren sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt.

Dabei wird z. B. bei einer zweidimensionalen B-Spline-Interpolation die Intensität I^T an einem Bildpunkt (x_n, y_n), der einem Bildelement des korrigierten Bilddatensatzes entspricht, mittels der Basisfunktionen B_m(u) und B_n(v) und den Intensitäten I(x_i+m-1, y_i+n-1) an umliegenden Bildpunkten (x_i+m-1, y_j+n-1), die den ursprünglichen, verschobenen Bildelementen entsprechen, folgendermaßen ermittelt:

wobei gilt:

i = ⌊x_p⌋;	u = x_p – ⌊x_p⌋;	B₀(t) = (–t³ + 3t² – 3t + 1)/6;
j = ⌊y_p⌋;	v = y_p – ⌊y_p⌋;	B₁(t) = (3t³ – 6t² + 4)/6;
		B₂(t) = (–3t³ + 3t² + 3t + 1)/6;
		B₃(t) = t³/6.

Der korrigierte Bilddatensatz wird schließlich z. B. auf einem Anzeigegerät der Bedienkonsole angezeigt und/oder beispielsweise auf einer Speichereinheit gespeichert.

Claims

Verfahren zur Korrektur von Verzeichnungen in mittels eines Magnetresonanzgeräts aufgenommenen Bilddatensätzen, wobei das Magnetresonanzgerät ein Messvolumen aufweist, worin ein Grundmagnetfeld herrscht, welches bekannte lokale Abweichungen von einem Sollwert aufweist, umfassend folgende Schritte: – Laden eines mit dem Magnetresonanzgerät unter Verwendung bekannter Aufnahmeparameter aufgenommenen Bilddatensatzes, – Berechnen lokaler Verschiebungen von Bildelementen in dem geladenen Bilddatensatz aus den bekannten lokalen Abweichungen des Grundmagnetfeldes und den bekannten Aufnahmeparametern, – Erstellen eines korrigierten Bilddatensatzes auf Grundlage der berechneten lokalen Verschiebungen und des geladenen Bilddatensatzes, – Anzeigen und/oder Speichern des korrigierten Bilddatensatzes, wobei die lokale Verschiebung aus dem Quotienten der lokalen Abweichung des Grundmagnetfeldes des Magnetresonanzgeräts von dem Soll-Wert und einem durch die bekannten Aufnahmeparameter bekannten Wert des Frequenzkodiergradienten berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Aufnahmeparameter Werte für eine verwendete Pixelbandbreite, eine verwendete Auflösung, ein verwendetes Bildfeld und ein gyromagnetisches Verhältnis umfassen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die lokale Verschiebung in Richtung des Frequenzkodiergradienten berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Korrigieren des aufgenommenen Bilddatensatzes eine Intensitätsinterpolation umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Intensitätsinterpolation mittels eines B-Spline-Verfahrens durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Korrigieren eine Rückverschiebung von Bildelementen des geladenen Bilddatensatzes gemäß den berechneten lokalen Verschiebungen umfasst.
Computerprogramm, das ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf einer Recheneinheit implementiert, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Bildverarbeitungseinheit, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
Magnetresonanzgerät, mit einer Bildverarbeitungseinheit, die zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.