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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur von insbesondere durch Gradientenspulen hervorgerufenen Störsignalen in einem Magnetresonanzgerät bei der Bestimmung eines Zeitpunkts, insbesondere der R-Zacke, im Herzzyklus eines Patienten sowie ein zugehöriges Magnetresonanzgerät.
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In der medizinischen Bildgebung ist es, insbesondere bei Aufnahmen im Herzbereich, bekannt, zur besseren Vergleichbarkeit einzelner Bilder die Aufnahmen auf einen bestimmten Zeitpunkt im Herzzyklus zu triggern. Auch bei der Magnetresonanz ist es häufig notwendig, eine solche Herztriggerung („cardiac gating”) vorzunehmen, wenn Reihen zu vergleichender Bilder aufgenommen werden. Häufig wird dabei ein Elektrokardiogramm gemessen, wobei dann auf die gut detektierbare R-Zacke durch eine entsprechende Triggereinrichtung getriggert wird. Allerdings ist die Aufnahme von Elektrokardiogrammen im Rahmen der Magnetresonanz mit einigen Nachteilen verbunden, da neben den in einer Magnetresonanzeinrichtung vorkommenden zeitlich veränderlichen Magnetfeldern, insbesondere den Gradientenfeldern, auch weitere Effekte hinzukommen, die die Bewertung eines herkömmlich aufgenommenen Elektrokardiogramms erschweren. So tritt beispielsweise durch die Atmung eine Bewegung der Elektroden im Grundmagnetfeld auf und, da Blut letztlich einen bewegten Leiter darstellt, wird die T-Welle aufgrund des Blutausstoßes des Herzens häufig überhöht gemessen.
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Bezüglich anderer Bildaufnahmemethoden, insbesondere radiologischer Bildgebung und Röntgenbildgebung, wurde in der
US 4,546,777 vorgeschlagen, Herzgeräusche mittels eines an einem Patienten angeordneten Schallaufnehmers zu messen, wobei innerhalb eines Herzzyklus zwei verschiedene Herzgeräusche auftreten. Dort ist nun ein Verfahren offenbart, mit dem es möglich ist, diese beiden Herzgeräusche voneinander zu unterscheiden und allein auf Basis der mit dem Schallaufnehmer aufgenommenen Signale Triggersignale für die oben genannten Bildgebungsverfahren herzuleiten.
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Eine Anwendung im Bereich der Magnetresonanz ist jedoch nicht ohne Weiteres möglich, da während der Messung in einem Magnetresonanzgerät eine sehr laute Lärmkulisse besteht, so dass eine Schallmessung am Herzen von diesem Lärm enorm gestört wird, wobei eine Erkennung der R-Zacke – deren Beziehung zu den zwei gemessenen Herzgeräuschen bekannt ist – wegen der Lärminterferenz entweder drastisch gestört ist oder gar nicht mehr stattfinden kann. Für die hohe Lautstärke und die veränderlichen Hintergrundgeräusche sind hauptsächlich die Gradientenspulen verantwortlich.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Störeinflüsse auf die Schallmessung bei der Aufnahme von Herzgeräuschen mittels eines an einem Patienten angeordneten Schallaufnehmers so korrigiert werden können, dass aus den Herzgeräuschen verlässlich ein Zeitpunkt des Herzzyklus, insbesondere ein Triggersignal, hergeleitet werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Korrektur von insbesondere durch Gradientenspulen hervorgerufenen Störsignalen in einem Magnetresonanzgerät bei der Bestimmung eines Zeitpunkts, insbesondere der R-Zacke, im Herzzyklus eines Patienten durch eine Aufnahme von Herzgeräuschen mittels eines an dem Patienten angeordneten Schallaufnehmers vorgesehen, wobei von einem durch den Schallaufnehmer gemessenen Rohsignal ein insbesondere die Störgeräusche der Gradientenspulen beschreibendes, berechnetes und/oder vorab gemessenes Störsignal abgezogen wird.
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Es wird demnach ein Verfahren geschaffen, mit dem die Anwendung eines Schallaufnehmers für Herzgeräusche auch im Rahmen der Magnetresonanzbildgebung ermöglicht wird, indem ein berechnetes und/oder vorab gemessenes Störsignal von dem durch den Schallaufnehmer gemessenen Rohsignal abgezogen wird, so dass ein korrigiertes Herzsignal entsteht, welches zur Bestimmung des Zeitpunkts im Herzzyklus weiter ausgewertet werden kann, beispielsweise wie aus der
US 4,546,777 bekannt. Das Störsignal gibt also insbesondere den veränderlichen Anteil des Schallhintergrunds in einem Magnetresonanzgerät während einer Magnetresonanzmessung bzw. wenigstens eine gute Abschätzung davon an, wobei insbesondere die Gradientenspulen für die veränderlichen Geräuschhintergründe verantwortlich sind. Selbstverständlich ist es aber auch denkbar, dass das Störsignal auch weitere auftretende Lärmeffekte umfasst, welche nicht nur durch den Ablauf der zur Magnetresonanzmessung benötigten Pulssequenz ausgelöst werden, sondern auch auf andere Quellen zurückzuführen sein können.
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Die Erfindung ermöglicht es mithin, die Erkennung eines Zeitpunktes im Elektrokardiogramm bzw. im Herzzyklus, beispielsweise die Erkennung der R-Zacke, mittels Schallaufnehmern auch während einer Magnetresonanzmessung trotz Schallinterferenz durchzuführen. Somit ist eine bessere und genauere Triggerung der Bildaufnahme möglich, resultierend entsteht auch eine bessere Bildqualität bei Aufnahmen am Herz.
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Wie bereits erwähnt, sind die Gradientenspulen eine hauptsächliche Ursache für störende und bei der Messung interferierende Geräusche im Magnetresonanzgerät. Daher kann das Störsignal vorteilhafterweise die Störgeräusche der Gradientenspulen beschreiben, wobei insbesondere die Impulsantworten, also die entstehende Interferenz im Herz-Schallaufnehmer aufgrund der Gradientenansteuerung, geschätzt, gemessen oder adaptiv bestimmt werden können, so dass während der Magnetresonanzbildgebung anhand der Betriebsparameter der Gradientenspulen die Interferenz im Herz-Rohsignal abgeschätzt und von dem Rohsignal abgezogen werden kann. Dadurch wird die Schallinterferenz im Herz-Rohsignal deutlich reduziert und eine Detektion des Zeitpunkts, insbesondere der R-Zacke, wird bedeutend erleichtert.
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Konkret kann hierzu vorgesehen sein, dass das Störsignal rechnerisch in insbesondere linearer Abhängigkeit von den angelegten Gradientenströmen ermittelt wird. Es werden mithin die angelegten Gradientenströme – insbesondere in einer linearen Abhängigkeit – mit Koeffizienten multipliziert. Dabei kann vorgesehen sein, dass zur Ermittlung des Störsignals für jede Gradientenspule eine insbesondere gemessene, die Einkopplungscharakteristik der Gradientenspule in den Schallaufnehmer beschreibende Impulsantwort mit dem an der Gradientenspule angelegten Strom gefaltet wird. In diesem Fall ist der Koeffizient also die Impulsantwort, die wiedergibt, welche Schallinterferenz bei einem Einheitsstrom an der entsprechenden Gradientenspule entsteht. Ein derartiger Koeffizient kann beispielsweise gemessen werden, wie im Folgenden noch näher darlegt werden soll.
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Vorzugsweise kann das Störsignal unter Berücksichtigung von im Rahmen einer Kalibrierungsmessung aufgenommenen Messdaten ermittelt werden. Es wird also vorab eine Messung durchgeführt, welche entweder unmittelbar das Störsignal bestimmen kann oder aber zu dessen Berechnung verwendet werden kann. Während grundsätzlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch Simulationen oder theoretische Berechnungen zur Ermittlung des Störsignals denkbar wären, stellt doch eine Kalibrierungsmessung eine besonders realitätsnahe und einfach zu erhaltende Informationsquelle über die Art des Störsignals dar, so dass eine qualitativ hochwertige Korrektur erreicht wird.
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So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass vor Beginn der Bildaufnahme mit dem Magnetresonanzgerät bei positioniertem Patienten und Schallaufnehmer die Gradientenspulen insbesondere einzeln mit einem vorgegebenen Strom und/oder Stromverlauf angesteuert werden und die Messdaten während dieser Bestromung aufgenommen werden. Es wird also die Einkopplung der Schallinterferenz für bestimmte Betriebsparameter, hier die angelegten Ströme, der Gradientenspulen abgetastet, so dass durch insbesondere wenige Messungen eine Datenbasis geschaffen wird, die für sämtliche folgenden Bildaufnahmen zur Korrektur des Rohsignals zugrunde gelegt werden kann. Vorteilhafterweise wird dabei mit bereits auf dem Patienten angeordnetem Schallaufnehmer gemessen, so dass dessen Eigenschaften bezüglich der Schalleinkopplung gleich mitberücksichtigt werden können. Selbstverständlich ist es auch denkbar, die später zur Aufnahme genutzte wenigstens eine Pulsfolge vorab zur Ansteuerung des Magnetresonanzgerätes zu nutzen, so dass die gewonnen Messdaten unmittelbar oder nach einer Nachverarbeitung als abzuziehendes Störsignal verwendet werden können.
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Bei Kalibrierungsmessungen am Patienten ist jedoch allgemein zu beachten, dass der später zu messende Herzschlag bereits vorhanden ist. Daher kann mit besonderem Vorteil erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass insbesondere bei einer Messung am Patienten Messdaten wiederholt und unter gleichen Betriebsparametern des Magnetresonanzgeräts, insbesondere gleichen Strömen in den Gradientenspulen, aufgenommen und gemittelt werden. Auf diese Weise ist es letztlich möglich, dass bei der Kalibrierungsmessung störende akustische Signal des Herzens zu unterdrücken, indem es einfach herausgemittelt wird. So ist eine Messung am Patienten insbesondere bereits in der Position, in der auch die Schallsignale des Herzens gemessen werden sollen, problemlos möglich, so dass eine hervorragende Korrektur erreicht werden kann.
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Es ist jedoch auch denkbar, dass im Rahmen der Kalibrationsmessung unter Verwendung eines mit dem Schallaufnehmer versehenen Phantoms Messdaten aufgenommen werden. Dabei können in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Messdaten des Phantoms zu einer magnetresonanzgerätspezifischen Vorabkorrektur verwendet werden, während die Feinkalibrierung durch Messungen am aufzunehmenden Patienten erfolgt. Es ist also denkbar, zunächst allgemein für das Magnetresonanzgerät erste Messdaten einer Kalibrierungsmessung an einem Phantom, beispielsweise einer Nachbildung eines Patienten, vorzunehmen, woraus Korrekturgrößen ermittelt werden, die in jedem Fall von dem Rohsignal des Schallaufnehmers abgezogen werden. Das so vorabkorrigierte Rohsignal wird dann durch das im Rahmen der Kalibrierungsmessung am konkreten Patienten ermittelte Störsignal korrigiert, welches nun vorteilhafterweise in einer ähnlichen Größenordnung wie das Schallsignal des Herzens selber liegt. Dieses aus der Feinkalibrierung gewonnene Störsignal wird demnach von dem vorab korrigierten Rohsignal abgezogen, um letztlich ein korrigiertes Herzsignal zu erhalten, welches dann bezüglich des wenigstens einen Zeitpunktes im Herzzyklus ausgewertet und beispielsweise zur Ermittlung eines Triggersignals verwendet werden kann.
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Wie bereits erwähnt, kann mit besonderem Vorteil aus den Messdaten wenigstens eine Impulsantwort ermittelt werden. So bestimmte Impulsantworten können dann beispielsweise bei der Ermittlung des Störsignals unter Berücksichtigung der Gradientenströme verwendet werden. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine Sprungantwort gemessen wird, um daraus eine als Antwort auf einen Dirac-Puls definierte Impulsantwort zu ermitteln, es sind jedoch auch andere Verfahren denkbar.
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Neben dem Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Magnetresonanzgerät, umfassend eine Triggereinrichtung mit einem Schallaufnehmer zur Aufnahme von Herzgeräuschen eines Patienten und einer Steuereinrichtung, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Sämtliche bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens genannten Ausgestaltungen lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Magnetresonanzgerät übertragen.
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Auf diese Weise wird ein Magnetresonanzgerät geschaffen, bei dem eine Bildaufnahme trotz der hohen Schallinterferenzen aufgrund eines durch einen am Patienten angeordneten Schallaufnehmer aufgenommenen, erfindungsgemäß korrigierten Herzsignals getriggert werden. Die zusätzliche Elektronik bedingenden, interferenzanfälligen EKG-Messeinrichtungen sind somit nicht mehr erforderlich.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden dargestellten Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
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2 ein erfindungsgemäßes Magnetresonanzgerät.
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Das durch den Ablaufplan in 1 näher erläuterte erfindungsgemäße Verfahren dient letztlich dazu, einen Zeitpunkt im Herzzyklus zu bestimmen, aus dem dann beispielsweise ein Triggersignal abgeleitet werden soll.
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Dafür soll trotz des enormen Lärmhintergrundes in einem Magnetresonanzgerät ein Schallaufnehmer verwendet werden, der an einem Patienten im Bereich des Herzens angeordnet wird, um die Herzgeräusche enthaltende Rohsignale aufzunehmen. Ohne eine Korrektur liegt jedoch eine große Schallinterferenz vor, die hauptsächlich von den Gradientenspulen des Magnetresonanzgeräts herrührt. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens geht es darum, ein möglichst einfach zu realisierendes Verfahren anzugeben, um die Schalleinkopplung durch die Gradientenspulen am konkreten Patienten zu korrigieren.
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Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, nachdem der Schallaufnehmer in seiner korrekten Position am Herzen des Patienten angeordnet und der Patient in der Patientenaufnahme platziert wurde, vor der Bildaufnahme zunächst im Rahmen einer Kalibrierungsmessung Messdaten aufzunehmen, Schritt 1. Dazu werden vorliegend die einzelnen Gradientenspulen des Magnetresonanzgeräts zeitlich versetzt jeweils mit bestimmten Strömen angesteuert, die im Folgenden als Referenzströme dienen, also insbesondere Einheitsströme darstellen. Das Signal des Schallaufnehmers wird für jede Spule ausgelesen, so dass drei Sätze von Messdaten entstehen, die letztlich die Impulsantwort wiedergeben, also die erzeugte Schallinterferenz in dem Schallaufnehmer bei Anlegen des Stroms an die jeweilige Gradientenspule. Um das schon vorhandene, durch die Herzgeräusche entstehende Herzsignal des Patienten zu beseitigen, werden, wie durch den Pfeil 2 angedeutet, mehrere Messungen vorgenommen, die dann gemittelt werden, um dann für jede Gradientenspule eine Impulsantwort Ui(t) zu ermitteln, die die eigentlichen Herzgeräusche nicht mehr enthält. t soll hierbei, wie auch im Folgenden, die Zeitabhängigkeit symbolisieren.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens grundsätzlich auch eine magnetresonanzgerätspezifische Vorabkorrektur des von dem Schallaufnehmer aufgenommenen Rohsignals zu einem vorab korrigierten Rohsignal erfolgen kann, was in 1 jedoch nicht näher dargestellt ist. Dazu wird einmalig oder in verschiedenen, längeren Zeitabständen, der Schallaufnehmer auf einem Phantom angeordnet, welches beispielsweise einen Patienten nachstellen kann. Dann können ebenfalls Messdaten ermittelt werden, die zur Ermittlung einer Grobkorrektur bzw. Vorabkorrektur verwendet werden können. Bei dem konkreten Patienten ist dann lediglich noch eine Feinkalibrierung notwendig, so dass keine extremen Größenordnungsunterschiede mehr berücksichtigt werden müssen, wenn eine solche Ausführungsform verwendet wird.
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Ergebnis des Schrittes 1 sind mithin drei Impulsantworten Ui(t), welche in einem Schritt 3 des erfindungsgemäßen Verfahrens während der Bildaufnahme zur Korrektur des Rohsignals, gegebenenfalls des vorab korrigierten Rohsignals, verwendet werden können. Dazu wird zunächst ein Störsignal S(t) in Abhängigkeit der zur Magnetresonanzmessung genutzten, an die Gradientenspulen angelegten Ströme Ii(t) ermittelt, S(t) = Ux(t)·Ix(t) + Uy(t)·Iy(t) + Uz(t)·Iz(t).
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Es werden also die Impulsantworten Ui(t) als Koeffizienten linear mit den an die Gradientenspulen angelegten Strömen Ii(t) gefaltet, um das die Störgeräusche der Gradientenspulen beschreibende Störsignal zu ermitteln. Zur Korrektur des Rohsignals R(t), um das weiter auszuwertende Herzsignal H(t) zu erhalten, wird nun dieses Störsignal von dem gegebenenfalls vorab korrigierten Rohsignal abgezogen, H(t) = R(t) – S(t).
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Das so gewonnene korrigierte Rohsignal, also das Herzsignal, kann dann verlässlicher ausgewertet werden, um die Zeitpunkte der beiden Herzgeräusche sowie daraus abgeleitete Zeitpunkte des Herzzyklus zu ermitteln, Schritt 4. Hieraus können dann beispielsweise Triggersignale abgeleitet werden, um das Herz immer zu einem fest vorgegebenen Zeitpunkt im Herzzyklus aufzunehmen.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes Magnetresonanzgerät 5 in einer Prinzipskizze. Eine Magnetanordnung 6 umgibt eine Patientenaufnahme 7, in die ein Patient auf einer Patientenliege 8 einfahrbar ist. Neben dem hier nicht näher gezeigten Grundmagneten umfasst die Magnetordnung 6 auch eine hier nicht näher gezeigte Hochfrequenzspulenanordnung sowie die bei 9 angedeuteten Gradientenspulen für die x-, y- und z-Richtung.
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Der Betrieb des Magnetresonanzgeräts 5 wird von einer Steuereinrichtung 10 gesteuert, an welche auch eine Triggereinrichtung 11 angeschlossen ist, mit der Triggersignale zur Erzeugung von Bildaufnahmen zu einem bestimmten Zeitpunkt des Herzzyklus erzeugt werden sollen. Der Triggereinrichtung 11 ist dabei ein Schallaufnehmer 12 zugeordnet, der im Herzbereich auf einem zu untersuchenden Patienten platziert wird, um ein dessen Herzgeräusch umfassendes Rohsignal aufzunehmen.
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Die Steuereinrichtung 10 ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet, wie es beispielsweise in 1 dargestellt ist. Es wird demnach ein Störsignal ermittelt, welches zur Korrektur der Schallinterferenzen der Gradientenspule 9 von dem Rohsignal abgezogen wird, um ein auswertbares Herzsignal zu erhalten, aus dem dann Zeitpunkte im Herzzyklus sowie Triggersignale abgeleitet werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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