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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Magnetresonanzgerät
und ein Computerprogramm zur Erstellung von Bildern mittels paralleler
Akquisitionstechnik.
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Parallele
Akquisitionstechniken (engl. „parallel acquisition techniques”-PAT)
ermöglichen es in der Magnetresonanztomographie (MRT) während
einer Datenakquisition, einer Messung, den räumlichen Frequenzraum,
den so genannten k-Raum unterabzutasten, das heißt, die
nach dem Nyquist-Theorem erforderliche Dichte der gemessenen Datenpunkte
bzw. Datenzeilen zu unterschreiten, und während der Bildrekonstruktion
die fehlenden Datenpunkte, zumeist ganze Datenzeilen, näherungsweise zu
berechnen bzw. direkt im zugehörigen Bildraum die aus der
Unterabtastung resultierenden Aliasing-Artefakte zu unterdrücken.
Somit kann die Messzeit, die zur Akquisition der Rohdaten aufgewandt
werden muss, deutlich reduziert werden. Des Weiteren lassen sich
mithilfe der parallelen Akquisitionstechniken typische Artefakte
die bei speziellen Anwendungen bzw. Sequenztechniken auftreten teilweise
drastisch reduzieren. Voraussetzung, um parallele Akquisitionstechniken
anwenden zu können, sind mehrere Empfangsspulen und die
Kenntnis über die räumlichen Empfindlichkeiten
der bei der Akquisition der Rohdaten verwendeten Empfangsspulen, man
spricht auch von einer Kenntnis der Spulensensitivitäten.
Die Spulensensitivitäten können aus so genannten
Spulenkalibrierungsdaten näherungsweise berechnet werden.
Die Spulenkalibrierungsdaten werden in der Regel zusätzlich
gemessen. Die durch die Unterabtastung fehlenden Rauminformationen der
Messdaten werden dann mithilfe der Spulenkalibrierungsdaten, bzw.
mit Hilfe der aus den Spulenkalibrierungsdaten berechneten Spulensensitivitäten der
Empfangsspulen ausgeglichen. Dabei werden die fehlenden Datenpunkte
entweder mit Hilfe der Spulenkalibrierungsdaten, bzw. mit Hilfe
der aus den Spulenkalibrierungsda ten berechneten Spulensensitivitäten
der Empfangsspulen sowie der gemessenen Datenpunkte (Messdaten)
substituiert, oder die aus der Unterabtastung resultierenden Aliasing-Artefakte werden
direkt im Bildraum mit Hilfe der Spulensensitivitäten unterdrückt.
In beiden Fällen spricht man hierbei von einer PAT-Rekonstruktion.
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Dabei
hängen die Spulensensitivitäten der Empfangsspulen
unter anderem von der Orientierung der Empfangsspulen auf dem Untersuchungsobjekt,
z. B. einem Patienten, und der jeweiligen Last im Feld, also von
Eigenschaften des Untersuchungsobjekts am Ort der Empfangsspule,
ab. Deshalb müssen die Spulensensitivitäten zumindest
für jedes Untersuchungsobjekt neu bestimmt werden. Auch während
einer Messung kann die Empfindlichkeit der Empfangsspulen durch
Bewegungen, insbesondere makroskopische Bewegungen, des Untersuchungsobjekts,
z. B. Atembewegungen oder andere Bewegungen eines Patienten, beeinflusst
werden. Daher werden die Spulenkalibrierungsdaten idealer Weise für
jede Messung neu und zeitlich eng benachbart mit den Messdaten akquiriert.
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Verschiedene
Methoden zur Messung der Spulenkalibrierungsdaten bzw. zur Bestimmung
der Spulensensitivitäten von Empfangsspulen für
parallele Akquisitionstechniken sind beispielsweise in dem Artikel
von M. Griswold et al. „Autocalibrated coil sensitivity
estimation for parallel Imaging", M; R Biomed. 2006; 19:
316–324, beschrieben.
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Allerdings
sind die bekannten Methoden zur Bestimmung von Spulenkalibrierungsdaten
nicht für jede Sequenztechnik für die Datenakquisition
geeignet und/oder sind unerwünscht zeitaufwendig.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren, ein Magnetresonanzgerät
und ein Computerprogramm anzugeben, die eine bewegungsunempfindliche
und schnelle Akquisition von Spulenkalibrierungsdaten für
parallele Akquisitionstechniken (PAT) ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren gemäß Anspruch 1, ein Magnetresonanzgerät
gemäß Anspruch 14 und ein Computerprogramm gemäß Anspruch
15.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren zur Erstellung von
Bildern mittels paralleler Akquisitionstechnik umfasst die Schritte:
- – Erzeugen eines ersten Echozuges
nach einem ersten Anregungspuls, wobei der erste Echozug ein Segment
eines für eine Akquisition von Spulenkalibrierungsdaten
abzutastenden k-Raums hinreichend dicht abtastet,
- – Akquirieren von Spulenkalibrierungsdaten mittels
des ersten Echozuges nach dem ersten Anregungspuls,
- – Speichern der akquirierten Spulenkalibrierungsdaten
in einem Spulenkalibrierungsdatensatz,
- – Erzeugen eines zweiten Echozuges nach einem zweiten
Anregungspuls, wobei der zweite Echozug ein Segment eines für
eine Akquisition von Bilddaten abzutastenden k-Raums unterabtastet,
- – Akquirieren von Bilddaten mittels des zweiten Echozuges
nach dem zweiten Anregungspuls,
- – Speichern der akquirierten Bilddaten in einem unvollständigen
Bilddatensatz,
- – Erzeugen eines Bilddatensatzes durch Substituieren
von durch die Unterabtastung fehlender Daten in dem unvollständigen
Bilddatensatz mittels einer ausgewählten PAT-Rekonstruktionstechnik unter
Verwendung des Spulenkalibrierungsdatensatzes,
wobei der
erste und der zweite Echozug durch eine gleiche Sequenztechnik derart
erzeugt werden, dass jeder Echozug eine Folge von Echos umfasst,
wobei ein zeitlicher Abstand der Echos einer Folge des ersten Echozuges
kürzer ist als ein zeitlicher Abstand der Echos einer Folge
des zweiten Echozuges.
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Der
Erfindung liegen folgende Erkenntnisse zugrunde.
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Eine
besonders häufig bei sich ändernden Messbedingungen
eingesetzte, an sich bekannte Methode zur Bestimmung von Spulenkalibrierungsdaten
ist die sogenannte Autokalibrierungstechnik. Bei dieser wird ein
Teil des k-Raums, meist der innere, zentrale Bereich, vollständig
(man spricht auch von „dicht”) entsprechend dem
bereits genannten Nyquist-Theorem, abgetastet, während
der Rest des k-Raums, entsprechend meist der periphere Bereich, unterabgetastet
wird. Aus dem vollständig abgetasteten Bereich werden direkt
die Spulenkalibrierungsdaten ermittelt, die zur Substitution der
unterabgetasteten Bereiche benötigt werden. Somit werden
die entsprechenden Spulenkalibrierungsdaten während jeder
Messung direkt bestimmt. Ein weiterer Vorteil der Autokalibrierungstechnik
besteht darin, dass die dicht abgetasteten Bereiche keiner Substitution
bedürfen und damit das Signal-Rausch-Verhältnis (engl. „signal
to noise ratio”, SNR) in den akquirierten Daten gegenüber
vollständig unterabgetasteter Daten, verbessert ist.
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Allerdings
ist die Autokalibrierungstechnik nicht für alle Sequenztechniken
geeignet, insbesondere nicht für Echoplanar-Sequenzen (EPI-Sequenzen).
Wendet man diese Autokalibrierungstechnik beispielsweise bei einer
single-shot-Echoplanar-Sequenz (engl. „single shot echo
planar imaging”, single shot EPI) an, so akquiriert man
in einem einzigen Echozug die Spulenkalibrierungsdaten und auch
die gewünschten Messdaten, zumeist Bilddaten. Dies ist möglich,
indem man das Moment des Phasenkodiergradienten (bei EPI auch mit „Slip” bezeichnet),
der zwischen der Akquisition zweier benachbarter Zeilen geschalten
wird, während des Echozugs variiert. Beispielsweise ist
das Moment des Phasenkodiergradienten in dem unterabgetasteten Bereich,
z. B. zwischen zwei peripheren Zeilen, die zu Beginn und am Ende
des Echozuges akquiriert werden, um einen Faktor A höher
als zwischen zwei Zeilen in dem dicht abgetasteten Bereich, z. B.
zwischen zwei zentralen Zeilen. A ist dabei der sogenannte Beschleunigungsfaktor.
Diese Variation in der Geschwindigkeit, mit der der k-Raum entlang
der Phasenkodierrichtung während des Echozuges durchlaufen
wird, führt zu Verschmierungsartefakten, die die Qualität
der ge wonnenen Daten unbefriedigend machen. Daher wird die Autokalibrierungstechnik
trotz ihrer Schnelligkeit und Bewegungsunempfindlichkeit nicht für
diese Sequenztechniken, wie single shot EPI, eingesetzt.
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Eine
andere an sich bekannte Methode, die in Verbindung mit EPI eingesetzt
wird, ist die Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten separiert
von den weiteren gewünschten Messdaten nach einem oder mehreren
separaten Anregungspulsen, beispielsweise im Zuge eines sogenannten „Prescans”.
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Werden
die Spulenkalibrierungsdaten dabei nach einer einzigen Anregung
im „Prescan” ausgelesen, hat der Phasenkodiergradient
zwischen zwei benachbarten Zeilen eines EPI Echozugs, der zur Akquisition
der Bilddaten eingesetzt wird, das A-fache Moment des Phasenkodiergradienten
zwischen zwei Zeilen eines Echozugs, der zur Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten
eingesetzt wird. Entsprechend ist die Geschwindigkeit entlang der
Phasenkodierrichtung während eines bildgebenden Echozugs um
den Faktor A höher als während eines Echozugs zur
Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten. Wie bereits oben erwähnt,
hängt die Geschwindigkeit entlang der Phasenkodierrichtung
mit Verzerrungs- bzw. Verschmierungsartefakten zusammen. Somit kommt es
zu unterschiedlichen Verzerrungen zwischen den gewonnenen Bilddaten
und den aus den Spulenkalibrierungsdaten bestimmbaren Spulensensitivitäten. Dies
kann negative Auswirkungen auf die PAT-Rekonstruktion haben. Des
Weiteren ist hier der T
2*-Zerfall zwischen
zwei benachbarten gemessenen Zeiten der Bilddaten proportional zu
während der T
2*-Zerfall zwischen entsprechenden Zeilen
im Spulenkalibrierungsdatensatz proportional zu
ist. Dabei ist ES der zeitliche
Echoabstand (engl. „echo spacing”, ES), also die
Zeit zwischen der Akquisition unmittelbar aufeinander folgender
Phasenkodierzeilen. Auch dies wirkt sich Negativ auf die PAT-Rekonstruktion
aus.
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Diese
beiden genannten Probleme bei dem „Prescan”-Verfahren
könnten gelöst werden, wenn die „Prescans” segmentiert,
also nach mehreren separaten Anregungen gemessen, werden. Dabei
werden die Spulenkalibrierungsdaten segmentiert unter Verwendung
von A Echozügen akquiriert. Das Moment des Phasenkodiergradient
zwischen zwei benachbarten Zeilen der A Echozüge zur Akquisition der
Spulenkalibrierungsdaten und das Moment des Phasenkodiergradienten
des bildgebenden Echozugs sind dann gleich. Damit ist auch die Geschwindigkeit
entlang der Phasenkodierrichtung und der T2*-Zerfall
zwischen benachbart gemessenen Zeilen gleich. Dabei wird ein Phasenkodier-Vophasier-Gradient
(engl. „prephasing gradient”) zu Beginn jedes der
A Echozüge zur Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten
jeweils so gewählt, dass die Daten der A Echozyklen zusammen
den k-Raum dicht abtasten. Diese segmentierte Methode hat jedoch
wieder als Nachteil gegenüber der Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten
nach einer einzigen Anregung, dass einerseits mehr Zeit für
die Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten benötigt wird
(A Echozüge statt ein einziger) und andererseits durch
die Segmentierung die Sensitivität der Messung gegenüber
Bewegungen, z. B. des Patienten, und andere physiologische Effekte,
wie z. B. Fluss, erhöht wird.
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Welche
Methode zur Bestimmung der Spulenkalibrierungsdaten eingesetzt hängt
bisher von vielen Faktoren ab, unter anderem von der eingesetzten
PAT-Rekonstruktionstechnik, z. B. GRAPPA (engl. „generalized
autocalibrating partially parallel acquisitions”), SMASH
(engl. „simultaneous acquisition of spatial harmonics”),
oder SENSE (engl. „SENSitivity Encoding”) und/oder
dem eingesetzten Beschleunigungsfaktor A.
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In
beiden Fällen der Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten
im Zuge von „Prescans” beträgt jedoch
der zeitliche Abstand zwischen der Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten
und der Bilddaten, bzw. gewünschten Messdaten, mindestens
eine Wiederholzeit TR der verwendeten Sequenz. Diese Wiederholzeit
TR liegt, z. B. bei diffusionsgewichteter Bildgebung bei bis zu
mehreren Sekunden. Dieser Zeitabstand ist insbesondere bei Messungen
an Untersuchungsobjekten, die sich in Zeitabständen der gleichen
Größenordnung bewegen, wie insbesondere Atembe wegungen,
Herzschlag oder Darmbewegungen bei einem Patienten, nicht vernachlässigbar, da
er zu Inkonsistenzen zwischen den akquirierten Spulenkalibrierungsdaten
und den mit Verzögerung akquirierten Bilddaten führt.
Diese Inkonsistenzen wirken sich wiederum negativ auf die Qualität
der parallelen Bildrekonstruktion aus, z. B. indem sie zu einer
unvollständigen Unterdrückung der aus der Unterabtastung
resultierenden Aliasing-Artefakte führen oder zu einer
Verschlechterung des SNR.
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Dies
trifft umso mehr bei Messungen zu, bei denen eine anatomische Schicht
mehrmals gemessen wird, z. B. mit dem eigentlichen Ziel das SNR
zu verbessern. Dies ist z. B. bei diffusionsgewichteter Bildgebung
jedoch die Regel, wobei nicht nur jede Schicht mehrmals, sondern
evtl. auch mit unterschiedlicher Ausrichtung und/oder Amplitude
eines angewandten Diffusionsgradienten, gemessen wird. Aus Gründen
der Effektivität, insbesondere im Bezug auf die nötige
Akquisitionszeit, werden bei diffusionsgewichteter Bildgebung die
Spulenkalibrierungsdaten bisher trotzdem meist nur einmal pro Schicht,
und dabei in der Regel mit ausgeschalteten Diffusionsgradienten,
akquiriert. Dadurch beträgt der zeitliche Abstand zwischen
Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten und der Bilddaten sogar
mehrere TR-Intervalle.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren werden der erste
und der zweite Echozug durch eine gleiche Sequenztechnik derart
erzeugt, dass jeder Echozug eine Folge von Echos umfasst, wobei
ein zeitlicher Abstand der Echos einer Folge des ersten Echozuges
kürzer ist als ein zeitlicher Abstand der Echos einer Folge
des zweiten Echozuges. Durch die Verkürzung des Echoabstands
des ersten Echozuges wird die Gesamtmessdauer der beiden Akquisitionen
verringert. Darüber hinaus wird gleichzeitig die Geschwindigkeit
entlang der Phasenkodierrichtung in den beiden Echozügen
einander angepasst und damit z. B. die bereits oben erwähnten
Verzerrungsartefakte in den jeweiligen Daten ebenso. Somit wird die
anschließende Substitution durch eine PAT-Rekonstruktionstechnik
nicht mehr negativ durch Inkonsistenzen in den jeweiligen Verzerrungen
beeinflusst.
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Ebenso
wird der T2*-Zerfall zwischen entsprechenden
k-Raumzeilen in dem Spulenkalibrierungsdatensatz und in dem Bilddatensatz
angepasst, wodurch die oben genannten Nachteile ebenfalls vermieden
werden, ohne dass, wie im Stand der Technik, die Messdauer verlängert
und die Empfindlichkeit gegenüber Bewegung und Fluss erhöht
werden müsste.
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Besonders
vorteilhaft wird der zeitliche Abstand der Echos einer Folge des
ersten Echozuges um einen Faktor A gegenüber dem zeitlichen
Abstand der Echos einer Folge des zweiten Echozuges verkürzt
und gleichzeitig ein Abstand von mittels des ersten Echozuges abgetasteten
Zeilen in dem Segment des für die Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten
dicht abgetasteten k-Raums um denselben Faktor A gegenüber
einem Abstand von mittels des zweiten Echozuges abgetasteten Zeilen
in dem Segment des für die Akquisition der Bilddaten unterabgetasteten
k-Raums verkürzt. Auf diese Weise werden die Anpassung
der Geschwindigkeit entlang der Phasenkodierrichtungen und die Anpassung
des T2*-Zerfalls optimiert.
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Vorteilhaft
wird der erste und der zweite Echozug durch eine Sequenztechnik
für echoplanare Bildgebung (EPI) erzeugt. Die echoplanare
Bildgebung zeichnet sich durch eine besonders schnelle Datenakquisition
aus und verkürzt somit die Akquisitionszeiten für
die jeweiligen Daten. Es ist jedoch auch denkbar z. B. eine Sequenztechnik
für Turbo-Spin-Echo (TSE) Bildgebung zu verwenden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der erste und der zweite Anregungspuls
ein und derselbe Anregungspuls. Somit kann durch die Akquisition
der Spulenkalibrierungsdaten und der Bilddaten nach einem gemeinsamen
Anregungspuls der zeitliche Abstand zwischen der Akquisition der
Spulenkalibrierungsdaten und der Bilddaten klein gehalten werden, insbesondere
kleiner als eine Wiederholungszeit TR der Datenmessung. Je nach
verwendeter Sequenztechnik und nach verwendeter Hardware, insbesondere
je nach Gradientensystem, kann der zeitliche Abstand zwischen der
Akquisition der Spulenkalibrierungs daten und der Akquisition der
Bilddaten auf einige Zehntel Millisekunden verkürzt werden,
wodurch er unterhalb der zeitlichen Größenordung
von typischen makroskopischen Bewegungen von Untersuchungsobjekten,
wie z. B. Atmung oder Herzschlag eines Patienten, liegt. Damit wird
eine robuste parallele Bildrekonstruktion unter typischen makroskopischen
Bewegungen des Untersuchungsobjekts möglich, ohne dass
die genannten Nachteile der bekannten Autokalibrierungstechniken
bei speziellen Sequenztechniken, wie Echoplanar-Sequenzen, auftreten.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird
eine Reihe von Anregungspulsen in das Untersuchungsobjekt eingestrahlt,
wobei nach jedem Anregungspuls je Spulenkalibrierungsdaten und Bilddaten
verschiedener Segmente des jeweils für die Akquisition
der Spulenkalibrierungsdaten bzw. für die Akquisition der
Bilddaten abzutastenden k-Raums akquiriert werden. Durch eine derartige segmentierte
Aufnahme mit mehren Anregungspulsen kann z. B. bei unveränderter
Echozuglänge die akquirierte Datenmenge, die superpositioniert
oder auch verglichen werden kann, erhöht werden, und somit
z. B. die Auflösung der berechneten Bilder verbessert werden.
Des Weiteren kann bei einer solchen, segmentierte Akquisition von
Spulenkalibrierungsdaten und Bilddaten die Geschwindigkeit, mit der
der k-Raum entlang der Phasenkodierrichtung während des
Echozuges durchlaufen wird, erhöht werden und damit z.
B. Verzerrungsartefakte reduziert werden.
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Vorteilhaft
werden in der eben genannten Ausführungsform der erste
und der zweite Echozug durch eine Sequenztechnik für echoplanare
Bildgebung (EPI) erzeugt, wobei die verschiedenen Segmente zueinander
rotiert sind. Eine bekannte Sequenztechnik hierfür ist
z. B. die sogenannte PROPELLER EPI. Eine PROPELLER Methode in Verbindung
mit paralleler Akquisitionstechnik ist z. B. in der
US 7,482,806 B2 beschrieben.
Allerdings ist diese wegen der dort auftretenden variablen Geschwindigkeiten
in Phasenkodierrichtung aus den oben genannten Gründen
nicht für EPI-Techniken geeignet.
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Die
parallele Rekonstruktion erfolgt bei PROPELLER Methoden individuell
für jedes Segment (auch Einzelblatt, engl. „blade”,
genannt) vor einer Superposition der Einzelblätter. Durch
Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit
einer PROPELLER EPI-Technik werden für jedes Segment des k-Raums,
das abgetastet wird, und damit für jede Ausrichtung des
Segments, passende Spulenkalibrierungsdaten akquiriert. Die Zeit,
die zur Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten benötigt
wird, kann die Echozeit, bei EPI-Sequenzen die Zeit zwischen Anregungspuls
und Akquisition der zentralen k-Raumzeile, verlängern.
Diese Verlängerung ist jedoch klein, da die Zeit zwischen
Anregungspuls und ersten Inversionspuls bei üblichen Sequenzen
in der Regel nicht voll genutzt wird, z. B. wegen einer gewünschten
Symmetrie des Diffusionsmoduls und einer Mindestzahl von Zeilen
die vor der zentralen k-Raumzeile akquiriert werden muss.
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Daher
ist das Verfahren trotz Akquisition passender Spulenkalibrierungsdaten
für jedes abgetastete Segment besonders zeiteffizient,
da Spulenkalibrierungsdaten und Bilddaten zwar mittels zweier Echozüge,
jedoch nach einem gemeinsamen Anregungspuls akquiriert werden können.
Dabei muss eine Messzeit für ein Einzelblatt trotz der
Erzeugung eines ersten und eines zweiten Echozug nach dem gemeinsamen
Anregungspuls nicht unbedingt verlängert werden, z. B.
wenn ansonsten ungenutzte Füllzeiten der Sequenz, die bei
manchen Sequenztechniken vorkommen, für die Akquisition
des zweiten Echozugs genutzt werden. Je nach verwendeter Sequenztechnik
ist aber unter Umständen eine Verlängerung der
Messzeit zwischen zwei Anregungspulsen nötig. Doch selbst
diese Verlängerung kann in der Regel vernachlässigt
werden gegenüber einer Verlängerung der Gesamtmesszeit,
wie sie bei separater Akquisition von Spulenkalibrierungsdaten und Bilddaten
entsteht.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden auf
Basis des Spulenkalibrierungsdatensatzes Artefakte in dem unvollständigen Bilddatensatz
und/oder in einem aus dem Bildda tensatz gewonnenen Bilddatensatz
korrigiert. Da die Spulenkalibrierungsdaten des Spulenkalibrierungsdatensatzes
mittels eines ein Segment des k-Raums vollständig abtastenden
Echozuges akquiriert wurden, können diese Daten z. B. zum
Vergleich von Ergebnissen der Rekonstruktion und/oder für
eine Mittelung von auf diese Weise einmal im Spulenkalibrierungsdatensatz
und einmal im ggf. bereits substituierten unvollständigen
Bilddatensatz vorhandenen Daten, herangezogen werden, wodurch z.
B. das SNR weiter erhöht werden kann.
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Ein
erfindungsgemäßes Magnetresonanzgerät
umfasst mehrere Empfangsspulen zum Empfang von Hochfrequenzsignalen
und eine Recheneinheit, die zur Durchführung eines oben
beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist.
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Ein
erfindungsgemäßes Computerprogramm implementiert
ein oben beschriebenes Verfahren auf einer Recheneinheit, die mit
einem Magnetresonanzgerät verbunden ist, wenn es auf der
Recheneinheit ausgeführt wird.
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Die
bezüglich des Verfahrens aufgeführten Vorteile
und Ausgestaltungen gelten für das Magnetresonanzgerät
und das Computerprogramm analog.
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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:
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1 einen
schematischen Aufbau eines Magnetresonanzgeräts,
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2 ein
schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
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3 ein
schematisches Sequenzdiagramm, mit dem ein erfindungsgemäßes
Verfahren durchführbar ist,
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4 u. 5 Beispiele
für Trajektorien im k-Raum, die bei einem erfindungsgemäßen
Verfahren abgetastet werden und
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6 ein
schematisches Ablaufdiagramm für eine prinzipielle PAT-Rekonstruktion.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau eines Magnetresonanzgeräts 1 mit
seinen wesentlichen Komponenten. Um einen Körper mittels
Magnet-Resonanz-Bildgebung zu untersuchen, werden verschiedene,
in ihrer zeitlichen und räumlichen Charakteristik genauestens
aufeinander abgestimmte Magnetfelder auf den Körper eingestrahlt.
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Ein
in einer hochfrequenztechnisch abgeschirmten Messkabine 3 angeordneter
starker Magnet, üblicherweise ein Kryomagnet 5 mit
einer tunnelförmigen Öffnung, erzeugt ein statisches
starkes Hauptmagnetfeld 7, das üblicherweise 0,2
Tesla bis 7 Tesla und mehr beträgt. Ein zu untersuchendes
Untersuchungsobjekt, z. B. ein Patient – hier nicht dargestellt – wird
auf einer Patientenliege 9 gelagert und im homogenen Bereich
des Hauptmagnetfeldes 7 positioniert.
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Die
Anregung der Kernspins in dem Untersuchungsobjekt erfolgt über
magnetische Hochfrequenz-Anregungspulse, die über mindestens
eine Hochfrequenzantenne, z. B. eine hier als Körperspule 13 dargestellte
Hochfrequenzantenne, eingestrahlt werden. Die Hochfrequenz-Anregungspulse
werden von einer Pulserzeugungseinheit 15 erzeugt, die
von einer Pulssequenz-Steuerungseinheit 17 gesteuert wird.
Nach einer Verstärkung durch einen Hochfrequenzverstärker 19 werden
sie zu der mindestens einen Hochfrequenzantenne geleitet. Das hier
gezeigte Hochfrequenzsystem ist lediglich schematisch angedeutet. Üblicherweise
werden mehr als eine Pulserzeugungseinheit 15, mehr als
ein Hochfrequenzverstärker 19 und mehrere Hochfrequenzantennen
in einem Magnetresonanzgerät 1 eingesetzt.
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Weiterhin
verfügt das Magnetresonanzgerät 1 über
Gradientenspulen 21, mit denen bei einer Messung magnetische
Gradientenfelder unter anderem zur selektiven Schichtanregung und
zur Ortskodierung des Messsignals eingestrahlt werden. Die Gradientenspulen 21 werden
von einer Gradientenspulen-Steuerungseinheit 23 gesteuert,
die ebenso wie die Pulserzeugungseinheit 15 mit der Pulssequenz-Steuerungseinheit 17 in
Verbindung steht.
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Die
von den angeregten Kernspins ausgesendeten Signale werden von der
Körperspule 13 und/oder von lokalen Empfangsspulen 25 empfangen,
durch zugeordnete Hochfrequenzvorverstärker 27 verstärkt
und von einer Empfangseinheit 29 weiterverarbeitet und
digitalisiert.
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Bei
einer Spule, die sowohl im Sende- als auch im Empfangsmodus betrieben
werden kann, wie z. B. die Körperspule 13, wird
die korrekte Signalweiterleitung durch eine vorgeschaltete Sende-Empfangs-Weiche 39 geregelt.
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Eine
Recheneinheit 37, die mit dem Magnetresonanzgerät
verbunden ist, verarbeitet die Messdaten. Insbesondere führt
die Recheneinheit 37 z. B. eine PAT-Rekonstruktion erhaltener
Messdaten durch, wobei die Recheneinheit 37 mit einer Speichereinheit 35 derart
verbunden ist, dass die Recheneinheit 37 Ergebnisse der
PAT-Rekonstruktion, sowie Zwischenergebnisse der Verarbeitung der
Messdaten, wie etwa (unvollständige) Bilddatensätze
oder Spulenkalibrierungsdatensätze auf der Speichereinheit 35 speichern
und auch wieder aufrufen kann. Weiterhin kann die Recheneinheit 37,
ggf. unter weiteren Verarbeitungsschritten, wie z. B. Korrekturen, Bilder
aus den Messdaten erzeugen, die über eine Bedienkonsole 33 einem
Anwender dargestellt oder in der Speichereinheit 35 gespeichert
werden können. Die Recheneinheit 37 steuert weiterhin
die einzelnen Anlagekomponenten, insbesondere während der
Aufnahme der Messdaten. Die Recheneinheit 37 ist dabei
so ausgebildet, dass mit ihnen das erfindungsgemäße
Verfahren durchgeführt werden kann. Dazu ist beispielsweise
ein erfindungsge mäßes Computerprogramm 40 ausführbar
auf der Recheneinheit 37 installiert, das ein erfindungsgemäßes
Verfahren auf der Recheneinheit 37 implementiert wenn es
auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
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Die
dargestellten Einheiten, wie insbesondere die Recheneinheit 37 und
die Speichereinheit 35 sind hierbei nicht nötigerweise
als eine physikalische Einheit zu verstehen, sondern können
sich auch aus mehreren Teileinheiten, die ggf. räumlich
getrennt angeordnet sind, zusammensetzten.
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2 zeigt
ein schematisches Ablaufdiagramm einer vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erstellung
von Bilddatensätzen mittels paralleler Akquisitionstechnik.
Dabei wird in einem ersten Schritt 101 ein Anregungspuls
in ein Untersuchungsobjekt eingestrahlt.
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Nach
dem Anregungspuls wird in einem weiteren Schritt 102 ein
erster Echozug erzeugt. Der erste Echozug tastet hierbei ein Segment
eines für eine Akquisition von Spulenkalibrierungsdaten
abzutastenden k-Raums dicht ab. Die durch den ersten Echozug erzeugten
Signale in dem Untersuchungsobjekt werden als Spulenkalibrierungsdaten 105 akquiriert
und in einem Spulenkalibrierungsdatensatz 107 gespeichert.
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Ebenfalls
nach dem Anregungspuls aus Schritt 101 wird in einem weiteren
Schritt 104 ein zweiter Echozug erzeugt. Hierbei wird durch
den zweiten Echozug ein Segment eines für eine Akquisition
von Bilddaten abzutastenden k-Raums unterabgetastet. Die durch den
zweiten Echozug erzeugten Signale in dem Untersuchungsobjekt werden
als Bilddaten 106 akquiriert und in einem unvollständigen
Bilddatensatz 108 gespeichert.
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Zwischen
dem ersten und dem zweiten Echozug können in einem Schritt 103 vorteilhaft
weitere Pulse oder spezielle Gradientenfelder zur Präparation
bestimmter Signale geschalten werden. Beispielsweise kann mindestens
ein Inversionspuls zur Refokusierung von Phasen verschiedener Spins
in dem Untersu chungsobjekt geschaltet werden. Es ist weiterhin möglich
in Schritt 102 mindestens einen Diffusionsgradienten zwischen
dem ersten und dem zweiten Echozug zu schalten. Somit können
z. B. diffusionsgewichtete Bilddaten akquiriert werden.
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In
einem letzten Schritt 109 wird aus dem unvollständigen
Bilddatensatz ein Bilddatensatz gewonnen, indem in dem unvollständigen
Bilddatensatz fehlende Daten unter Verwendung des Spulenkalibrierungsdatensatzes
mittels einer ausgewählten PAT-Rekonstruktionstechnik substituiert
werden. Mögliche PAT-Rekonstruktionstechniken sind beispielsweise
die bereits erwähnten GRAPPA, SENSE oder SMASH. Genaueres
zum möglichen Ablauf einer solchen Rekonstruktion wird
später in Verbindung mit 6 erläutert.
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Der
so gewonnene Bilddatensatz kann weiter verarbeitet, gespeichert
und/oder angezeigt werden, wie z. B. in Bezug auf 1 allgemein
angegeben.
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Die
Schritte 101 bis 104 werden gegebenenfalls für
mehrere Segmente des k-Raums wiederholt, wie in 2 durch
den gestrichelten Pfeil angedeutet wird. Somit wird eine Reihe von
Anregungspulsen in das Untersuchungsobjekt eingestrahlt, wobei nach jedem
Anregungspuls, also für jedes Segment, Spulenkalibrierungsdatensätze 107 und
unvollständige Bilddatensätze 108 gewonnen
werden, aus denen in Schritt 109 mittels der ausgewählten
PAT-Rekonstruktionstechnik mindestens ein Bilddatensatz erzeugt
wird. Werden nach jedem Anregungspuls sowohl Spulenkalibrierungsdaten
als auch Bilddaten mittels eines ersten und eines zweiten Echozuges akquiriert,
sind die Ergebnisse der PAT-Rekonstruktion besonders zuverlässig,
da die jeweiligen Spulenkalibrierungsdaten jeweils zeitnah zu den
entsprechenden Bilddaten gewonnen wurden. Somit wird eine Bewegungsempfindlichkeit
des Verfahrens reduziert. Unter Umständen ist es bereits
ausreichend, wenn nur nach einem, beispielsweise dem ersten, Anregungspuls
in der oben beschriebenen Art und Weise Spulenkalibrierungsdaten
und Bilddaten akquiriert werden und nach den restlichen Anregungspulsen
der Reihe nur noch Bilddaten. Dies erhöht unter Umständen
die Zeiteffizienz, verschlechtert aber die Bewegungsunempfindlichkeit
des Verfahrens.
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3 zeigt
ein schematisches Sequenzdiagramm am Beispiel einer für
echoplanare Bildgebung (EPI) geeigneten Basissequenz, mit dem ein
erfindungsgemäßes Verfahren vorteilhaft durchführbar ist.
Hierbei ist in herkömmlicher Weise die zeitliche Abfolge
von Hochfrequenzpulsen (Zeitstrahl „RF”, engl. „radio
frequency”), beispielhaften Schichtselektionsgradienten
(Zeitstrahl „GS”), gegebenenfalls
einzustrahlenden Diffusionsgradienten (Zeitstrahl „GD”), beispielhaften Phasenkodiergradienten
(Zeitstrahl „GP”), beispielhaften
Auslesegradienten (Zeitstrahl „GR”,
engl. „readout gradient”) und der Signalakquisition
(Zeitstrahl „ADC”) in Relation zueinander dargestellt.
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Vorteilhaft
wird nach einem Anregungspuls 201, z. B. ein 90°-Puls „90”,
mittels einer Folge von ersten Auslesegradienten 203 und
mittels einer Folge von ersten Phasenkodiergradienten 202 ein
erster Echozug 204 (Signal nicht explizit dargestellt)
erzeugt und akquiriert und nach demselben Anregungspuls 201 wird
ein zweiter Echozug 207 (Signal nicht explizit dargestellt)
mittels einer Folge von zweiten Auslesegradienten 206 und
mittels einer Folge von zweiten Phasenkodiergradienten 205 erzeugt und
akquiriert. Weniger zeiteffizient, aber auch denkbar ist eine Erzeugung
des ersten und des zweiten Echozuges nach je einem separaten Anregungspuls, der
jeweils auf die gleiche Schicht in dem Untersuchungsobjekt wirkt,
in getrennten Sequenzen (nicht dargestellt). Eine solche Sequenz
zur Erzeugung eines ersten Echozugs kann hierbei z. B. so gestaltet sein,
dass nach dem Anregungspuls ggf. Navigatorechos und anschließend
der erste Echozug erzeugt werden. Auch hier können ggf.
weiterhin Inversionspulse und/oder Diffusionsgradienten zwischen
dem Anregungspuls und der Erzeugung des ersten Echozugs geschaltet
werden. In diesem Fall können die Navigatorechos zeitlich
vor oder nach den ggf. geschalteten Inversionspulsen und Diffusionsgradienten
erzeugt werden. Die Erzeugung der Navigatorechos und des ersten
Echozugs kann hierbei ansonsten analog zu der in 3 dargestellten
Sequenz erfolgen. Eine solche Sequenz zur Erzeugung eines zweiten
Echozugs nach einem separaten Anregungspuls kann analog z. B. so
gestaltet sein, dass nach dem Anregungspuls ggf. Navigatorechos
und anschließend der zweite Echozug erzeugt werden. Auch
hier können ggf. weiterhin Inversionspulse und/oder Diffusionsgradienten
zwischen dem Anregungspuls und der Erzeugung des zweiten Echozugs geschaltet
werden. In diesem Fall können die Navigatorechos zeitlich
vor oder nach den ggf. geschalteten Inversionspulsen und Diffusionsgradienten
erzeugt werden. Die Erzeugung der Navigatorechos und des zweiten
Echozugs kann hierbei ansonsten analog zu der in 3 dargestellten
Sequenz erfolgen.
-
Die
durch das Auslesen akquirierten Daten können in beiden
Fällen (separate Anregungspulse oder ein gemeinsamer Anregungspuls)
jeweils wie oben beschrieben in entsprechenden Datensätzen gespeichert
werden, wobei aus dem ersten Echozug Spulenkalibrierungsdaten und
aus dem zweiten Echozug unvollständige Bilddaten gewonnen
werden. Die Folgen erster und zweiter Phasenkodiergradienten 202, 205 ist
in 3 jeweils als Folge sogenannter „Blips” dargestellt.
-
Dabei
tastet der erste Echozug 204 den k-Raum hinreichend ab,
während der zweite Echozug 207 den k-Raum unterabtastet.
Eine hinreichend dichte Abtastung kann hierbei auch eine Überabtastung
nach dem Nyquist-Theorem sein, d. h. es können auch mehr
Datenpunkte als nach dem Nyquist-Theorem nötig gemessen
werden.
-
Zeitlich
zwischen dem ersten und dem zweiten Echozug 204 und 207 kann
mindestens ein Inversionspuls 208, z. B. ein 180°-Puls „180”,
geschaltet werden, und der zweite Echozug in einem Zeitfenster akquiriert
werden in dem auch der Peak eines Spin-Echos liegt, dass von dem
Anregungspuls 201 und dem mindestens einem Inversionspuls 208 erzeugt
wird. Dadurch können Artefakte in den Bildern z. B. in
Folge von Signalverlust in Regionen mit variierender magnetischer
Suszeptibilität oder in Folge von Inhomogenitäten
des Magnetfeldes reduziert werden, insbesondere dann, wenn die zentralen k-Raum
Zeilen des unvollständigen Bilddatensatzes in der unmittelbaren
Nähe des Spin-Echoes akquiriert werden.
-
Weiterhin
kann zwischen dem ersten und dem zweiten Echozug 204 und 207 mindestens
ein Diffusionsradient 209 geschalten werden, um mittels des
zweiten, in diesem Fall zeitlich nach dem Diffusionsgradienten 209 erzeugten,
Echozugs, diffusionsgewichtete Bilddaten zu gewinnen. Dabei ist
es für die Signalqualität wiederum von Vorteil
zwischen die Diffusionsgradienten 209 einen oder mehrere
Inversionspulse 208 zu schalten. Werden die Spulenkalibrierungsdaten 204 auf
diese Weise vor dem Diffusionsgradienten 209 gewonnen,
unterliegen sie nicht der durch den Diffusionsgradienten 209 erzeugten Diffusionswichtung.
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Ein
zeitlicher Abstand zwischen Akquisition der Spulenkalibrierungsdaten
und der Bilddaten also ein zeitlicher Abstand zwischen dem ersten
und dem zweiten Echozug liegt hierbei in der Größenordnung von
einigen Zehntel Millisekunden. Ein aktueller Wert des zeitlichen
Abstands hängt dabei von der gewünschten maximalen
Diffusionswichtung der akquirierten Bilder ab, die in der Regel
als b-Wert (engl. „b-value”) spezifiziert wird.
Die Zeit die benötigt wird um eine spezifizierte maximale
Diffusionswichtung zu erzielen, hängt wiederum von dem
Gradientensystem der Anlage ab, insbesondere der maximalen Gradientenamplitude.
Die maximale Gradientenamplitude von klinischen MR-Tomographen liegt
heutzutage oberhalb von 10 mT/m und die maximale gewünschte
Diffusionswichtung in der Regel um b = 1000 s/mm2.
Unter diesen Vorraussetzungen ist der zeitliche Abstand der beiden
Echozüge in der Regel deutlich unter 100 ms. Die untere
Grenze des zeitlichen Abstandes der beiden Echozüge, bei
kleiner maximalen Diffusionswichtung (b~50 s/mm2)
oder ohne Diffusionsgradient, ist durch die Dauer des ersten Echozuges
und die Dauer des Inversionspulses begrenzt. Sie kann mit 5 ms angegeben
werden. Der zeitliche Abstand liegt also im Bereich zwischen 5 ms und
100 ms und ist damit deutlich kürzer als die typischen
Zeitkonstanten des menschlichen Herzzyklus (~ eine Sekunde) und
der menschlichen Atmung (3–10 Sekunden). Somit ist eine
besonders geringe Bewegungsempfindlichkeit der Sequenz gegeben.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn mit dem ersten Echozug zusätzlich
Navigatorechos 210, und mit dem zweiten Echozug zusätzlich
Navigatorechos 211 erzeugt werden, die unter Auslesegradienten
der Folge 203 bzw. 206 akquiriert und jeweils
als Navigatordaten speichert werden. Während der Akquisition der
Navigatordaten aus den Navigatorechos 210 bzw. 211 ist
das akkumulierte Gardientenmoment in Phasenkodierrichtung gleich
Null. Dies erreicht man z. B. indem man die Navigatordaten zu Beginn
des jeweiligen Echozuges akquiriert, indem man den Phasenkodier-Vorphasiergradient 202.1 bzw. 205.1 erst
nach der Akquisition der jeweiligen Navigatordaten schaltet und
indem man zwischen den Navigatorechos keine Phasenkodiergradienten 202 bzw. 205 schaltet.
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Die
akquirierten Navigatordaten können zur Korrektur von Phasendifferenzen
zwischen geraden und ungeraden Echos des jeweilig zugehörigen Echozuges 204, 207 herangezogen
werden. Derartige Phasendifferenzen können z. B. entstehen
durch nicht optimal austarierte Gradientenmomente, und führen
ohne Korrektur zu Artefakten, etwa zu sogenannten Nyquist-Geistern
oder N/2-Geistern.
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In
dem in 3 dargestellten Beispiel werden jeweils die drei
ersten Echoes als Navigatorechos 210, 211 erzeugt,
unter den jeweils ersten Auslesegradienten der Folge 203, 206 akquiriert
und jeweils als Navigatordaten gespeichert. Das jeweils vierte Echo
wird nicht akquiriert, da parallel zu diesem, ein Phasenkodier-Vorphasiergradient 202.1, 205.1 geschaltet
wird. Die jeweils folgenden Echos bilden den ersten bzw. zweiten
Echozug im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Nach dem Phasenkodier-Vorphasiergradienten 202.1, 205.1,
und nach einer Folge von Phasenkodier-Blip-Gradienten 202, 205 wird
vor teilhaft je einen Phasenkodier-Rephasiergradienten 202.2, 205.2 geschaltet,
dessen Moment derart gewählt wird, dass das akkumulierte Moment
des Phasenkodier-Vorphasiergradient 202.1 bzw. 205.1,
aller Phasenkodier-Blip-Gradienten der Folge 202 bzw. 205 und
des Phasenkodier-Rephasiergradienten 202.2 bzw. 205.2 jewieils
gleich Null ist.
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Dabei
ist ein Echoabstand ES1, also ein zeitlicher Abstand zwischen Echos
und damit die Zeit zwischen der Akquisition unmittelbar aufeinander
folgender Phasenkodierzeilen, des ersten Echozugs 202 kürzer
als ein zeitlicher Abstand (Echoabstand) ES2 zwischen Echos des
zweiten Echozuges. Insbesondere gilt z. B. ES2 = A·ES1,
wobei A der Beschleunigungsfaktor ist. Besonders vorteilhaft ist gleichzeitig
das Moment eines Phasenkodiergradienten der zweiten Folge von Phasenkodiergradienten 205 gleich
dem A-fachen Moment eines Phasenkodiergradienten der Folge 202 zu
wählen. Damit erreicht man, dass ein Abstand d1 im k-Raum
(siehe auch 4) zweier während aufeinanderfolgender Echos
des ersten Echozug akquirierter k-Raumzeilen um den Beschleunigungsfaktor
A kürzer ist, als ein Abstand d2 im k-Raum (siehe 4)
zweier während aufeinanderfolgender Echos des zweiten Echozug akquirierter
k-Raumzeilen, sodass zusätzlich gilt: d2 = A·d1.
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Auf
diese Weise werden die Anpassung der Geschwindigkeit entlang der
Phasenkodierrichtungen und die Anpassung des T2*-Zerfalls
optimiert. Es ist aber auch denkbar, das für die Echoabstände
und die Abstände gilt:
ES2 = A'·ES1 und d2
= A·d1, mit A' < A.
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D.
h. das Echoabstand ES1 im ersten Echozug um weniger als den Beschleunigungsfaktor
A gegenüber dem Echoabstand ES2 im zweiten Echozug verkürzt
wird.
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Mögliche
aus einem solchermaßen erzeugten ersten und zweiten Echozug
resultierende k-Raumtrajektorien sind beispielhaft in den 4 und 5 dargestellt.
Dabei entspricht die gestri chelte k-Raumtrajektorie 301, 301' dem
ersten Echozug und die gepunktete k-Raumtrajektorie 302, 302' dem
zweiten Echozug, wobei in den Darstellungen der 4 und 5 ein
Beschleunigungsfaktor A = 2 angesetzt wurde. Somit ist der Abstand
zwischen zwei benachbarten Zeilen, die während des ersten Echozugs
abgetastet werden um die Hälfte kleiner als der Abstand
zwischen zwei benachbarten Zeilen, die während des zweiten
Echozugs abgetastet werden. Wie bereits oben erwähnt, ist
dabei idealer Weise der Echoabstand des ersten Echozugs um den bereits
genannten Beschleunigungsfaktor A kürzer als der Echoabstand
des zweiten Echozugs. Dafür nimmt man in Kauf, dass die
Distanz, die die k-Raumtrajektorie 301 entlang der Ausleserichtung,
z. B. kx in 4, während
eines Echos durchschreiten, kürzer ist als die Distanz
die die k-Raumtrajektorie 302 entlang der Ausleserichtung,
z. B. kx in 4, während eines
Echos durchschreitet.
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Vorteilhaft
umfasst das Segment des k-Raums, das von dem zweiten Echozug abgetastet wird
das Segment des k-Raums, das von dem ersten Echozug abgetastet wird.
Insbesondere, wenn auf diese Weise bestimmte k-Raumpunkte sowohl
mit dem ersten als auch mit dem zweiten Echozug abgetastet werden,
und daher sowohl in dem Spulenkalibrierungsdatensatz als auch in
dem unvollständigen Bilddatensatz gespeichert sind, können
weiter vorteilhaft auf Basis des Spulenkalibrierungsdatensatzes
Artefakte in dem unvollständigen Bilddatensatz und/oder
in einem aus dem unvollständigen Bilddatensatz gewonnenen
Bilddatensatz korrigiert werden.
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5 unterscheidet
sich von 4 dadurch, dass die k-Raumtrajektorien 301' und 302' gegenüber
den k-Raumtrajektorien 301 und 302 aus 4 um
einen Winkel α im k-Raum rotiert wurden, wie es z. B. bei
PROPELLER-Sequenzen üblich ist. Es wird hier also ein anderes
Segment des k-Raums als in 4 abgetastet.
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Derartige
k-Raumtrajektorien 301, 301', 302, 302' werden
in Verbindung mit PROPELLER-Sequenzen wegen ihrer Form auch als „Propeller(einzel)blatt” (engl. „blade”)
bezeichnet. Die Abtastung verschiedener Propellerblätter
geschieht hierbei, z. B. wie bereits in Bezug auf 2 beschrieben,
nach je einem Anregungspuls. Dabei wird die in 3 dargestellte
Basissequenz zur Akquisition der kompletten Daten, also aller gewünschter
Segmente des k-Raums, für jedes Segment wiederholt, wobei
die Richtung des Propellerblattes, und damit die Richtung der angewandten
Phasenkodiergradenten und Auslesegradienten, variiert. Für
die Akquisition eines kompletten PROPELLER-Datensatzes wird hierbei die
Richtung des Propellerblattes sukzessive um das k-Raum-Zentrum gedreht,
bis alle Segmente zusammen einen kreisförmigen Bereich
um das k-Raum-Zentrum abdecken.
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Auch,
wenn keine PROPELLER-Sequenz angewandt werden soll, kann die in 3 dargestellte
Basissequenz in der beschriebenen Weise wiederholt werden, wobei
z. B. das Moment und/oder die Richtung gegebenenfalls angewandter
Diffusionsgradienten variiert wird, um unterschiedlich diffusionsgewichtete
Bilddaten zu erhalten.
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Unter
diffusionsgewichteter (engl. „diffusion weight”,
DW) Bildgebung versteht man Magnetresonanz-Bildgebungstechniken
(MRT), die Diffusionseigenschaften des untersuchten Gewebes aufzeigen. Unter
Diffusion versteht man die Brown'sche Bewegung von Molekülen
in einem Medium. In der MRT führt die Diffusion der Wassermoleküle
beim Anlegen eines Gradientenfeldes zu einer Phasen-Dispersion der
Quermagnetisierung, die zu einer Abschwächung des akquirierten
Signals führt. Das Ausmaß der Signalabschwächung
hängt einerseits von der Dauer und Amplitude des Gradientenfeldes
und andererseits von der Art des Gewebes und seiner Mikrostruktur
ab.
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Die
starken Gradientenfelder, die bei der diffusionsgewichteten Bildgebung
eingesetzt werden, machen die Techniken extrem empfindlich auf makroskopische
Bewegungen, z. B. Patientenbewegungen, während der Diffusionspräparation,
also während des Schaltens von Diffusionsgradienten. Häufig bezeichnet
man die RF-Pulse und Gradienten der Basissequenz die primär
der Diffusionspräparation der Quermagnetisierung dienen
auch als Diffusionsmodul und die restlichen Gradienten und gegebenenfalls
RF-Pulse die primär zur Erzeugung eines Echozugs dienen
als Auslesemodul. Um Artefakte durch derartige makroskopische Bewegungen
während der Diffusionspräparation zu vermeiden,
können besonders schnelle Bildakquisitionstechniken eingesetzt werden.
Unter besonders schnelle Akquisitionstechniken zählen beispielsweise
single shot EPI-Techniken, die es erlauben ein komplettes Bild nach
einem einzigen Anregungspuls und Diffusionsmoduls zu akquirieren.
Oftmals bei üblichen single shot EPI-Techniken auftretende
Artefakte wie z. B. Verzerrungen an Suszeptibilitätsgrenzen,
können durch das oben beschriebene Verfahren vermieden
oder stark reduziert werden, da die Geschwindigkeit mit der der
k-Raum entlang der Phasenkodierrichtung durchlaufen wird durch die
Unterabtastung während des zweiten Echozuges erhöht
wird. Gleichzeitig wird wie bereits oben beschrieben, eine Bewegungsempfindlichkeit des
Verfahrens nicht wie bei üblichen PAT-Verfahren erhöht.
Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere
für Diffusionsbildgebung mit EPI-Techniken geeignet.
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In
Versuchen konnte durch Einsatz des erfindungsgemäßen
Verfahrens eine deutliche Verbesserung der Bildqualität
von diffusionsgewichteten Bildern des Gehirns einer Probandin, die
mit einer short-axis PROPELLER EPI-Sequenz aufgenommen wurden, gegenüber
einer konventionellen short-axis PROPELLER EPI ohne erfindungsgemäße
Maßnahmen, nachgewiesen werden. Dabei wurden z. B. folgende
bildgebende Parameter gewählt: Beschleunigungsfaktor A
= 2; Matrixgröße: 256; FOV („field-of-view”):
230 mm; TR = 3000 ms; TE = 73 ms; Schichtdicke: 4 mm; Diffusionswichtung,
isotrop b = 1000 s/mm2; Ausleselänge
64; 16 PROPELLER-Blätter pro Bild; Echozuglänge:
88 ms; Echoabstand für den bildgebenden Echozug: ES2 =
500 μs; Echoabstand für den Echozug mit dem Spulenkalibrierungsdaten
akquiriert wurden: ES1 = 250 μs.
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Bei
DW Bildgebung in Verbindung mit PROPELLER-Aufnahmetechniken ist
es denkbar, dass nur jeweils für jede Ausrichtung der Propellerblätter, also
der Segmente, Spulenkalibrierungsdaten akquiriert werden, z. B.
bei geringstem Diffusionsgradienten, die bei späteren Akquisitionen
von Bilddaten mit derselben Ausrichtung aber anderem Diffusionsgradienten
für die Substitution herangezogen werden. Dadurch wird
zwar die Zeiteffizienz des Verfahrens in der Regel weiter erhöht,
allerdings muss mit Einbußen bei der Bewegungsempfindlichkeit
gerechnet werden.
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Alternativ
zu EPI-Techniken kann das erste und das zweite Echozug auch ansonsten
analog durch eine Sequenztechnik für Turbo-Spin-Echo (TSE)
Bildgebung erzeugt werden.
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In 6 ist
schematisch ein Ablaufdiagramm für die Durchführung
einer prinzipiellen PAT-Rekonstruktion dargestellt, wie sie in Schritt 109 aus 2 eingesetzt
werden kann.
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Hierbei
werden ein dicht bzw. hinreichend abgetasteter Spulenkalibrierungsdatensatz 401,
beispielsweise der Spulenkalibrierungsdatensatz 107 aus 2,
und ein unterabgetasteter und damit unvollständiger Bilddatensatz 404,
beispielsweise der unvollständige Bilddatensatz 108 aus 2 vorteilhaft
zunächst für die Substitution vorbereitet (Schritte 402 und 405).
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Eine
Vorbereitung 402 des Spulenkalibrierungsdatensatzes 401 und/oder
eine Vorbereitung 405 des unvollständigen Bilddatensatzes 404 kann jeweils
insbesondere ein Spiegeln 402.1, 405.1 jeder zweiten
k-Raumzeile am Ursprung in Ausleserichtung umfassen, wenn die Richtung
der zugehörigen k-Raumtrajektorie(n), wie bei einer EPI-k-Raumtrajektorie,
in Ausleserichtung (kx-Richtung in 4)
in aufeinanderfolgenden Echos alterniert. Somit werden die Daten
sozusagen „ausgerichtet” was die weitere Verarbeitung
erleichtert.
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Weiterhin
kann die Vorbereitung 402 des Spulenkalibrierungsdatensatzes 401 und/oder
die Vorbereitung 405 des unvollständigen Bilddatensatzes 404 eine
Interpolation 402.2, 405.2 auf ein kartesisches
Gitter umfassen (engl. „readout regridding”). Hierbei
wird ein möglicherweise durch nichtideale Auslesegradienten
variierender Abstand im k-Raum zwischen mit konstantem zeitlichen
Abstand akquirierten Datenpunkten ausgeglichen. Danach sind die einzelnen
Datenpunkte auf einem Kartesischen Gitter angeordnet, was die weitern
Verarbeitungsschritte in der Regel drastisch vereinfacht. Insbesondere können
damit besonders effiziente Algorithmen wie die schnelle Fourier-Transformation
eingesetzt werden. Derartige nichtideale Auslesegradienten entstehen
beispielsweise bei EPI-Sequenzen, wenn die Datenakquisition vor
dem Erreichen eines Plateaus eines trapezförmigen Auslesegradienten
startet. Eine solche, auch „ramp sampling” genannte
Datenakquisiton wird z. B. wegen der dadurch möglichen
Minimierung des zeitlichen Echoabstands der EPI-Sequenz eingesetzt.
Ein kurzer zeitlicher Echoabstand erhöht wiederum die Geschwindigkeit
mit der die k-Raumtrajektorie entlang der Phasenkodierrichtung durchlaufen
wird.
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Sind
auch dem Spulenkalibrierungsdatensatz 401 und/oder dem
unvollständigen Bilddatensatz 404 zugehörige
Navigatordaten vorhanden, z. B. durch eine Akquisition von Navigatordaten
wie sie in der in Bezug auf 3 beschriebenen
Basissequenz erfolgen kann, ist es weiterhin möglich, dass
die Vorbereitung 402 des Spulenkalibrierungsdatensatzes 401 und/oder
die Vorbereitung 405 des unvollständigen Bilddatensatzes 404 eine
Korrektur 402.3, 405.3 von Phaseninkonsistenzen
zwischen geraden und ungeraden Echos eines Echozugs mittels dem
der Spulenkalibrierungsdatensatz 401 bzw. eines Echozuges
mittels dem der unvollständigen Bilddatensatz 402 gewonnen
wurde, umfasst. Aus den Navigatordaten können die genannten
Phaseninkonsistenzen erkannt und auch für die folgenden
Echos des Echozuges korrigiert werden. Dadurch können z.
B. Nyquist-Geister-Artefakte in Bildern die aus dem Spulenkalibrierungs datensatz 401 bzw.
dem unvollständigen Bilddatensatz 402 berechnet
werden vermieden bzw. zumindest reduziert werden.
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Die
Reihenfolge, in der die genannten Vorbereitungsschritte 402.1, 402.2, 402.3 und 405.1, 405.2, 405.3,
wenn sie denn alle in der jeweiligen Vorbereitung 402 bzw. 405 umfasst
sind, in 6 dargestellt sind, ist hierbei
nur beispielhaft.
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Aus
dem gegebenenfalls vorbereiteten hinreichend abgetasteten Spulenkalibrierungsdatensatz werden
in einem nächsten Schritt 403 beispielsweise Faktoren
berechnet, mittels derer in einem weiteren Schritt 406 die
in dem unterabgetasteten unvollständigen Bilddatensatz
fehlenden Daten substituiert werden.
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Dies
wird im Folgenden am Beispiel einer GRAPPA PAT-Rekonstruktion näher
erläutert.
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In
GRAPPA wird das Signal s
i(k →) jedes fehlenden,
weil durch die Unterabtastung nicht abgetasteten, k-Raum-Punktes k → als
Linearkombination der diesem Punkt k → benachbarten gemessenen, also
abgetasteten Punkte dargestellt:
mit i = 1, ..., N
C und
als lineare Faktoren (sogenannte „GRAPPA weights”),
wobei die erste Summe die Empfangsspulen zählt, also N
C gleich der Anzahl der beteiligten Empfangsspulen
des Magnetresonanzgeräts, die zweite Summe alle in einer
Nachbarschaft
von k → gemessenen Datenpunkten
zählt und s
j(q →) das gemessene Signal
der Empfangsspule j am Abtastpunkt q → darstellt. Bei kartesischer
Abtastung sind hierbei die linearen Faktoren unabhängig
von k → = (k
x, k
y)
und können daher aus jenen Daten des Spulenkalibrierungsdatensatzes
berechnet werden, für die die s
i(k →)-Werte
auf der linken Seite des obigen Gleichungssystems bekannt sind.
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Es
werden somit bei GRAPPA in Schritt
403 z. B. durch eine
Pseudo-Inversion des obigen Gleichungssystems die Faktoren
für die Substitution
berechnet. Anschließend werden in Schritt
406 die
in dem unvollständigen Bilddatensatz fehlenden Daten durch
Einsetzten der berechneten Faktoren
in das obige Gleichungssystem
berechnet.
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Anstelle
von GRAPPA kann auch ein anderes bekanntes PAT-Rekonstruktionsverfahren
eingesetzt werden, z. B. SMASH oder SENSE.
-
Es
wird somit in Schritt 406 der unterabgetastete und damit
unvollständige Bilddatensatz 404 mittels der in
Schritt 403 berechneten Daten ergänzt, und gegebenenfalls
weiteren, von der für die Datenakquisition verwendeten
Sequenztechnik abhängigen, bekannten Korrekturen und/oder
Verarbeitungsschritten unterzogen, um einen Bilddatensatz 407 zu erhalten.
Wurde für die Datenakquisition des unvollständigen
Bilddatensatzes z. B. eine single shot EPI-Sequenztechnik verwendet,
kann als weiterer Verarbeitungsschritt bereits eine zweidimensionale diskrete
Fourier-Transformtion genügen, um den Bilddatensatz zu
erhalten. Weitere Korrekturen können z. B. auf Basis des
Spulenkalibrierungsdatensatzes durchgeführt werden, indem
beispielsweise ein Vergleich von Signalen von k-Raumpunkten, die
sowohl in dem Spulenkalibrierungsdatensatz 401 als auch
in dem unvollständigen Bilddatensatz 404 abgetastet
wurden, durch geführt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - M. Griswold
et al. „Autocalibrated coil sensitivity estimation for
parallel Imaging”, M; R Biomed. 2006; 19: 316–324 [0004]