DE102011006151A1

DE102011006151A1 - Verfahren und Einrichtung zur Ermittlung einer Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz

Info

Publication number: DE102011006151A1
Application number: DE201110006151
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Fautz; Rene Gumbrecht
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2012-09-27
Anticipated expiration: 2031-03-26
Also published as: US20120268130A1; DE102011006151B4; US9052373B2

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Steuersequenzermittlungseinrichtung (22) zur Ermittlung einer Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz (AS) beschrieben, welche einen Mehrkanal-Puls (MP) mit mehreren individuellen, vom Magnetresonanzsystem (1) über verschiedene unabhängige Hochfrequenz-Sendekanäle (S1, ..., SN) parallel auszusendenden HF-Pulsen umfasst. Dabei wird auf Basis einer MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe (ZM) in einem HF-Puls-Optimierungsverfahren ein Mehrkanal-Puls (MP) berechnet und eine HF-Pulslänge (L) hinsichtlich eines HF-Energieparameters (EP) optimiert. Darüber hinaus werden ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzsystems (1) sowie ein Magnetresonanzsystem (1) mit einer solchen Steuersequenzermittlungseinrichtung (22) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuersequenzermittlungseinrichtung zur Ermittlung einer Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz, welche einen Mehrkanal-Puls mit mehreren individuellen, vom Magnetresonanzsystem über verschiedene unabhängige Hochfrequenz-Sendekanäle parallel auszusendenden HF-Pulsen umfasst, wobei auf Basis einer MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe in einem HF-Puls-Optimierungsverfahren ein Mehrkanal-Puls berechnet wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzsystems mit einer Mehrzahl von unabhängigen Hochfrequenz-Sendekanälen unter Nutzung einer solchen Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz sowie ein Magnetresonanzsystem mit einer Mehrzahl von unabhängigen Hochfrequenz-Sendekanälen und mit einer Steuereinrichtung, welche ausgebildet ist, um zur Durchführung einer gewünschten Messung auf Basis einer vorgegebenen Ansteuersequenz einen Mehrkanal-Puls mit mehreren parallelen individuellen HF-Pulsen über die verschiedenen Hochfrequenz-Sendekanäle auszusenden.
In einem Magnetresonanzsystem wird üblicherweise der zu untersuchende Körper mit Hilfe eines Grundfeldmagnetsystems einem relativ hohen Grundmagnetfeld, dem so genannten B₀-Feld, beispielsweise von 3 oder 7 Tesla, ausgesetzt. Zusätzlich wird mit Hilfe eines Gradientensystems ein Magnetfeldgradient angelegt. Über ein Hochfrequenz-Sendesystem werden dann mittels geeigneter Antenneneinrichtungen hochfrequente Anregungssignale (HF-Signale) ausgesendet, was dazu führen soll, dass die Kernspins bestimmter, durch dieses Hochfrequenzfeld resonant angeregter Atome ortsaufgelöst um einen definierten Flipwinkel gegenüber den Magnetfeldlinien des Grundmagnetfelds verkippt werden. Das in Form von einzelnen Pulsen oder Pulszügen ausgesendete hochfrequente Magnetfeld wird auch als B₁-Feld bezeichnet. Diese Magnetresonanzanregung (MR-Anregung) mittels magnetischer Hochfrequenzpulse bzw. die resultierende Flipwinkelverteilung wird im Folgenden auch als Kernmagnetisierung oder kurz „Magnetisierung” bezeichnet. Bei der Relaxation der Kernspins werden Hochfrequenzsignale, so genannte Magnetresonanzsignale, abgestrahlt, die mittels geeigneter Empfangsantennen empfangen und dann weiterverarbeitet werden. Aus den so akquirierten Rohdaten können schließlich die gewünschten Bilddaten rekonstruiert werden. Die Aussendung der Hochfrequenzsignale zur Kernspin-Magnetisierung erfolgt meist mittels einer so genannten „Ganzkörperspule” oder „Bodycoil”. Ein typischer Aufbau einer Ganzkörperspule ist eine Käfigantenne (Birdcage-Antenne), welche aus mehreren Sendestäben besteht, die parallel zur Längsachse verlaufend um einen Patientenraum des Tomographen herum angeordnet sind, in dem sich ein Patient bei der Untersuchung befindet. Stirnseitig sind die Antennenstäbe jeweils ringförmig kapazitiv miteinander verbunden. Inzwischen werden aber auch immer öfter die körpernahen Lokalspulen zur Aussendung von MR-Anregungssignalen verwendet. Der Empfang der Magnetresonanzsignale erfolgt häufig mit diesen Lokalspulen, manchmal aber auch – alternativ oder zusätzlich – mit der Bodycoil.
Bisher war es üblich, Ganzkörperantennen in einem „homogenen Modus”, beispielsweise einem „CP-Mode”, zu betreiben. Hierzu wird ein einziges zeitliches HF-Signal mit einem definierten festen Phasen- und Amplitudenverhältnis auf alle Komponenten der Sendeantenne gegeben, beispielsweise alle Sendestäbe einer Käfigantenne. Bei neueren Magnetresonanzsystemen ist es inzwischen möglich, die einzelnen Sendekanäle, beispielsweise die einzelnen Stäbe einer Käfigantenne, mit individuellen HF-Signalen zu belegen. Hierzu wird ein Mehrkanal-Puls ausgesendet, der, wie eingangs beschrieben, aus mehreren individuellen Hochfrequenz-Pulsen besteht, die parallel über die verschiedenen unabhängigen Hochfrequenz-Sendekanäle ausgesendet werden können. Ein solcher Mehrkanal-Puls, wegen der parallelen Aussendung der einzelnen Pulse auch als „pTX-Puls” bezeichnet, kann beispielsweise als Anregungs-, Refokussierungs- und/oder Inversionspuls verwendet werden. Ein Antennensystem mit mehreren unabhängig ansteuerbaren Antennenkomponenten bzw. Sendekanälen wird oft auch als „Transmit-Array” bezeichnet, egal ob es sich um eine Ganzkörperantenne oder um eine körpernahe Antennenanordnung handelt.
Solche pTX-Pulse bzw. daraus aufgebaute Pulszüge werden üblicherweise vorab für eine bestimmte geplante Messung ermittelt. Für die Planung der HF-Pulsfolge macht der Anwender eine MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe, z. B. in Form einer Ziel-Magnetisierung. Beispielsweise kann er eine gewünschte ortsaufgelöste Flipwinkelverteilung vorgeben, die innerhalb einer Zielfunktion als Soll-Wert eingesetzt wird. In einem Optimierungsprogramm (im Folgenden auch als „Zielfunktions-Optimierer” bezeichnet) wird dann die passende HF-Pulsfolge für die einzelnen Kanäle berechnet, so dass die MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe erreicht wird. Ein Verfahren zur Entwicklung solcher Mehrkanal-Pulse in parallelen Anregungsverfahren wird beispielsweise in W. Grishom et al.: „Spatial Domain Method for the Design of RF Pulses in Multicoil Parallel Excitation", Mag. Res. Med. 56, 620–629, 2006, beschrieben.
Für eine bestimmte Messung sind die verschiedenen Mehrkanal-Pulse, die zur jeweiligen Ansteuersequenz gehörenden Gradienten-Pulse sowie weitere Steuervorgaben in einem sogenannten Messprotokoll definiert, welches vorab erstellt wird und für eine bestimmte Messung beispielsweise aus einem Speicher abgerufen und gegebenenfalls vom Bediener vor Ort verändert werden kann. Während der Messung erfolgt dann die Steuerung des Magnetresonanzsystems vollautomatisch auf Basis dieses Messprotokolls, wobei die Steuereinrichtung des Magnetresonanzsystems die Befehle aus dem Messprotokoll ausliest und abarbeitet.
Jede MR-Anregung führt zu einer Hochfrequenz-Belastung des Patienten, die nach bestimmten Regeln begrenzt werden muss, da eine zu hohe Hochfrequenz-Belastung zu Schädigungen des Patienten führen könnte. Unter der HF-Belastung wird dabei im Folgenden nicht nur die eingebrachte HF-Energie als solche, sondern vor allem auch eine durch die HF-Einstrahlung induzierte physiologische Belastung verstanden. Ein typisches Maß für die Hochfrequenz-Belastung ist der so genannte SAR-Wert (SAR-Specific Absorption Rate; spezifische Absorptionsrate), der in Watt/kg angibt, welche biologische Belastung auf den Patienten durch eine bestimmte Hochfrequenz-Pulsleistung wirkt, oder der SED-Wert (SED = Specific Energy Dose; spezifische Energiedosis). Beide Werte sind ineinander umrechenbar.
Für die Aussendung von homogenen Feldern reicht die Überwachung einer globalen Hochfrequenzbelastung aus. Für die globale SAR-Belastung eines Patienten gilt beispielsweise eine genormte Begrenzung von 4 Watt/kg im „First Level” nach der IEC-Norm. Da bei der Aussendung von pTX-Pulsen im Patienten die bisher homogene Anregung durch eine beliebig geformte Anregung ersetzt werden kann, können sich hier auch sogenannte „Hotspots” ausbilden, an denen die Hochfrequenz-Belastung ein Vielfaches der bisher aus der homogenen Anregung bekannten Werte ausmachen kann. Bei pTX-Sendeverfahren ist also neben der globalen auch eine lokale Hochfrequenzbelastung zu berücksichtigen.
Die Hochfrequenz-Belastung des Patienten wird während der Untersuchung durch geeignete Sicherheitseinrichtungen am Magnetresonanzsystem laufend überwacht und eine Messung verändert oder abgebrochen, wenn der überwachte HF-Belastungs-Wert über den vorgesehenen Normen liegt. Sinnvollerweise wird jedoch bereits in der Vorabplanung eine möglichst exakte Abschätzung der zu erwartenden HF-Belastung durchgeführt und bei der Ermittlung der Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz berücksichtigt, um ein Überschreiten der Grenzwerte bei der Messung und einen dadurch bedingten Messabbruch zu vermeiden, da dies eine neue Messung erforderlich machen würde.
Die maximal erlaubte Hochfrequenzbelastung ist in der MR-Bildgebung insbesondere bei höheren Feldstärken ein stark limitierender Faktor. Prinzipiell könnte die Pulsenergie und damit auch die durch einen HF-Puls verursachte Hochfrequenzbelastung reduziert werden, indem der betreffende Hochfrequenzpuls verlängert wird. Mit einer Verlängerung eines HF-Pulses wird aber gleichzeitig dessen Frequenzspektrum schmalbandiger. Die Möglichkeit, die Pulse zu verkürzen, ist daher durch die räumliche Inhomogenität des B₀-Feldes limitiert, da die MR-Anregungsfrequenz von der B₀-Feldstärke abhängt. Konventionell werden daher die HF-Pulse im Rahmen der möglichen Leistungslimitierung maximal so kurz gemacht, dass die B₀-Feldinhomogenitäten vernachlässigt werden können. Eine darüber hinausgehende Pulsverkürzung zur Reduzierung der Hochfrequenzbelastung ist bisher nicht vorgesehen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein geeignetes Verfahren sowie eine entsprechende Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung von Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenzen zu schaffen, welche bei optimaler Einhaltung einer MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe eine weitere Reduzierung der lokalen Hochfrequenz-Belastung des Patienten ermöglichen.
Diese Aufgabe wird zum einen durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und zum anderen durch eine Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung nach Patentanspruch 10 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird, wie eingangs beschrieben, auf Basis einer MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe in einem HF-Puls-Optimierungsverfahren ein Mehrkanal-Puls berechnet. Erfindungsgemäß wird dabei im HF-Puls-Optimierungsverfahren eine HF-Pulslänge, d. h. die zeitliche Dauer eines Pulses, hinsichtlich eines HF-Energieparameters optimiert. Der HF-Energieparameter kann beispielsweise ein Parameter sein, der einen lokalen und/oder globalen Energieeintrag in das Untersuchungsobjekt bzw. einen lokalen/globalen HF-Belastungswert (z. B. einen SAR- oder SED-Wert) eines Untersuchungsobjekts repräsentiert. Hierbei wird ausgenutzt, dass bei einem pTX-Sendeverfahren durch die Verwendung dynamischer Pulse, d. h. durch Variation des Amplituden- und Phasenverhaltens, die MR-Anregung auch räumlich kontrolliert und der lokalen B₀-Feldstärke angepasst werden kann. Durch die Berücksichtigung des HF-Energieparameters wird sichergestellt, dass der Ausgleich der räumlichen B₀-Variation in der MR-Anregung auch insgesamt zu einer HF-Energiereduzierung gegenüber herkömmlichen Pulsberechnungsverfahren führt. Diese Optimierung kann dabei bevorzugt für alle Pulse eines Mehrkanal-Pulszugs erfolgen.
Dementsprechend muss eine erfindungsgemäße Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung eine Eingangsschnittstelle zur Erfassung einer MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe, eine HF-Puls-Optimierungseinheit, um auf Basis einer MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe in einem HF-Puls-Optimierungsverfahren einen Mehrkanal-Puls zu berechnen, und eine Steuersequenzausgabe-Schnittstelle aufweisen, um die Steuersequenz zur Ansteuerung des Magnetresonanzsystems für die Datenakquisition an eine Steuereinrichtung zu übergeben oder hierfür in einem Speicher zu hinterlegen. Die Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung ist dabei erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass sie in dem HF-Puls-Optimierungsverfahren eine HF-Pulslänge hinsichtlich eines HF-Energieparameters optimiert.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzsystems wird nach dem zuvor beschriebenen Verfahren eine Ansteuersequenz ermittelt und dann das Magnetresonanzsystem unter Nutzung dieser Ansteuersequenz betrieben. Entsprechend weist ein erfindungsgemäßes Magnetresonanzsystem der eingangs genannten Art eine zuvor beschriebene Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung auf.
Wesentliche Teile der Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung können in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. Dies betrifft insbesondere die HF-Puls-Optimierungseinheit. Bei der Eingangs-Schnittstelle kann es sich beispielsweise um eine Benutzerschnittstelle zur manuellen Eingabe einer MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe, insbesondere auch um eine grafische Benutzerschnittstelle, handeln. Hierbei kann es sich auch um eine Schnittstelle handeln, um Daten (beispielsweise auch eine Ziel-Magnetisierung) aus einem innerhalb der Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung angeordneten oder über ein Netz damit verbundenen Datenspeicher – gegebenenfalls auch unter Nutzung der Benutzerschnittstelle – auszuwählen und zu übernehmen. Bei der Steuersequenz-Ausgabe-Schnittstelle kann es sich z. B. um eine Schnittstelle handeln, die die Steuersequenz an eine Magnetresonanzsteuerung übermittelt, um damit direkt die Messung zu steuern, aber auch um eine Schnittstelle, die die Daten über ein Netz versendet und/oder in einem Speicher zur späteren Nutzung hinterlegt. Diese Schnittstellen können ebenfalls zumindest teilweise in Form von Software ausgebildet sein und eventuell auf Hardware-Schnittstellen eines vorhandenen Rechners zurückgreifen.
Die Erfindung umfasst somit auch ein Computerprogramm, welches direkt in einen Speicher einer Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung ladbar ist, mit Programmcode-Abschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in der Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung ausgeführt wird. Eine solche softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch bisherige Einrichtungen, die zur Ermittlung von Steuersequenzen verwendet werden (beispielsweise geeignete Rechner in Rechenzentren der Magnetresonanzsystem-Hersteller), durch Implementierung des Programms in geeigneter Weise modifiziert werden können, um in der erfindungsgemäßen Weise Steuersequenzen zu ermitteln, die mit einer geringeren und/oder sicherer kontrollierbaren Hochfrequenz-Belastung verbunden sind.
Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten besonders vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung, wobei insbesondere auch die Ansprüche einer Kategorie analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können im Prinzip nahezu die gleichen Vorgaben zur Berechnung der Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz gemacht werden wie bei den bisherigen Methoden. Das heißt, die MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe kann in der gleichen Weise vorgegeben werden wie bisher. Ebenso kann wie üblich ein Bediener zur Generierung eines Mehrkanal-Pulses bzw. Pulszugs auch eine Sende-k-Raum-Gradiententrajektorie vorgeben. Bei der „Sende-k-Raum-Gradiententrajektorie” (im Folgenden kürzer nur „Gradiententrajektorie” genannt) handelt es sich um die Orte im k-Raum, die durch Einstellung der einzelnen Gradienten zu bestimmten Zeiten, d. h. durch jeweils passend zu den HF-Pulszügen koordiniert auszusendende Gradienten-Pulszüge (mit passenden x-, y- und z-Gradientenpulsen), angefahren werden. Der k-Raum ist der Ortsfrequenzraum, und die Gradiententrajektorie im k-Raum beschreibt, auf welchem Weg der k-Raum bei Aussenden eines HF-Pulses bzw. der parallelen Pulse durch entsprechendes Schalten der Gradientenpulse zeitlich durchlaufen wird. Durch Einstellung der Gradiententrajektorie im k-Raum kann so bestimmt werden, an welchen Ortsfrequenzen bestimmte HF-Energien deponiert werden.
Ebenso können zur Optimierung eine B₀-Map, d. h. eine Karte, die in einem bestimmten Gebiet, in welchem die Anregung erfolgen soll, die in einer Testmessung ermittelte Homogenität des B₀-Feldes repräsentiert, sowie entsprechende B₁-Maps, welche für die einzelnen Sendekanäle die B₁-Feldstärke in dem interessierenden Gebiet repräsentieren, als Eingangsdaten für das Optimierungsverfahren verwendet werden.
Anders als bisher wird jedoch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine feste Pulslänge, sondern vorzugsweise stattdessen eine Start-HF-Pulslänge oder Kandidaten-HF-Pulslänge vorgegeben, die als Ausgangspunkt im Optimierungsverfahren verwendet werden kann, um dann schließlich zu einer optimalen HF-Pulslänge hinsichtlich des vorgegebenen HF-Energieparameters und unter Berücksichtigung der MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe zu ermitteln.
Für die genaue Vorgehensweise innerhalb des HF-Puls-Optimierungsverfahrens gibt es im Prinzip verschiedene Möglichkeiten. In der Regel arbeitet ein HF-Puls-Optimierungsverfahren – wie nahezu jedes Optimierungsverfahren – mit einer vorgegebenen Zielfunktion. Üblicherweise wird bisher hierzu eine Zielfunktion in der Art
verwendet. Hierbei repräsentiert RF die Hochfrequenz-Pulsform für alle Sendekanäle, m(RF) ist dementsprechend das Magnetisierungsmuster, welches durch einen gegebenen Hochfrequenzpuls mit dieser Pulsform RF erreicht würde, und m_des ist das eigentlich gewünschte Ziel-Magnetisierungsmuster. Die Pulslänge L geht dabei in die Pulsform RF als feste vorgegebene Größe ein und wird daher in Gleichung (1) nicht explizit genannt.
Vorzugsweise wird daher auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem Zielfunktions-Optimierer gearbeitet, wobei es sich grundsätzlich um einen herkömmlichen Zielfunktions-Optimierer handeln kann, der in üblicher Weise mit einem bekannten Optimierungsalgorithmus arbeitet, insbesondere auch ein schneller, nicht-linearer Optimierer, welcher die Bloch-Gleichungen löst. Verschiedene Optimierer sind als Softwarekomponenten dem Fachmann bekannt. Wesentlich ist jedoch, welche Zielfunktionen dem Optimierer zur Lösung vorgegeben werden.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Rahmen der HF-Puls-Optimierung ein Zielfunktions-Optimierer verwendet, wobei die Zielfunktion selber sowohl auf der MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe als auch auf dem HF-Energieparameter basiert und gleichzeitig im Zielfunktions-Optimierer ein HF-Pulslängen-Parameter als zusätzliche Variable, d. h. als variierbarer Parameter, genutzt wird. Eine solche Zielfunktion kann beispielsweise wie folgt aussehen:
Diese Zielfunktion ist gegenüber der nach Gleichung (1) also insoweit erweitert, dass das mit dem HF-Puls erreichbare Magnetisierungsmuster m(RF, L) jetzt zusätzlich von einer variablen L, nämlich der totalen Pulslänge abhängt, die nun nicht mehr als Konstante der Pulsform RF bestimmt ist. Außerdem wird ein Ausgleichsterm λE(RF, L) hinzugefügt, wobei E(RF, L) ein von der Hochfrequenz-Pulsform RF und der totalen Pulslänge L abhängiger Hochfrequenz-Energieterm im Zielvolumen, d. h. der HF-Energieparameter, ist. Wie oben beschrieben, kann es sich hierbei beispielsweise um den Energieeintrag im Zielvolumen oder um einen anderen Belastungswert im Untersuchungsobjekt handeln, wie z. B. ein globaler oder lokaler SAR- oder SED-Wert oder eine Kombination lokaler und globaler Werte. Der skalare Faktor λ ist ein Gewichtungsfaktor, um eine Abwägung zwischen dem HF-Energieparameter, der nun zusätzlich optimiert werden soll, und der MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe, die ja nach wie vor zu Optimieren ist, vornehmen zu können. Der Faktor λ hängt dabei von einer Vielzahl von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. der Anzahl der Sendekanäle, der Anzahl der Zeitschritte, der Struktur der B₀-Maps und der B₁-Maps, um nur einige zu nennen. Er kann z. B. in Test-Optimierungsläufen, auch unabhängig von der konkreten Messung und unabhängig von dem Untersuchungsobjekt, z. B. nur gerätespezifisch oder gerätetypspezifisch vorher bestimmt und für weitere konkrete Messungen hinterlegt werden. Alternativ kann er auch als freie Variable im Optimierungsverfahren mit ermittelt werden.
Eine solche Zielfunktion gemäß Gleichung (2) ist äquivalent zu einer Vektor-Zielfunktion, bei der zwei Teilfunktionen optimiert werden.
Dementsprechend muss eine erfindungsgemäße Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung derart ausgebildet sein, dass sie im HF-Puls-Optimierungsverfahren eine solche Zielfunktion verwendet, die auf einer MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe und dem HF-Energieparameter basiert, beispielsweise die gemäß Gleichung (2) vorgegebene Zielfunktion.
Bei einer anderen bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch im Rahmen des HF-Puls-Optimierungsverfahrens ein Zielfunktions-Optimierer iterativ mehrfach durchlaufen werden, wobei bei jedem Iterationsschritt dem Zielfunktions-Optimierer eine aktuelle HF-Pulslänge als Konstante vorgegeben wird. Es wird dann in jedem Schritt für den aktuellen HF-Pulslängenwert ein aktueller Mehrkanal-Puls und für den aktuellen Mehrkanal-Puls jeweils ein aktueller HF-Energieparameterwert ermittelt. In Abhängigkeit vom aktuellen HF-Energieparameter wird dann bestimmt, ob ein neuer Iterationsschritt durchgeführt wird oder das Iterationsverfahren beendet wird.
Zur Bestimmung, ob ein neuer Iterationsschritt durchgeführt wird oder nicht, kann beispielsweise der aktuelle HF-Energieparameterwert mit dem HF-Energieparameterwert im letzten Iterationsschritt verglichen werden. Ist der HF-Energieparameterwert niedriger, so kann versucht werden, einen noch niedrigeren Wert im nächsten Iterationsschritt zu erreichen. Ist der HF-Energieparameterwert indessen höher, kann das Verfahren abgebrochen werden und es wird z. B. bestimmt, dass der vorletzte berechnete Mehrkanal-Puls vor Abbruch der Iteration, der ja zu dem niedrigsten HF-Energieparameterwert geführt hat, als Optimierungsergebnis genutzt wird.
Bei diesem Verfahren kann beispielsweise der gleiche Zielfunktions-Optimierer verwendet werden wie im ersten Verfahren, jedoch kann nun wieder eine klassische, einfache Zielfunktion, beispielsweise die Zielfunktion gemäß Gleichung (1), verwendet werden, die innerhalb des Zielfunktions-Optimierungsalgorithmus von einer festen HF-Pulslänge ausgeht. Stattdessen erfolgt die Optimierung der HF-Pulslänge hinsichtlich des HF-Energieparameterwerts im Rahmen der iterativen Schleife, die dem Zielfunktions-Optimierer übergeordnet ist.
Diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist relativ schnell und daher einfach anwendbar, da ja oft schon innerhalb der klassischen Zielfunktion sehr viele Variablen zu berücksichtigen sind und mit jeder zusätzlichen Variablen überproportional mehr Rechenzeit zur Ermittlung des optimalen Mehrkanal-Pulses benötigt wird. Daher ist in vielen Fällen die Verwendung eines Zielfunktions-Optimierers mit einer klassischen Zielfunktion, wie sie auch bisher verwendet wird, trotz des mehrfachen iterativen Durchlaufs schneller als die Einbeziehung der HF-Pulslänge als zusätzliche Variable und eine zusätzliche Optimierung auf den HF-Energieparameterwert innerhalb der Zielfunktion selber.
Um das Verfahren noch weiter zu beschleunigen, kann auch eine bestimmte Anzahl von Kandidaten-HF-Pulslängen vorgegeben werden. Es kann dann im Rahmen des HF-Puls-Optimierungsverfahrens ein Zielfunktions-Optimierer verwendet werden, der wiederum mehrfach durchlaufen wird, wobei bei jedem Schritt bzw. Durchlauf jeweils eine aktuelle HF-Pulslänge aus der Anzahl von vorgegebenen Kandidaten-HF-Pulslängen als für diesen Durchlauf feststehende HF-Pulslänge ausgewählt wird.
Hierbei kann beispielsweise der gleiche Zielfunktions-Optimierer, d. h. auch die gleiche Zielfunktion wie bei dem iterativen Verfahren, genutzt werden. Im Unterschied zu dem iterativen Verfahren ist jetzt jedoch die Anzahl der Schritte genau festgelegt, da einfach für sämtliche der Kandidaten-HF-Pulslängen einmal eine Zielfunktion optimiert wird und dann die Kandidaten-HF-Pulslänge als optimale HF-Pulslänge ausgewählt wird, bei der der berechnete HF-Energieparameterwert am niedrigsten ist. Für dieses Verfahren sollte eine erfindungsgemäße Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung einen Speicher aufweisen oder Zugriff auf einen Speicher haben, in dem die Kandidaten-HF-Pulslängen hinterlegt sind.
Wie bereits oben erläutert, kann das HF-Puls-Optimierungsverfahren noch weitere Eingangsdaten nutzen, um zu einem optimalen Ergebnis zu kommen. Besonders bevorzugt werden dem HF-Puls-Optimierungsverfahren eine aktuelle B₀-Map sowie für jeden Sendekanal jeweils eine aktuelle B₁-Map als Eingangsdaten vorgegeben. Hierbei handelt es sich um Karten, die mit dem aktuellen Untersuchungsobjekt bzw. Patienten im aktuellen Gerät zuvor als Testmessungen aufgenommen wurden. Eine erfindungsgemäße Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung weist hierzu vorzugsweise eine entsprechende Eingangsschnittstelle auf, um diese B₀-Map bzw. B₁-Maps zu übernehmen. Die Nutzung dieser zusätzlichen Eingangsdaten kann bei jedem der oben beschriebenen Zielfunktions-Optimierer und unabhängig von der Zielfunktion erfolgen.
Besonders bevorzugt erfolgt die Berechnung der Mehrkanal-Pulse im Rahmen des erfindungsgemäßen HF-Puls-Optimierungsverfahrens zunächst für eine niedrigere Ziel-Magnetisierung. Der dabei ermittelte Mehrkanal-Puls wird anschließend auf eine endgültige Ziel-Magnetisierung hochskaliert und ggf. noch einmal nachkorrigiert. Für diese Vorgehensweise wird ausgenutzt, dass für kleine Magnetisierungen, d. h. für geringe Flipwinkel (im so genannten „Low-Flip-Bereich”), z. B. zwischen 0 und 5°, das Magnetisierungsverhalten noch linear ist. Daher ist in diesem Bereich eine Berechnung mit einem Optimierungsverfahren erheblich einfacher und stabiler. Ist für diesen Bereich der optimale Mehrkanal-Puls gefunden, so ist in einem nachfolgenden Schritt ohne weiteres eine Hochskalierung möglich. Wenn z. B. die Berechnung im Low-Flip-Bereich für einen Flipwinkel von maximal α = 5° erfolgt und die eigentliche Magnetisierung mit einem Flipwinkel α von maximal 90° erfolgen soll, können entsprechend dem Verhältnis der Flipwinkel die Amplitudenwerte der HF-Pulse mit einem Faktor 18 multipliziert werden. Die dabei auftretenden Fehler können anschließend im Rahmen einer (Bloch-)Simulation ermittelt und korrigiert werden.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzanlage,
2 ein Ablaufschema für einen möglichen Ablauf gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 ein Ablaufschema für einen möglichen Ablauf gemäß einem zweitem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 ein Ablaufschema für einen möglichen Ablauf gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
5 eine Darstellung einer B₀-Map,
6 zwei Kurven zur Darstellung der normalisierten Pulsenergie in Abhängigkeit von der Pulslänge,
7 zwei simulierte Flipwinkelkarten für das Untersuchungsobjekt, dessen B₀-Map in 5 gezeigt ist, a) bei Anregung nach einem erfindungsgemäßen Verfahren und zum Vergleich b) bei Anregung mit einem konventionellen HF-Shim-Verfahren.
In 1 ist grob schematisch eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage 1 dargestellt. Sie umfasst zum einen den eigentlichen Magnetresonanzscanner 2 mit einem darin befindlichen Untersuchungsraum 8 bzw. Patiententunnel 8. Eine Liege 7 ist in diesen Patiententunnel 8 hineinfahrbar, so dass ein darauf liegender Patient O oder Proband während einer Untersuchung an einer bestimmten Position innerhalb des Magnetresonanzscanners 2 relativ zu dem darin angeordneten Magnetsystem und Hochfrequenzsystem gelagert werden kann bzw. auch während einer Messung zwischen verschiedenen Positionen verfahrbar ist.
Wesentliche Komponenten des Magnetresonanzscanners 2 sind ein Grundfeldmagnet 3, ein Gradientensystem 4 mit Magnetfeldgradientenspulen, um beliebige Magnetfeldgradienten in x-, y- und z-Richtung anzulegen, sowie eine Ganzkörper-Hochfrequenzspule 5. Der Empfang von im Untersuchungsobjekt O induzierten Magnetresonanzsignalen kann über die Ganzkörperspule 5 erfolgen, mit der in der Regel auch die Hochfrequenzsignale zur Induzierung der Magnetresonanzsignale ausgesendet werden. Üblicherweise werden diese Signale aber mit beispielsweise auf oder unter den Untersuchungsobjekt O gelegten Lokalspulen 6 empfangen. Alle diese Komponenten sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt und daher in der 1 nur grob schematisch dargestellt.
Die Ganzkörper-Hochfrequenzspule 5 ist hier in Form einer so genannten Birdcage-Antenne aufgebaut und weist eine Anzahl N von einzelnen Antennenstäben auf, die parallel zum Patiententunnel 8 verlaufen und auf einem Umfang um den Patiententunnel 8 gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Endseitig sind die einzelnen Antennenstäbe jeweils kapazitiv ringförmig verbunden.
Die einzelnen Antennenstäbe sind hier als einzelne Sendekanäle S₁, ..., S_N separat von einer Steuereinrichtung 10 ansteuerbar. Dabei kann es sich um einen Steuerrechner handeln, welcher auch aus einer Vielzahl von – gegebenenfalls auch räumlich getrennten und über geeignete Kabel oder dergleichen untereinander verbundenen – Einzelrechnern bestehen kann. Über eine Terminalschnittstelle 17 ist diese Steuereinrichtung 10 mit einem Terminal 20 verbunden, über das ein Bediener die gesamte Anlage 1 ansteuern kann. Im vorliegenden Fall ist dieses Terminal 20 als Rechner mit Tastatur, einem oder mehreren Bildschirmen sowie weiteren Eingabegeräten wie beispielsweise Maus oder dergleichen ausgestattet, so dass dem Bediener eine grafische Benutzeroberfläche zur Verfügung steht.
Die Steuereinrichtung 10 weist u. a. eine Gradienten-Steuereinheit 11 auf, die wiederum aus mehreren Teilkomponenten bestehen kann. Über diese Gradienten-Steuereinheit 11 werden die einzelnen Gradientenspulen mit Gradientensteuersignalen SG_x, SG_y, SG_z beschaltet. Hierbei handelt es sich um Gradientenpulse, die während einer Messung an genau vorgesehenen zeitlichen Positionen und mit einem genau vorgegebenen zeitlichen Verlauf gesetzt werden.
Die Steuereinrichtung 10 weist außerdem eine Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit 12 auf. Diese HF-Sende-/Empfangseinheit 12 besteht ebenfalls aus mehreren Teilkomponenten, um jeweils separat und parallel auf die einzelnen Sendekanäle S₁, ... S_N, d. h. auf die einzeln ansteuerbaren Antennenstäbe der Bodycoil, Hochfrequenzpulse aufzugeben. Über die Sende-/Empfangseinheit 12 können auch Magnetresonanzsignale empfangen werden. Üblicherweise geschieht dies aber mit Hilfe der Lokalspulen 6. Die mit diesen Lokalspulen 6 empfangenen Rohdaten RD werden von einer HF-Empfangseinheit 13 ausgelesen und verarbeitet. Die hiervon oder von der Ganzkörperspule mittels der HF-Sende-/Empfangseinheit 12 empfangenen Magnetresonanzsignale werden als Rohdaten RD an eine Rekonstruktionseinheit 14 übergeben, die daraus die Bilddaten BD rekonstruiert und diese in einem Speicher 16 hinterlegt und/oder über die Schnittstelle 17 an das Terminal 20 übergibt, so dass der Bediener sie betrachten kann. Die Bilddaten BD können auch über ein Netzwerk NW an anderen Stellen gespeichert und/oder angezeigt und ausgewertet werden.
Die Gradienten-Steuereinheit 11, die HF-Sende-/Empfangseinheit 12 und die Empfangseinheit 13 für die Lokalspulen 6 werden jeweils koordiniert durch eine Messsteuereinheit 15 angesteuert. Diese sorgt durch entsprechende Befehle dafür, dass ein gewünschter Gradienten-Puls GP durch geeignete Gradientensteuersignale SG_x, SG_y, SG_z ausgesendet wird, und steuert parallel die HF-Sende-/Empfangseinheit 12 so an, dass ein oder mehrere Mehrkanal-Pulse MP (in der Regel ein aus mehreren Mehrkanal-Pulsen MP bestehender Mehrkanal-Pulszug) ausgesendet wird, d. h. dass auf den einzelnen Sendekanälen S₁, ... S_N parallel die passenden Hochfrequenzpulse auf die einzelnen Sendestäbe der Ganzkörperspule 5 gegeben werden. Außerdem muss dafür gesorgt werden, dass zum passenden Zeitpunkt die Magnetresonanzignale an den Lokalspulen 6 durch die HF-Empfangseinheit 13 bzw. eventuelle Signale an der Ganzkörperspule 5 durch die HF-Sende-/Empfangseinheit 12 ausgelesen und weiterverarbeitet werden. Die Messsteuereinheit 15 gibt die entsprechenden Signale, insbesondere die Mehrkanal-Pulse MP an die Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit 12 und die Gradienten-Pulse GP an die Gradienten-Steuereinheit 11, gemäß einem vorgegebenen Steuerprotokoll P vor. In diesem Steuerprotokoll P sind alle Steuerdaten hinterlegt, die während einer Messung eingestellt werden müssen.
Üblicherweise sind in einem Speicher 16 eine Vielzahl von Steuerprotokollen P für verschiedene Messungen hinterlegt. Diese könnten über das Terminal 20 vom Bediener ausgewählt und gegebenenfalls variiert werden, um dann ein passendes Steuerprotokoll P für die aktuell gewünschte Messung zur Verfügung zu haben, mit dem die Messsteuereinheit 15 arbeiten kann. Im Übrigen kann der Bediener auch über ein Netzwerk NW Steuerprotokolle P, beispielsweise von einem Hersteller des Magnetresonanzsystems 1, abrufen und diese dann gegebenenfalls modifizieren und nutzen.
Der grundlegende Ablauf einer solchen Magnetresonanzmessung und die genannten Komponenten zur Ansteuerung sind dem Fachmann aber bekannt, so dass sie hier im Detail nicht weiter besprochen werden. Im Übrigen kann ein solcher Magnetresonanzscanner 2 sowie die zugehörige Steuereinrichtung 10 noch eine Vielzahl weiterer Komponenten aufweisen, die hier ebenfalls nicht im Detail erläutert werden.
Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der Magnetresonanzscanner 2 auch anders aufgebaut sein kann, beispielsweise mit einem seitlich offenen Patientenraum, und dass im Prinzip die Hochfrequenz-Ganzkörperspule nicht als Birdcage-Antenne aufgebaut sein muss. Wesentlich ist lediglich, dass sie mehrere separat ansteuerbare Sendekanäle S₁, ..., S_N aufweist und dass dementsprechend in der Steuereinrichtung 10 auch durch die Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinrichtung eine entsprechende Anzahl von Kanalsteuerungen zur Verfügung steht, um die einzelnen Sendekanäle S₁, ..., S_N separat ansteuern zu können.
In 1 ist hier außerdem eine erfindungsgemäße Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung 22 schematisch dargestellt, die zur Ermittlung einer Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz AS dient. Diese Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz AS enthält u. a. für eine bestimmte Messung einen oder mehrere vordefinierte Mehrkanal-Pulse MP zur Ansteuerung der einzelnen Sendekanäle S₁, ..., S_N. Die Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz AS wird im vorliegenden Fall als Teil des Messprotokolls P erstellt.
Die Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung 22 ist hier als Teil des Terminals 20 dargestellt und kann in Form von Softwarekomponenten auf dem Rechner dieses Terminals 21 realisiert sein. Prinzipiell kann die Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung 22 aber auch Teil der Steuereinrichtung 10 selber sein oder auf einem separaten Rechensystem realisiert sein, und die fertigen Ansteuersequenzen AS werden, gegebenenfalls auch im Rahmen eines kompletten Steuerprotokolls P, über ein Netzwerk NW an das Magnetresonanzsystem 1 übermittelt.
Die Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung 22 weist hier eine Eingangsschnittstelle 23 auf. Über diese Eingangsschnittstelle 23 erhält die Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung 22 zum einen eine MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe, hier z. B. eine Ziel-Magnetisierung ZM, welche vorgibt, wie die Flipwinkelverteilung bei der gewünschten Messung sein sollte. Außerdem können über diese Schnittstelle 23 auch weitere Eingangswerte vorgegeben werden, wie sie bereits oben beschrieben sind, wie beispielsweise eine Gradiententrajektorie, ggf. eine Start-HF-Pulslänge, eine B₀-Map, die B₁-Maps etc. Die Vorgaben wie beispielsweise die Gradiententrajektorie oder die Start-HF-Pulslänge können beispielsweise durch einen Experten erfolgen, welcher entsprechend ausgebildet ist, um Steuerprotokolle für bestimmte Messungen zu entwickeln. Sie können hierzu auch bereits in einem Steuerprotokoll vorgegeben sein, aus dem zur Ermittlung der Ansteuersequenz die entsprechenden Daten übernommen werden, um daraus dann den Mehrkanal-Puls zu erzeugen und für die nachfolgende Messung an dem aktuellen Gerät mit dem aktuellen Patienten schließlich zu verwenden. Dies ist insofern sinnvoll, da die B₀-Map und die B₁-Map ja für den jeweils aktuellen Patienten O in vorherigen Justage- bzw. Testmessungen gemessen werden.
Die so erhaltenen Daten werden dann an eine HF-Puls-Optimierungseinheit 25 übergeben, welche automatisch eine bestimmte Ansteuersequenz AS mit dem optimalen Mehrkanal-Puls MP zur Erreichung der gewünschten Zielmagnetisierung ZM erstellt (bzw. einen kompletten Mehrkanal-Pulszug mit mehreren Mehrkanal-Pulsen).
Diese Daten können dann über eine Steuersequenz-Ausgabeschnittstelle 24 wieder ausgegeben und beispielsweise im Rahmen eines Steuerprotokolls P, in dem noch weitere Vorgaben zur Ansteuerung des Magnetresonanzsystems 1 angegeben werden (beispielsweise Parameter zur Rekonstruktion der Bilder aus den Rohdaten etc.), an die Steuereinrichtung 10 übergeben werden.
Der Ablauf eines Verfahrens zur Ermittlung einer Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz AS wird im Folgenden für verschiedene Ausführungsbeispiele anhand der Ablaufdiagramme gemäß den 2 bis 4 erläutert.
2 zeigt dabei eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hier werden einem Zielfunktions-Optimierer ZFO als Eingangsdaten die B₁-Maps B₁, die B₀-Maps B₀, die Zielmagnetisierung ZM und eine Start-HF-Pulslänge SL vorgegeben. In 5 ist ein typisches Beispiel für eine B₀-Map durch den Kopf eines Patienten dargestellt. Üblicherweise ist eine solche Karte zur Darstellung farbskaliert (hier grauskaliert) in Hz aufgetragen, die Parameterskala ist in Form einer Farbskala (hier Grauskala) unmittelbar neben der B₀-Map gezeigt. Dargestellt sind hier die Abweichungen von der gewünschten Lamorfrequenz jeweils nach unten und oben, d. h. der Wert von 0 Hz entspricht genau der MR-Resonanzfrequenz (Lamorfrequenz) von 298,06 MHz bei einem Magnetfeld von 7 Tesla. In dem Bild ist deutlich zu sehen, dass das B₀-Feld starke Inhomogenitäten zeigt, die durch die räumliche Variation des pTX-Pulses zu kompensieren sind.
Der Zielfunktions-Optimierer ZFO kann hierbei ein üblicher Optimierer sein, wie er als Softwaremodul auf vielen Geräten bereits zur Verfügung steht. Entscheidend ist, dass dieser Zielfunktions-Optimierer mit einer Zielfunktion ausgestattet ist, welche nicht nur auf der MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe, d. h. der Zielmagnetisierung ZM, basiert und diese optimiert, sondern gleichzeitig auch einen HF-Energieparameter EP, beispielsweise hinsichtlich einer minimalen SAR-Belastung optimiert und dabei die HF-Pulslänge möglichst aller HF-Pulse als weiteren variierbaren Parameter nutzt. Beispielsweise kann der Zielfunktions-Optimierer hierzu die Zielfunktion gemäß Gleichung (2) nutzen.
Als Ergebnis wird dann ein Mehrkanal-Puls MP (bzw. je nach Einstellung des Zielfunktions-Optimierers ggf. ein kompletter Mehrkanal-Pulszug) ausgegeben, der nicht nur hinsichtlich der Zielmagnetisierung optimiert ist, sondern auch hinsichtlich der Länge der einzelnen Pulse, wobei die Länge so optimiert ist, dass möglichst ein niedriger Energieeintrag im Patienten, d. h. eine niedrige SAR-Belastung vorliegt.
Wie bereits oben erläutert, dauert eine solche Optimierung umso länger, je mehr Freiheitsgrade in der Zielfunktion zur Verfügung stehen. 3 zeigt daher als Alternative ein schnelleres Verfahren, bei dem letztlich die Zielfunktion ZFO durch eine etwas einfachere Zielfunktion ZFO' ersetzt wird, welche wie die herkömmlichen Zielfunktionen aufgebaut ist, beispielsweise eine simple Zielfunktion, wie in Gleichung (1). Auch diesem Zielfunktions-Optimierer ZFO' werden, wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2, zunächst die B₁ ⁺-Maps, die B₀-Map, die Zielmagnetisierung ZM und ein Pulslängenstartwert PL₁ vorgegeben.
Außerdem wird vor Beginn der Iteration die Laufvariable i auf den Wert 1 gesetzt. Es erfolgt dann zunächst ein erster Durchlauf innerhalb des Zielfunktions-Optimierers ZFO'. Das Ergebnis ist dann ein Mehrkanal-Puls MP_i (bzw. kompletter Mehrkanal-Pulszug), d. h. beim ersten Durchlauf der erste Mehrkanal-Puls MP₁. In einem weiteren Schritt wird dann für diesen aktuellen Mehrkanal-Pulszug MP_i der zu berücksichtigende HF-Energieparameter EP_i, der ja im Rahmen des Verfahrens minimiert werden soll, beispielsweise ein SAR-Wert, berechnet.
Danach wird in einem weiteren Schritt geprüft, ob dieser Energieparameterwert EP_i kleiner als der Energieparameterwert des vorhergehenden Schritts EP_i-1 ist. Lediglich beim ersten Durchlauf der Schleife kann auf diesen Schritt verzichtet werden oder es wird ein entsprechender sehr hoher Wert EP₀ als Erstwert vorgegeben, so dass die Schleife zu diesem Zeitpunkt immer zu einem weiteren Iterationsschritt führt. Wird festgestellt, dass der aktuelle HF-Energieparameterwert EP_i kleiner als der vorhergehende HF-Energieparameterwert EP_i-1 ist (Abzweig y), so wird die aktuelle HF-Pulslänge PL_i durch eine neue HF-Pulslänge PL_i+1 für den nächsten Iterationsschritt ersetzt, wobei diese neue HF-Pulslänge PL_i+1 größer ist als die vorhergehende Pulslänge PL_i. Mit dieser neuen Pulslänge PL_i+1 wird dann der Zielfunktions-Optimierer ZFO' erneut durchlaufen, um so zu einem neuen Mehrkanal-Puls MP_i+1 zu gelangen, für den dann wieder der neue HF-Energieparameterwert EP_i+1 berechnet wird.
Dieses Verfahren wird so lange fortgeführt, bis festgestellt wird, dass der neue HF-Energieparameterwert EP_i nicht mehr kleiner als der vorhergehende HF-Energieparameterwert ist (Abzweig n). Als optimaler Mehrkanal-Puls (bzw. kompletter Mehrkanal-Puls) kann dann der vorhergehende Mehrkanal-Puls MP_i-1 gewählt werden, da dieser ja zu dem kleinsten HF-Energieparameterwert EP_i-1 geführt hat.
Da ein solches iteratives Verfahren zumindest dann, wenn eine Vielzahl von Iterationsschritten erforderlich ist, immer noch relativ viel Rechenzeit benötigt, wird nachfolgend ein weiter vereinfachtes Verfahren anhand von 4 erläutert. Hier wird derselbe Zielfunktions-Optimierer ZFO' mit derselben Zielfunktion eingesetzt wie bei dem Verfahren gemäß 3. Anstatt hier jedoch wie in 3 nur eine Start-HF-Pulslänge PL₁ vorzugeben, wird eine feste Anzahl N von Kandidaten-HF-Pulslängen PL₁, ... PL_N vorgegeben, beispielsweise die Werte 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 ms. Diese Kandidaten-HF-Pulslängen PL₁, ... PL_N können beispielsweise in einem Speicher 26 hinterlegt sein, auf den die HF-Puls-Optimierungseinheit 25 Zugriff hat (siehe 1).
Für alle diese Kandidaten-HF-Pulslängen PL₁, ... PL_N wird dann jeweils die Schleife durchlaufen und mittels des Zielfunktions-Optimierers ZFO' für jede dieser Kandidaten-HF-Pulslängen PL₁, ... PL_N ein HF-Energieparameterwert EP₁, ... EP_N ermittelt.
Hierzu wird die dargestellte Schleife durchlaufen und jedes Mal zunächst der HF-Energieparameterwert EP_i ermittelt. Danach wird abgefragt, ob die Laufvariable i unter der Anzahl N der Kandidaten-HF-Pulslängen PL₁, ... PL_N liegt. Ist dies der Fall (Abzweig y), wird für eine neue Kandidaten-HF-Pulslänge PL_i+1 mittels des Zielfunktions-Optimierers ZFO' ein weiterer Mehrkanal-Puls MP_i+1 (bzw. Mehrkanal-Pulszug) ermittelt und für diesen der aktuelle HF-Energieparameterwert EP_i+1 ermittelt. Ist die Schleife für alle Kandidaten-HF-Pulslängen PL₁, PL_N durchlaufen, d. h. wird in der Abfrage festgestellt, dass i nicht kleiner als N ist (Abzweig n), so wird schließlich als optimaler Mehrkanal-Puls (bzw. Mehrkanal-Pulszug) der Mehrkanal-Puls (bzw. Pulszug) MP_i ausgewählt, welcher den niedrigsten HF-Energieparameterwert EP_i = min (EP₁, ... EP_N) hatte.
Es hat sich herausgestellt, dass sowohl mit dem iterativen Verfahren gemäß 3 als auch bereits mit dem sehr einfachen Verfahren gemäß 4 mit durchaus vertretbarem Rechenaufwand die eingebrachte HF-Energie und somit auch die Hochfrequenzbelastung des Patienten erheblich reduziert werden konnte, ohne dass dies zu Lasten der gewünschten Anregungsqualität geht. Das heißt, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können HF-Pulse erzeugt werden, welche eine minimal mögliche HF-Energie aufweisen. Dabei können HF-Pulse beliebiger Klassen erzeugt werden, wie beispielsweise TX-Sense-Pulse, Spokes-Pulse oder Composite-Pulse.
Bei Spoke-Pulsen werden im k-Raum nacheinander nur einzelne Punkte durch Einstellung von x- und y-Gradienten angefahren, z. B. zehn Punkte, die auf mehreren Kreisen liegen. Um eine angefahrene x-/y-Position im k-Raum zu halten, werden jeweils der x-Gradient und der y-Gradient ausgestellt, d. h. in x-Gradienten- und y-Gradientenrichtung keine Pulse mehr appliziert. Stattdessen wird während der Aussendung der Hochfrequenzpulse ein z-Gradient geschaltet, um den betreffenden Ort im k-Raum schichtselektiv zu messen. Bei einem solchen Messverfahren können folglich durch geeignete Wahl der Geometrieparameter die x- und y-Positionen der „Spokes” im k-Raum festgelegt werden.
Bei Composite-Pulsen handelt es sich um ähnliche Pulse wie bei Spoke-Pulszügen, jedoch mit dem Unterschied, dass hier keine Gradientenpulse zwischengeschaltet werden. Ein Verfahren zur Verwendung von schnellen pTX-Pulsen zur Abschwächung von B₁-Feldinhomogenitäten unter Nutzung von Composite-Pulsen wird beispielsweise in dem Artikel „Fast High-Flip pTx pulse design to mitigate B1+ inhomogeneity using composite pulses at 7 T" von R. Gumbrecht, J. Lee, H-P. Fautz, D. Diehl und E. Adalsteinsson in ISMRM 2010, 101, beschrieben.
Die Möglichkeit, die das erfindungsgemäße Verfahren hinsichtlich der Einsparung der eingebrachten. Pulsenergie bietet, wird sehr gut anhand von 6 ersichtlich. In 6 ist jeweils die Hochfrequenzenergie, welche den Energieparameterwert EP repräsentiert, über der totalen Pulsdauer (normiert auf 1 als Maximalwert) in ms für die einzelnen Anregungspulse einer Composite-Pulssequenz aufgetragen. Die durchgezogene Kurve zeigt diese Werte für Pulse, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren so optimiert wurden, dass die Zielmagnetisierung möglichst gut erreicht wurde und dabei die B₀-Inhomogenitäten soweit wie möglich ausgeglichen wurden. Zum Vergleich zeigt die gepunktete Linie den Effekt, wenn unabhängig von dem Ausgleichen von B₀-Inhomogenitäten, d. h. ohne Berücksichtigung einer möglichst gut angepassten Magnetisierung an die Zielmagnetisierung, einfach nur die Pulslänge verlängert wird, um eine geringe Pulsenergie zu erhalten. Wie das Diagramm zeigt, hängen die Pulsenergien eines pTX-Composite-Pulses bis zu einer Pulslänge L von 10 ms stark umgekehrt proportional von der Pulslänge L ab, wie dies auch der Fall ist, wenn Pulse unabhängig von der B₀-Inhomogenität und ohne Berücksichtigung der Zielmagnetisierung einfach verlängert werden. Dabei wird eine Reduzierung der Pulsenergie EP um einen Faktor von 0,4 erzielt. Erst danach wird keine starke Einsparung der Pulsenergie EP mehr erreicht. Bei einer weiteren Verlängerung der Pulse steigt dann die Pulsenergie EP sogar wieder an, was zeigt, dass eine einfache Verlängerung der Pulse ohne das erfindungsgemäße Verfahren nicht sinnvoll ist.
7 zeigt für die mit diesem Verfahren erzeugten Pulse das Anregungsmuster für das Untersuchungsobjekt, für welches auch die B₀-Map gemäß 5 aufgenommen wurde. Dabei ist die Anregung mit energieoptimierten Composite-Pulsen von 9 ms Dauer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in dem linken Bild a dargestellt, und zum Vergleich wird daneben im Bild b die Anregung mit einem auf herkömmliche Weise HF-geshimmten Puls von 9 ms Dauer gezeigt. Es stellt sich heraus, dass mit einem konventionellen Puls signifikante Signalverluste in bestimmten Bereichen auftreten, was bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden wird.
Insgesamt zeigt sich also, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bessere Mehrkanal-Pulse bzw. komplette Mehrkanal-Pulszüge erzeugt werden können, die nicht nur besser als herkömmliche Verfahren in der Lage sind, B₀-Feldinhomogenitäten auszugleichen, sondern zudem noch energieoptimiert sind, in dem Sinne, dass der Energieeintrag in das Untersuchungsobjekt reduziert werden kann. Eine Reduktion der Hochfrequenzbelastung kann dann in einem weiteren Schritt auch für eine Beschleunigung der Bildgebungsverfahren genutzt werden.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den zuvor beschriebenen detaillierten Verfahren und Aufbauten um Ausführungsbeispiele handelt und dass das Grundprinzip auch in weiten Bereichen vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Insbesondere können im Rahmen des HF-Belastungs-Optimierungsverfahrens auch weitere Parameter optimiert werden. Beispielsweise können die für die HF-Puls-Optimierung benutzten Parameter in üblicher Weise innerhalb der Thikonov-Regularisierung oder auch andere Systemparameter im Rahmen der Optimierung variiert werden, um so noch bessere Ergebnisse zu erzielen. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein” bzw. „eine” nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließen die Begriffe „Einheit” und „Modul” nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
Bezugszeichenliste

1: Magnetresonanzanlage
2: Magnetresonanzscanner
3: Grundfeldmagnet
4: Gradientensystem
5: Ganzkörper-Hochfrequenzspule
6: Lokalspule
7: Liege
8: Untersuchungsraum
10: Steuereinrichtung
11: Gradienten-Steuereinheit
12: Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit
13: HF-Empfangseinheit
14: Rekonstruktionseinheit
15: Messsteuereinheit
16: Speicher
17: Terminalschnittstelle
20: Terminal
22: Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung
23: Eingangsschnittstelle
24: Steuersequenz-Ausgabeschnittstelle
25: HF-Puls-Optimierungseinheit
26: Speicher
GP: Gradienten-Pulszug
MP: Mehrkanal-Puls
NW: Netzwerk
BD: Bilddaten
RD: Rohdaten
SG_x, SG_y, SG_z: Gradientensteuersignal
S₁, ..., S_N: Sendekanal
O: Patient/Untersuchungsobjekt
P: Steuerprotokoll
AS: Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz
ZM: MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe/Ziel-Magnetisierung
B₀: B₀-Map
B₁ ⁺: B₁ ⁺-Maps
L: HF-Pulslänge
EP: Energieparameterwerte
SL: Start-HF-Pulslänge
PL₁, ..., PL_N: Kandidaten-HF-Pulslängen
PL_i+1: HF-Pulslänge
EP₁, ..., EP_i-1, EP_i, EP_i+1, ..., EP_N: Energieparameterwerte
MP₁, ..., MP_i, MP_i+1, ..., MP_N: Mehrkanal-Puls

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

W. Grishom et al.: „Spatial Domain Method for the Design of RF Pulses in Multicoil Parallel Excitation”, Mag. Res. Med. 56, 620–629, 2006 [0004]
„Fast High-Flip pTx pulse design to mitigate B1+ inhomogeneity using composite pulses at 7 T” von R. Gumbrecht, J. Lee, H-P. Fautz, D. Diehl und E. Adalsteinsson in ISMRM 2010, 101 [0071]

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz (AS), welche einen Mehrkanal-Puls (MP) mit mehreren individuellen, vom Magnetresonanzsystem (1) über verschiedene unabhängige Hochfrequenz-Sendekanäle (S₁, ..., S_N) parallel auszusendenden HF-Pulsen umfasst, wobei auf Basis einer MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe (ZM) in einem HF-Puls-Optimierungsverfahren ein Mehrkanal-Puls (MP) berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass im HF-Puls-Optimierungsverfahren eine HF-Pulslänge (L) hinsichtlich eines HF-Energieparameters (EP) optimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Start-HF-Pulslänge (SL, PL₁) vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des HF-Puls-Optimierungsverfahren ein Zielfunktions-Optimierer (ZFO) verwendet wird, wobei die Zielfunktion auf der MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe (ZM) und dem HF-Energieparameter (EP) basiert und im Zielfunktions-Opimierer die HF-Pulslänge als zusätzliche Variable genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des HF-Puls-Optimierungsverfahrens ein Zielfunktions-Optimierer (ZFO') verwendet wird, welcher iterativ mehrfach durchlaufen wird, wobei bei jedem Iterationsschritt dem Zielfunktions-Optimierer (ZFO') eine aktuelle HF-Pulslänge (PL_i) als Konstante vorgegeben wird, welche für diese HF-Pulslänge (PL_i) einen aktuellen Mehrkanal-Puls (MP_i) ermittelt, und für den aktuellen Mehrkanal-Puls (MP_i) jeweils ein aktueller HF-Energieparameterwert (EP_i) ermittelt wird, und in Abhängigkeit vom aktuellen HF-Energieparameterwert (EP_i) bestimmt wird, ob ein neuer Iterationschritt durchgeführt oder das Iterationsverfahren beendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des HF-Puls-Optimierungsverfahrens ein Zielfunktions-Optimierer (ZFO') verwendet wird, welcher mehrfach durchlaufen wird, wobei für jeden Schritt jeweils eine HF-Pulslänge (PL_i) aus einer Anzahl von vorgegebenen Kandidaten-HF-Pulslängen (PL₁, ..., PL_N) ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im HF-Puls-Optimierungsverfahren eine aktuelle B₀-Map sowie für jeden Sendekanal jeweils eine aktuelle B₁-Map als Eingangsdaten vorgegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe (ZM) eine Ziel-Magnetisierung (ZM) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der HF-Energieparameter (EP) zumindest einen HF-Belastungswert eines vom Magnetresonanzsystem (1) mit den HF-Pulsen bestrahlten Untersuchungsobjekts (O) umfasst.
Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzsystems (1) mit einer Mehrzahl von unabhängigen Hochfrequenz-Sendekanälen (S₁, ..., S_N), bei dem zunächst in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eine Ansteuersequenz (AS) ermittelt und dann das Magnetresonanzsystem (1) unter Nutzung dieser Ansteuersequenz (AS) betrieben wird.
Steuersequenzermittlungseinrichtung (22) zur Ermittlung einer Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz (AS), welche einen Mehrkanal-Puls (MP) mit mehreren individuellen, vom Magnetresonanzsystem (1) über verschiedene unabhängige Hochfrequenz-Sendekanäle (S₁, ..., S_N) parallel auszusendenden HF-Pulse umfasst, mit einer Eingangs-Schnittstelle (23) zur Erfassung einer MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe (ZM), einer HF-Puls-Optimierungseinheit (25), die so ausgebildet ist, dass sie auf Basis einer vorgegebenen MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe (ZM) in einem HF-Puls-Optimierungsverfahren ein Mehrkanal-Puls (MP) berechnet, und einer Steuersequenzausgabe-Schnittstelle (24), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersequenzermittlungseinrichtung (22) derart ausgebildet ist, dass sie im HF-Puls-Optimierungsverfahren eine HF-Pulslänge (L) hinsichtlich eines HF-Energieparameters (EP) optimiert.
Magnetresonanzsystem (1) mit einer Mehrzahl von unabhängigen Hochfrequenz-Sendekanälen (S₁, ..., S_N), mit einem Gradientensystem (4) und einer Steuereinrichtung (10), welche ausgebildet ist, um zur Durchführung einer gewünschten Messung auf Basis einer vorgegeben Ansteuersequenz (AS) einen Mehrkanal-Puls (MP) mit mehreren parallelen individuellen HF-Pulsen über die verschiedenen Hochfrequenz-Sendekanäle (S₁, ..., S_N) auszusendenden, gekennzeichnet durch eine Steuersequenzermittlungseinrichtung (22) nach Anspruch 10, um eine Ansteuersequenz (AS) zu ermitteln und diese an die Steuereinrichtung (10) zu übergeben.
Computerprogramm, welches direkt in einen Speicher einer Steuersequenzermittlungseinrichtung (22) ladbar ist, mit Programmcodeabschnitten, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen, wenn das Programm in der Steuersequenzermittlungseinrichtung (22) ausgeführt wird.