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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anregung einer
Magnetisierung bei der Erstellung von MR-Angiographiebildern mit
der TOF(Time of Flight)-Technik sowie eine MR-Anlage hierfür.
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Die
Time-of-Flight-Magnetresonanzangiographie (TOF-MR-Angiographie)
ist ein nicht inversives Bildgebungsverfahren zur Darstellung der
Gefäßstruktur eines Untersuchungsobjekts. Es beruht auf
dem Hineinfließen von „frischen” nicht
vorgesättigten Spins in eine Bildgebungsebene bwz. in ein Bildgebungsvolumen.
Die ortsfeste Magnetisierung, d. h. die ortsfesten Spins der Bildgebungsebene
werden durch die wiederholte Anregung in einem kurzen Zeitabstand
TR gesättigt. Das Signal dieser Magnetisierung ist weitgehend
unterdrückt, während die nicht vorgesättigte
Magnetisierung, die sich beispielsweise durch den Blutfluss während
der Aufnahme in die Bildgebungsebene hinein ergibt, einen hohen
Signalanteil aufweist.
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Der
Vorteil der TOF-MR-Angiographie gegenüber kontrastmittelverstärkter
MR-Angiographie besteht darin, dass es nicht inversiv ist, d. h.
ohne Kontrastmittel auskommt. Obwohl kontrastmittelverstärkte
Angiographieverfahren einen großen Einsatzbereich haben,
sind beispielsweise Kontrastmittel nicht in allen Ländern
für die Angiographie zugelassen. Weiterhin sollen kontrastmittelverstärkte
Angiographiebildgebungsverfahren bei Untersuchungspersonen mit Niereninsuffizienz
nicht angewendet werden.
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Die
TOF-MR-Angiographie hat jedoch den Nachteil, dass der Kontrast zwischen
Gefäßen und ruhendem Gewebe von der Eindringtiefe
der ungesättigten Magnetisierung in die Bildgebungsebene abhängt.
Dies bedeutet, dass der Kontrast von der Blutflussgeschwindigkeit
und der Orientierung der darzustel lenden Blutgefäße
relativ zur Bildgebungsebene abhängig ist. Der beste Kontrast
wird erreicht, wenn das Gefäß senkrecht zur Bildgebungsebene verläuft.
Bei Gefäßen, die parallel zur Bildgebungsebene
verlaufen, können wie im ruhenden Gewebe keine ungesättigten
Spins mit hohem Signalanteil nachfließen, so dass diese
Gefäße innerhalb einer gewissen Gefäßlänge
ihren Kontrast zur statischen Umgebung verlieren. Eine Möglichkeit,
diesen Kontrastverlust zu minimieren, besteht darin, sequentiell nur
sehr dünne Einzelschichten aufzunehmen, damit der Verlauf
eines Gefäßes innerhalb einer Bildgebungsebene
minimiert wird. Dieses Einzelschichtverfahren führt jedoch
zu einem schlechten Signal-zu-Rausch-Verhältnis, das in
einer vorbestimmten Aufnahmezeit erreichbar ist. Bei der Aufnahme von
Einzelschichten ist weiterhin die erreichbare Auflösung
senkrecht zur Bildgebungsebene limitiert.
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Bei
3D-Aufnahmen mit Volumenanregung und zwei Phasenkodiergradienten
ist es bekannt, den abnehmenden Kontrast in Flussrichtung dadurch zu
verringern, dass ein Kippwinkelgradient senkrecht zur Bildgebungsebene
verwendet wird, der dazu führt, dass Spins, die weiter
in das Volumen hineingeflossen sind, einen größer
werdenden Kippwinkel erfahren und damit zu mehr Signal beitragen,
um die abnehmende Magnetisierung in den Gefäßen
durch Sättigungseffekte zu reduzieren (siehe D.
Atkinson et al. in „Improved MR Angiography: Magnetization Transfer
Suppression with Variable Flip Angle Excitation and Increased Resolution" in
Radiology, 1994: Vol. 190, Seiten 890–894).
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Damit
kann zwar erreicht werden, dass das Signal in den Gefäßen über
das Volumen im Wesentlichen konstant bleibt, falls die Blutflussrichtung
senkrecht zur Bildgebungsebene ist. Falls das Gefäß jedoch
nicht senkrecht zur Bildgebungsebene verläuft, wird der
Kontrast der Gefäße relativ zur ruhenden Umgebung
wie oben erwähnt durch Sättigungseffekte verringert.
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Daher
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Angiographiebildgebung
mit Hilfe der Time-of-Flight-Technik Gefäße verbessert
darstellen zu können, die nicht senkrecht zur Bildgebungsebene
verlaufen.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche
gelöst. In den abhängigen Ansprüchen
sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Anregung der
Magnetisierung bei der Erstellung von MR-Angiographiebildern mit der
Time-of-Flight-Technik bereitgestellt. In einem Schritt des Verfahrens
wird eine Schichtebene bestimmt, in der die Magnetisierung für
die Erstellung der MR-Angiographie angeregt werden soll. Weiterhin
wird die Lage eines Gefäßes in der Schichtebene bestimmt
und die Magnetisierung wird in der Schichtebene derart angeregt,
dass die Magnetisierung bei dem Gefäß einen Kippwinkelgradient
in Richtung des Gefäßes aufweist. Erfindungsgemäß wird
lokal ein Kippwinkelgradient entlang eines beliebig orientierten
Gefäßes erzeugt, wobei dieser Gradient nicht notwendigerweise
senkrecht auf der Schichtebene stehen muss. Für jedes darzustellende
Gefäß kann ein anderer Kippwinkelgradient definiert
werden, der diesem Gefäß folgt.
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Der
Kippwinkelgradient kann beispielsweise dadurch erreicht werden,
dass HF-Pulse, die räumlich selektiv sind, gleichzeitig
mit Magnetfeldgradienten verwendet werden. Durch die Schaltung dieser Pulse
und der Magnetfeldgradienten kann eine räumliche Modulation
der erzeugten Transversalmagnetisierung erreicht werden, wobei diese
in Abhängigkeit von der Lage der Gefäße
eingestellt wird. Für jeden Bildpunkt bzw. für
jedes Voxel des Bildgebungsvolumens kann ein Zielkippwinkel definiert
werden. Diese Zielkippwinkel der Magnetisierung können
so eingestellt werden, dass sich ein Kippwinkelgradient in jede
beliebige Gefäßrichtung ergibt.
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Um
die räumliche Modulation der transversalen Magnetisierung
in einem vertretbaren Zeitaufwand zu erreichen, wird vorzugsweise
zur Erzeugung der HF-Pulse ein System mit mehreren HF- Sendern verwendet,
die gleichzeitig HF-Pulse aussenden, um mit der Schaltung der Magnetfeldgradienten
den Kippwinkelgradienten in Richtung des Gefäßes
zu erreichen.
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Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung kann ein Untersuchungsbereich
im Untersuchungsobjekt identifiziert werden, in dem die Schichtebene
liegt, von der die MR-Angiographiebilder erzeugt werden sollen.
Mit der Identifizierung des Untersuchungsbereichs kann dann auf
die Lage des Gefäßes in der Bildebene geschlossen
werden. Beispielsweise kann zumindest ein anatomisches Merkmal in
dem Untersuchungsobjekt identifiziert werden, das mit repräsentativen
Anatomiedaten verglichen wird, deren Gefäßverlauf
bekannt ist. Durch den Vergleich des anatomischen Merkmals mit den
repräsentativen Anatomiedaten kann dann auf die Lage des
Gefäßes in der Bildebene geschlossen werden. Hierbei
kann die Identifizierung der Lage unabhängig von dem Untersuchungsobjekt
erfolgen, wobei dieses Verfahren darauf beruht, dass, wenn die untersuchte
Körperregion bzw. das untersuchte Körperteil bekannt
ist, die Vorzugsrichtungen der Gefäße in diesem
Körperteil bekannt sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann das Untersuchungsobjekt
berücksichtigt werden, wobei beispielsweise aus dem Vergleich
des anatomischen Merkmals und der repräsentativen Anatomiedaten die Änderung
des anatomischen Merkmal gegenüber den repräsentativen
Anatomiedaten berücksichtigt wird. Diese Änderungen
können dann bei der Bestimmung der Lage des Gefäßes
verwendet werden. Beispielsweise kann bei der Anwendung des Verfahrens im
Kopf die Kopfform einer Untersuchungsperson mit einer repräsentativen
Kopfform mit bekannter Gefäßstruktur verglichen
werden. Ist der Kopf der untersuchten Person größer
oder kleiner oder hat er eine andere Form, so kann diese Änderung
berücksichtigt werden, um auf die Lage des Gefäßes
zu schließen.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Magnetresonanzanlage zur Erstellung
der MR-Angiographiebilder mit der TOF-Technik, wobei eine Aufnahmeeinheit
mit einer HF-Einheit vorgesehen ist, die mit Einstrahlung von HF-Pulsen
die Magnetisierung anregt und für die Schaltung der Magnetfeldgradienten zuständig
ist. Weiterhin ist eine Schichtbestimmungseinheit zur Bestimmung
einer Schichtebene, in der die Magnetisierung angeregt werden soll,
vorgesehen. Die MR-Anlage weist weiterhin eine Einheit zur Bestimmung
der Lage eines Gefäßes in der Schichtebene auf,
wobei eine Steuereinheit die Anregung der Magnetisierung in der
Schichtebene durch die Aufnahmeeinheit derart steuert, dass die
Magnetisierung in der Schichtebene bei dem Gefäß einen
Kippwinkelgradient in Richtung des Gefäßes aufweist. Um
die Lage des Gefäßes in der Schichtebene bestimmen
zu können, kann beispielsweise eine Einheit zum Identifizieren
eines Untersuchungsbereichs im Untersuchungsobjekt vorgesehen sein,
in der die Schichtebene liegt. Ebenso ist eine Speichereinheit zur
Speicherung von repräsentativen Anatomiedaten vorgesehen.
Die Einheit zur Bestimmung der Lage des Gefäßes
kann dann mit Hilfe des identifzierten Untersuchungsbereichs und
mit Hilfe der repräsentativen Anatomiedaten auf die Lage
der Gefäße schließen.
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Wie
oben erwähnt, ist vorzugsweise die HF-Einheit derart ausgebildet,
dass sie mehrere HF-Sender aufweist, die zur Erzeugung des Kippwinkelgradienten
in Richtung des Gefäßes gleichzeitig HF-Pulse
aussenden kann.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt
eine MR-Anlage, mit der ein Kippwinkelgradient in Richtung eines
Gefäßes erzeugt werden kann,
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2 zeigt
beispielshaft die Lage eines Gefäßes mit den verschiedenen
Schichtebenen und den zu erzeugenden Kippwinkelgradienten, und
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3 zeigt
ein Flussdiagramm mit den Schritten zur Erzeugung eines Kippwinkelgradienten in
Richtung eines Gefäßes.
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In 1 ist
eine MR-Anlage 10 gezeigt, die einen Magneten 11 zur
Erzeugung eines Polarisationsfeldes B0 aufweist.
Eine auf einer Liege 12 angeordnete Untersuchungsperson
wird in das Isozentrum des Magneten 11 gefahren, um dort
MR-Bilder aufzunehmen. Wie durch Einstrahlen von HF-Pulsen und durch
Schaltung von Magnetfeldgradienten MR-Bilder der Untersuchungsperson
erstellt werden können, ist dem Fachmann bekannt und wird
hier nicht näher erläutert. Die MR-Anlage weist
weiterhin einen Steuerrechner 13 auf, mit dem die MR-Anlage gesteuert
werden kann. Der Steuerrechner 13 weist eine Aufnahmeeinheit 14 oder
Bildsequenzsteuerungseinheit auf, welche mehrere HF-Sendeeinheiten
zum Einstrahlen von gleichzeitigen HF-Pulsen aufweist. Weiterhin
weist die Aufnahmeeinheit 14 eine Gradientensteuerung auf
zur Schaltung der zeitlich begrenzten Magnetfeldgradienten in Verbindung mit
den HF-Pulsen. Eine Bedienperson kann von der Untersuchungsperson 13 Übersichtsbilder
aufnehmen und auf einem Bildschirm 15 anzeigen. Die Bedienperson
kann dann das Volumen, in dem die TOF-MR-Angiographiemessung durchgeführt
werden soll, bestimmen, beispielsweise durch Positionieren des Volumens
auf dem aufgenommenen Übersichtsbildern. Hierzu kann beispielsweise
eine Eingabeeinheit 16 vorgesehen sein. Eine Schichtbestimmungseinheit 17 bestimmt
die Schichtebene, in der die Magnetisierung für die Erstellung
der MR-Angiographiebilder angeregt werden soll, beispielsweise durch
Lokalisieren des Volumens, das auf den Übersichtsbildern
eingestellt wurde relativ zum MR-System. Weiterhin ist eine Einheit
zur Bestimmung der Lage der Gefäße 18 in
den einzelnen Schichtebenen vorgesehen, welche die Lage der darzustellenden
Gefäße bestimmt.
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Wie
weiter unten im Detail erläutert werden wird, ist hierfür
eine Speichereinheit 19 vorgesehen, welche beispielsweise
repräsentative Anatomiedaten speichert und mit deren Hilfe
die Einheit 18 die Lage der Gefäße in
dem Untersuchungsvolumen bestimmen kann. Eine Steuereinheit 20 steuert
dann die Anregung der Magnetisierung in der Aufnahmeeinheit 14 derart, dass
die Magnetisierung in der Schichtebene bei dem Gefäß einen
Kippwinkelgradient in Richtung des Gefäßes aufweist.
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Die
in 1 dargestellten Einheiten sind als funktionale
Einheiten dargestellt, können jedoch auch kombiniert werden
zu anderen Einheiten. Ebenso kann die Aufteilung in Einheiten anders
als dargestellt erfolgen, oder sie kann als Software in einem Prozessor
implementiert sein.
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Weiterhin
ist eine Einheit zum Identifizieren des untersuchten Bereichs vorgesehen,
welche erkennt, welcher anatomische Bereich aufgenommen wird. Diese
Einheit kann beispielsweise in der Steuereinheit 20 ausgebildet
sein und durch Segmentieren von Übersichtsbildern, auf
denen die MR-Angiographiemessung geplant wird, erkennen, wo im Körper
der Untersuchungsperson die Angiographiemessung durchgeführt
werden soll.
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In 2 ist
schematisch das Zielvolumen D dargestellt, von dem Angiographieaufnahmen
erzeugt werden sollen. In dem Zielvolumen liegt ein Blutgefäß 21,
durch welches Blut in Flussrichtung F fließt. Das Zielvolumen
wird in mehreren Schichtebenen 22 aufgenommen, die beispielsweise
die Dicke d haben können.
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Bei
der Time-of-Flight-MR-Angiographie werden Gradientenechos mit kurzen
Repetitionszeiten TR aufgenommen. Durch die wiederholte Einstrahlung
der HF-Pulse für die Gradientenechos erreicht das stationäre
Gewebe um das Gefäß 21 herum einen Sättigungsgrad
und liefert zum späteren MR-Angiographiebild nur wenig
Signalbeitrag. Die in das Blutgefäß 21 einfließenden
Spins von außerhalb des Volumens bringen ungesättigte
Spins in das Volumen, wodurch bei der Signalauslese die Spins im Blutgefäß ein
höheres Signal als die Spins im stationären Gewebe
aufweisen. Um nun zu verhindern, dass die schon im Zielvolumen enthaltenen
Spins bei ihrem weiteren Fluss weniger Signal im MR-Angiographiebild
haben, kann, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, ein Magnetfeldgradient
senk recht zur Bild- bzw. Schichtebene eingeführt werden, bei
dem der Kippwinkel der Magnetisierung in Pfeilrichtung G1 zunimmt. Falls jedoch wie in 2 gezeigt
das Blutgefäß 21 einen größeren
Anteil in Richtung parallel zur Schichtebene aufweist, so haben
die Spins mit Flusskomponente parallel zur Schichtebene den gleichen
Sättigungseffekt wie die stationären Spins außerhalb
des Gefäßes, wodurch die Signalintensitätsdifferenz
zum umliegenden Gewebe abnimmt.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird nun die Lage des Gefäßes
in jeder einzelnen Schichtebene und damit im Gesamtvolumen bestimmt.
Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Vorzugsrichtung
der Gefäße in den verschiedenen Körperbereichen
im Wesentlichen bekannt ist. Wenn nun der untersuchte Körperbereich
bekannt ist, so können vorgefertigte bestehende repräsentative
Anatomiedaten verwendet werden, um zu identifizieren, wie die Lage
des Gefäßes in der einzelnen Schichtebene bzw.
im Gesamtvolumen sein wird. Diese repräsentativen Anatomiedaten
können beispielsweise in Form eines Atlases vorliegen,
bei dem für die verschiedenen Körperbereiche die
typische Gefäßstruktur vorgegeben ist. Die Lage
des untersuchten Volumens bzw. der einzelnen Schichtebenen kann
beispielsweise mit Hilfe der Übersichtsaufnahmen bestimmt
werden, wobei beispielsweise durch automatische oder semiautomatische
Segmentierungsalgorithmen die Anatomie des untersuchten Objekts
erkannt werden kann, womit die repräsentative Gefäßlage
aus dem Atlas bestimmt werden kann. In einer verbesserten Ausführungsform
kann die detektierte Anatomie der Untersuchungsperson mit der Standardanatomie
in den Atlanten verglichen werden, wobei dann die aus den Atlanten
bekannte repräsentative Lage der Gefäße
an die bestehende Anatomie der Untersuchungsperson angepasst werden
kann.
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Wenn
nun der Gefäßverlauf in den einzelnen Schichtebenen
bekannt ist, können dann das HF-System und die Magnetfeldgradienten
so gesteuert werden, dass die Kippwinkel der Magnetisierung bei
der Erzeugung der Gradientenechos einen Gradienten haben, der dem
Blutgefäßverlauf folgt. Bei dem in 2 dargestellten
Beispiel würde dies bedeuten, dass zwischen den Positionen 23 und 24,
wo das Blutgefäß die Richtung ändert,
der Kippwinkelgradient so gesteuert wird, dass die angeregten Spins
einen Kippwinkelgradient in Richtung des Gefäßverlaufs
haben, wie durch den Pfeil G2 schematisch
dargestellt ist. Bei Position 24 des Gefäßes
erfolgt eine weitere Richtungsänderung, so dass der Kippwinkel bei
diesen Volumenpunkten im Gefäß und um das Gefäß herum
derart eingestellt werden müsste, dass der Kippwinkelgradient
in Richtung G3 verläuft.
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In 3 sind
die Schritte zusammengefasst, die zur Erzeugung der Kippwinkelgradienten
in Abhängigkeit der Gefäßlage durchgeführt
werden. Nach dem Start des Verfahrens in Schritt 31 werden
in Schritt 32 die Schichtebene bzw. die Schichtebenen bestimmt,
in denen die MR-Angiographiedaten aufgenommen werden sollen. In
einem Schritt 33 wird anschließend die Lage des
Gefäßes in dem untersuchten Volumen bzw. die Lage
der Gefäße in dem untersuchten Volumen bestimmt.
Wie im Zusammenhang mit 2 erwähnt, kann die
Bestimmung der Lage der Gefäße anhand anatomischer
Merkmale, die im Vorfeld der Angiographiemessung ermittelt wurden,
festgestellt werden. Schließlich können in einem
Schritt 34 der Kippwinkelgradient für die verschiedenen
Bereiche der Schichtebene und des gesamten Volumens bestimmt werden.
In einem Schritt 35 werden dann die HF-Pulse und die Magnetfeldgradienten
derart eingestrahlt, dass die in Schritt 34 bestimmten
Kippwinkelgradienten bei der Magnetisierung erreicht werden können.
In nicht gezeigten Schritten kann dann die TOF-MR-Angiographie weiter
durchgeführt werden, wie es aus dem Stand der Technik bekannt
ist. Das Verfahren zur Steuerung des Kippwinkelgradienten endet
in Schritt 36.
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Wie
aus der obigen Beschreibung zu erkennen ist, kann der optimale lokale
Gradient während der eigentlichen MR-Angiographiemessung
bestimmt werden. Hierbei ist es möglich, dass verschiedene
lokale Kippwinkelgradienten verwendet werden, ohne dass es notwendig
ist, das gesamte MR-Angiographiebild aufzunehmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - D. Atkinson
et al. in „Improved MR Angiography: Magnetization Transfer
Suppression with Variable Flip Angle Excitation and Increased Resolution” in Radiology,
1994: Vol. 190, Seiten 890–894 [0005]