DE102011007825A1

DE102011007825A1 - Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Verteilung von Magnetresonanzsignalen in Subvolumen eines Untersuchungsobjektes

Info

Publication number: DE102011007825A1
Application number: DE102011007825A
Authority: DE
Inventors: Dr. Ruhm Wolfgang; Johannes Schneider; Peter Ullmann
Original assignee: Bruker Biospin MRI GmbH
Current assignee: Bruker Biospin MRI GmbH
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2012-10-25
Anticipated expiration: 2031-04-21
Also published as: US20150084627A1; DE102011007825B4; US9958522B2; WO2012143369A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Verteilung von Magnetresonanzsignalen aus mindestens einem von N nicht überlappenden Subvolumina, wobei eine Messsequenz mit Kodierschritten gewählt wird, wobei jeder Kodierschritt die Einstrahlung von einem oder mehreren räumlich selektiven HF-Pulsen enthält; ein Empfangskodierschema vorgegeben wird, welches für mindestens eines der Subvolumina, aber nicht für das gesamte Untersuchungsvolumen (U) eine eindema festgelegt wird, wobei eine Kodierung über die Amplitude und/oder Phase der Transversalmagnetisierung erfolgt, wobei an keinem Ort innerhalb eines jeden Subvolumens dieselbe Kodierung vorgegeben wird wie in einem anderen Subvolumen; der zeitliche Amplituden- und Phasenverlauf der HF-Pulse berechnet wird; und zur Durchführung aller Kodierschritte jeder Empfangskodierschritt, I mal mit Variationen gemäß den I Sendekodierschritten des Sendekodierschemas ausgeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die ortsauflösende MR-Signalkodierung und Bildrekonstruktion weitgehend Subvolumina des Untersuchungsobjektes einzuschränken, ohne dass die erzielbare Bildqualität dabei empfindlich von Imperfektionen der MR-Apparatur abhängt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Verteilung von Magnetresonanzsignalen aus einem oder mehreren nicht überlappenden Subvolumina eines Untersuchungsobjektes im Messvolumen einer Magnetresonanzapparatur.
Ein solches Verfahren ist bekannt aus [1].
Bei dem aus [1] bekannten Verfahren wird zur Reduktion der Messdauer und/oder zur Verbesserung der Ortsauflösung ein Empfangskodierschema zur Ortskodierung der Magnetresonanzsignale verwendet, welches nur für eingeschränkte Teilbereiche des Untersuchungsobjektes eine eindeutige Ortskodierung in mindestens einer Dimension festlegt. Die erforderliche Eindeutigkeit der räumlichen Zuordnung der empfangenen Magnetresonanzsignale wird dadurch erreicht, dass bei der Ausführung jedes Ortskodierschrittes des Empfangskodierschemas zur Anregung transversaler Magnetisierung räumlich selektive Hochfrequenzpulse eingestrahlt werden, die zur anschließenden Signalaufnahme beitragende Transversalmagnetisierung innerhalb des Untersuchungsobjektes auf ein abzubildendes Subvolumen, welches innerhalb eines eindeutig kodierbaren Teilbereiches liegt, einschränken. Daher werden bei der in jedem Kodierschritt anschließend erfolgenden Signalaufnahme nur solche Magnetresonanzsignale gemessen, die von in dem Subvolumen befindlichen Kernspins hervorgerufen worden sind. Abschließend werden in einem Rekonstruktionsschritt eine oder mehrere räumliche Verteilungen der Magnetresonanzsignale innerhalb des abzubildenden Subvolumens oder daraus abgeleitete Größen berechnet und die Ergebnisse des Rekonstruktionsschritts gespeichert und/oder dargestellt. Die Einschränkung auf das gewählte Subvolumen bietet den Vorteil, dass der Aufwand für die Ortskodierung entsprechend eingeschränkt werden kann, was bei klassischen Ortskodierverfahren zu einer Verkürzung der Messdauer bei gleicher Ortsauflösung, zu einer Verbesserung der Ortsauflösung bei gleicher Messdauer oder zu einer Kombination dieser Vorteile benutzt werden kann.
Die bildgebende Magnetresonanz (MRI: Magnetic Resonance Imaging), auch als Magnetresonanztomographie (MRT) bezeichnet, ist eine weitverbreitete Technik zur nichtinvasiven Gewinnung von Bildern des Innern eines Untersuchungsobjektes und beruht auf der ortsaufgelösten Messung von Magnetresonanzsignalen aus dem Untersuchungsobjekt. Indem das Untersuchungsobjekt innerhalb des Messvolumens einer Magnetresonanzapparatur einem im Wesentlichen statischen und homogenen magnetischen Grundfeld, auch als Hauptmagnetfeld bezeichnet, ausgesetzt wird, werden in ihm enthaltene Kernspins bzgl. der Richtung des Grundfeldes, in der Regel als z-Richtung eines magnetgebundenen Koordinatensystems gewählt, orientiert. Die damit verbundene Ausrichtung der magnetischen Dipolmomente der Atomkerne führt zu einer Magnetisierung innerhalb des Untersuchungsobjektes in Richtung des Hauptmagnetfeldes, die als Longitudinalmagnetisierung bezeichnet wird. Bei der MR-Untersuchung (MR: Magnetische Resonanz bzw. Magnetic Resonance) wird durch Einstrahlung von elektromagnetischen HF-Pulsen (HF: Hochfrequenz) mittels einer oder mehrerer HF-Sendeantennen, im Folgenden auch als Sendeelemente einer HF-Sendeantenneneinrichtung bezeichnet, diese Magnetisierung innerhalb des Untersuchungsobjekts zu einer Präzessionsbewegung angeregt, deren Frequenz proportional zu der lokalen magnetischen Feldstärke ist. Der Vektor der Magnetisierung wird dabei um einen Winkel, der im Folgenden als Auslenkungswinkel oder Flipwinkel bezeichnet wird, aus der Gleichgewichtslage (z-Richtung) ausge-lenkt.
Bei den heute verwendeten MRI-Verfahren wird den Präzessionsbewegungen der Kernspins durch zeitlich variierte Überlagerungen von zusätzlichen ortsabhängigen Magnetfeldern, im Folgenden als Zusatzmagnetfelder bezeichnet, für alle drei Raumrichtungen eine räumliche Kodierung, im Allgemeinen als Ortskodierung bezeichnet, aufgeprägt. Diese Zusatzmagnetfelder weisen üblicherweise innerhalb des Untersuchungsobjekts im wesentlichen konstante Gradienten der z-Komponente in den Raumrichtungen x, y und z auf und werden von einer als Gradientensystem bezeichneten Spulenanordnung, die für die Raumrichtungen jeweils von einem sog. Gradientenkanal angesteuert werden, erzeugt. Seit einigen Jahren gibt es allerdings verschiedene Bildgebungstechniken, bei welchen auch nichtlineare Zusatzmagnetfelder mit räumlich variierenden Gradienten zum Einsatz kommen. Ist im Folgenden von linearen und nichtlinearen Magnetfeldern die Rede, ist dies, soweit nicht anders genannt, stets auf den räumlichen Verlauf der z-Komponente der Zusatzmagnetfelder bezogen. Die Ortskodierung wird üblicherweise durch ein Schema in einem dem Ortsraum über eine Fouriertransformation konjugierten Raum, dem sog. k-Raum, beschrieben. In diesem k-Raum-Formalismus, der nur bei der Verwendung von Magnetfeldern mit im Raum konstantem Gradienten anwendbar ist, lässt sich das Schalten von Zusatzmagnetfeldpulsen als das Durchlaufen einer Trajektorie im k-Raum, der sog. k-Raum-Trajektorie, beschreiben.
Die Transversalkomponente der mit den Kernspins verbundenen präzedierenden Magnetisierung, im Folgenden auch Transversalmagnetisierung genannt, induziert in einer oder mehreren HF-Empfangsantennen, welche das Untersuchungsobjekt umgeben und im Folgenden auch als HF-Empfangselemente einer HF-Empfangsantenneneinrichtung bezeichnet werden, elektrische Spannungssignale, die auch als Magnetresonanzsignale (MR-Signale) bezeichnet werden. Mittels Pulssequenzen (oder Messsequenzen), welche speziell gewählte Abfolgen von HF-Pulsen und Zusatzmagneffeldpulsen (kurzzeitiges Anlegen von zeitlich konstanten oder veränderlichen Zusatzmagnetfeldern) enthalten, werden zeitlich veränderliche Magnetresonanzsignale derart erzeugt, dass sie in entsprechende räumliche Abbildungen umgesetzt werden können. Dies erfolgt nach einer von vielen wohlbekannten Rekonstruktionstechniken, nachdem die MR-Signale mittels eines elektronischen Empfangssystems aufgenommen, verstärkt und digitalisiert, sowie mittels eines elektronischen Rechnersystems verarbeitet und in ein- oder mehrdimensionale Datensätzen abgespeichert worden sind. Typischerweise enthält die verwendete Pulssequenz eine Abfolge von Messabläufen, als Kodierschritte bezeichnet, in denen z. B. Gradientenpulse gemäß dem gewählten Ortskodierschema variiert werden. Ein Kodierschritt umfasst in der Regel die Anregung von Kernspins, mindestens eine Ortskodierung und die Aufnahme von den MR-Signalen.
In der klassischen MR-Bildgebung werden die zu untersuchenden Kernspins im gesamten Untersuchungsobjekt gleichzeitig angeregt und ihre räumliche Lokalisierung durch Aufprägung einer ortsabhängigen Phasen- und/oder Frequenzkodierung ihrer Präzessionsbewegung realisiert. Die Aufprägung der Ortskodierung mittels Zusatzmagnetfeldpulsen erfolgt einerseits durch Anlegen sog. Phasen(kodier)gradienten in einer der HF-Anregung zeitlich nachgelagerten Phasenkodierperiode, in der eine ortsabhängige Phasenänderung der Präzessionsbewegung erfolgt, andererseits während des Signalauslesens durch Anlegen eines sog. Auslesegradienten, wodurch eine ortsabhängige Modulation der Präzessionsfrequenz erfolgt. Beide Kodierungen erfolgen üblicherweise nach einem Kodierschema, welches die Bestimmung der räumlichen Verteilung der Magnetresonanzsignale mittels einer Fourier-Transformation gestattet. Für spezielle Zielsetzungen finden aber auch andere Bildrekonstruktionsverfahren Anwendung.
Bei Einsatz von HF-Empfangsantenneneinrichtungen mit mehreren Empfangselementen, welche unterschiedliche räumliche Empfangsprofile besitzen, kann auch die darin enthaltene Ortsinformation zur Ortskodierung der empfangenen MR-Signale verwendet werden. Üblicherweise wird diese sog. Sensitivitätskodierung in Kombination mit einer Phasen- und/oder Frequenzkodierung eingesetzt und es ist eine Fülle unterschiedlicher Verfahren zur Bildrekonstruktion derart kodierter MR-Signale bekannt.
Ist im Folgenden von einem Ortskodierschema die Rede, ist damit eine Messvorschrift gemeint, in der eines oder eine Kombination der bekannten Ortskodierverfahren zur Anwendung kommt, und welche für die derart gemessenen MR-Signale innerhalb eines bestimmten Teils des Messvolumens eine eindeutige räumliche Zuordnung von MR-Signalkomponenten mit einer bestimmten Ortsauflösung gestattet. D. h. im Prinzip wird aus den in allen Kodierschritten gemessenen MR-Signalen ermittelt, in welchem Maße ein bestimmtes Volumenelement (Pixel oder Voxel) des Untersuchungsobjekts zum MR-Signal beiträgt. Wenn in Folgenden die Begriffe ortsaufgelöst” oder „ortsauflösend” benutzt werden, soll damit die Eigenschaft gemeint sein, dass es mindestens zwei Orte gibt, denen man MR-Signalkomponenten in eindeutiger Weise zuordnen kann. In der Praxis werden bei einer ortsaufgelösten Rekonstruktion Komponenten aufgenommener MR-Signale den Pixeln oder Voxeln einer zu generierenden Bildmatrix zugeordnet.
Die räumlich selektive Anregung ist eine in der Magnetresonanzbildgebung weit verbreitete Technik, welche dazu genutzt wird, die bei der Anregung erzeugte Transversalmagnetisierung räumlich einzuschränken und/oder deren Amplitude und Phase im Anregungsvolumen räumlich zu variieren. Analoges gilt für räumlich selektive Inversion und räumlich selektive Refokussierung, wobei HF-Pulse mit anderen Funktionen im Rahmen einer Pulssequenz in analoger Weise mit räumlich selektiven Eigenschaften ausgestattet werden. Bei der Schichtselektion, dem häufigsten Fall der selektiven Anregung, Inversion und Refokussierung, wird das Anregungs-, das Inversions-, bzw. das Refokussierungsvolumen auf eine vorgegebene Schicht reduziert. Auch in der volumen-selektiven MR-Spektroskopie (MRS) basiert die Selektion eines – in der Regel in Relation zum Untersuchungsobjekt kleinen – Untersuchungsgebiets üblicherweise auf schichtselektiven Anregungs- und Refokussierungspulsen, wobei die räumliche Selektivität sukzessive jeweils nur in einer Raumrichtung mittels eines entsprechenden Gradientenpulses erzeugt wird.
Für Mehrschichtaufnahmen wurden auch MRI- und MRS-Verfahren entwickelt, bei denen in mehreren Phasenkodierschritten gleichzeitig mehrere im Wesentlichen parallele Schichten mit unterschiedlicher Phasenkodierung angeregt und deren Magnetresonanzsignale aufgenommen werden. Durch geeignete Datenrekonstruktion, z. B. eine Hadamard-Transformation, wird dann eine Zuordnung der Signale zu der jeweiligen Anregungsschicht vorgenommen wird [2].
Die mehrdimensionale räumlich selektive Anregung mittels multi-dimensionaler HF-Pulse [3] bei welcher das Anregungsvolumen in mehr als einer Richtung eingeschränkt bzw. die Anregung in mehr als einer Richtung moduliert wird, hat ebenfalls zahlreiche Anwendungen hervorgebracht. Zu nennen sind hier die Anregung eines kleinen dreidimensionalen Volumens oder auch gleichzeitig mehrerer Volumina innerhalb eines wesentlich größeren Untersuchungsobjektes für lokalisierte Spektroskopie, die Abbildung einer selektiv angeregten „Region of interest” (ROI) mit reduziertem Sichtfeld (FOV: Field of View) zwecks Messzeitverkürzung, die Anregung spezieller, an Strukturen des Untersuchungsobjekts angepasster Volumina oder auch die echo-planare Bildgebung mit reduzierten Echozuglängen. Weiterhin kann die Amplituden- und Phasenmodulation der Transversalmagnetisierung bei der Anregung auch dazu genutzt werden, um nachteilige Effekte eines inhomogenen magnetischen Sendefeldes (B₁-Feld) der zum Anregen verwendeten HF-Sendeantennen zu kompensieren. Dies ist eine Anwendung, welche heutzutage aufgrund der starken Zunahme von Hochfeld-MRI-Systemen, bei welchen derartige Inhomogenitäten besonders auftreten, immens an Bedeutung gewonnen hat. Neben ihrer Verwendung für die Anregung können multi-dimensionale HF-Pulse aber auch zur räumlich selektiven Inversion oder Refokussierung der Magnetisierung genutzt werden.
Ebenso sind MRI- und MRS-Verfahren bekannt, bei denen Kernspins innerhalb eines oder mehrerer räumlich separierter Untersuchungsgebiete, und nur dort, mittels mehrdimensionaler HF-Anregung simultan selektiv angeregt werden und bei dieser Anregung mittels eines geeigneten Kodierschemas den Magnetresonanzsignalen eine Phasenkodierung aufgeprägt wird, die bei simultaner Aufnahme der Magnetresonanzsignale aller Untersuchungsgebiete eine Separierung der Signale bzgl. ihres Ursprungsgebietes und/oder die Bestimmung ihrer räumlichen Verteilung innerhalb dieser Gebiete ermöglicht [4].
Gemäß dem in [5] offengelegten Verfahren ist es auch möglich, eine Erzeugung von Phasenmustern der transversalen Magnetisierung während der Anregung dazu zu verwenden, eine teilweise oder vollständige Ortskodierung der Magnetresonanzsignale während der Anregung zu erzielen. Durch wiederholte Anregung mit unterschiedlichen, gemäß einem Phasenkodierschema festgelegten Phasenmustern und jeweils nachfolgender Datenaufnahme wird in mehreren Phasenkodierschritten ein Gesamtdatensatz gewonnen, der dann dem Ortskodierschema entsprechend ortsaufgelöst rekonstruiert wird und z. B. zwei- oder dreidimensionale Bilder des Untersuchungsobjekts liefert. Diese Verfahren zur Ortskodierung wird im Folgenden als Anregungskodierung bezeichnet. Analog kann eine derartige Ortskodierung mit HF-Sendepulsen auch bei der räumlich selektiven Inversion oder Refokussierung vorgenommen werden. Allgemein soll im Folgenden von einer Sendekodierung die Rede sein, wenn allgemein während der Einstrahlung von räumlich selektiven HF-Pulsen eine Ortskodierung der Magnetisierung vorgenommen wird.
Für den praktischen Einsatz von multi-dimensionalen HF-Pulsen hat sich ein weiterer Aspekt des technischen Fortschritts der vergangenen Jahre als vorteilhaft erwiesen, welcher in [6] ausführlich beschrieben ist. Zunächst wurde die räumlich selektive Anregung in der Vergangenheit mittels einer einzelnen HF-Sendeantenne mit einem im Wesentlichen homogenen Sendefeld (B₁-Feld) in Kombination mit dem Gradientensystem durchgeführt. Inspiriert durch den Erfolg der Parallelen Bildgebung, bei welcher die Signalaufnahme mit einer HF-Empfangsantenneneinrichtung mit mehreren Empfangselementen, in der Fachliteratur auch als Antennenarray bezeichnet, durchgeführt wird, ist man inzwischen dazu übergegangen, auch bei der räumlich selektiven Anregung solche aus mehreren Sendelementen bestehenden HF-Sendeantenneneinrichtungen, betrieben an mehreren unabhängigen HF-Sendekanälen der MR-Apparatur, zum Senden einzusetzen. Damit ist man in der Lage, die Ortskodierung, welche bei multi-dimensionalen HF-Pulsen in Analogie zur Datenaufnahme durch Variation von Zusatzmagnetfeldern realisiert wird, partiell durch sog. Sensitivitätskodierung zu ersetzen und damit die Länge der Anregungspulse zu reduzieren. Dies bedeutet, dass man die unterschiedlichen räumlichen Variationen der HF-Sendefelder der einzelnen Arrayelemente, im Folgenden auch als Sendeprofile bezeichnet, ausnutzt.
Da die Länge selektiver Anregungspulse im Einkanal-Sendefall meist eines der limitierenden Kriterien für die Anwendbarkeit dieser Technik war, ist die sog. Parallele Anregung (PEX: Parallel Excitation) oder mehrkanalige Anregung ein viel versprechender Ansatz, um räumlich selektive Anregung in noch breiterer Weise einzusetzen, als bisher geschehen. Die Ortskodierung während des Sendens von HF-Pulsen zum Zweck der selektiven Anregung, im Folgenden räumliche HF-Puls-Kodierung genannt, ermöglicht, dass Amplitude und Phase der während des Sendevorgangs erzeugten transversalen Magnetisierung ortsabhängig eingestellt werden können. Diese räumliche HF-Pulskodierung ist einerseits von der klassischen Ortskodierung im Akquisitionsfall, im Folgenden als Empfangskodierung bezeichnet, zu unterschieden, welche als im Rahmen der Datenaufnahme in einer der Anregung nachgelagerten Periode ohne HF-Einstrahlung, Insbesondere auch während der Datenaufnahme, (z. B. als Phasen-, Frequenz- oder Sensitivitätskodierung) erfolgt, und andererseits von der bereits oben erwähnten Sende- bzw. Anregungskodierung, bei der in mehreren Kodierschritten mittels räumlich selektiver HF-Pulse ortskodierende Amplituden- und/oder Phasenverteilungen der Transversalmagnetisierung der Kernspins generiert werden.
Eine der Grundfragen beim Einsatz räumlich selektiver Anregung ist die Bestimmung der HF-Pulse, welche von der Sendeantenneneinrichtung abgespielt werden müssen, um in Kombination mit den Zusatzmagnetfeldpulsen, z. B. durch eine k-Raum-Trajektorie beschrieben, das gewünschte Anregungsmuster zu generieren. In [3] beschreiben Pauly et al. ein Verfahren für die einkanalige räumlich selektive Anregung, mit welchem die gesuchte Pulsform B₁(t) aufgrund einer mathematischen Analogie der selektiven Anregung mit der Fourier-Bildgebung im Wesentlichen durch Fourier-Transformation des gewünschten Anregungsmuster und Abtastung der Fourier-Transformierten entlang der vorgegebenen k-Raum-Trajektorie berechnet werden kann. Katscher et al. erweiterten dieses Berechnungsverfahren für den Fall eines Antennenarrays mit mehreren unabhängigen Sendekanälen [6].
Neben diesen Verfahren der räumlich selektiven Anregung, welche dadurch charakterisiert sind, dass während der Anregung der Kernspins durch HF-Pulse gleichzeitig Zusatzmagnetfeldpulse mit ortskodierender Wirkung appliziert werden, sind auch Techniken entwickelt worden, bei den ohne zusätzliches Einwirken von Gradientenfeldern eine räumliche Amplituden- und/oder Phasenmodulation der Transversalmagnetisierung durch reine Superposition entsprechend ausgelegter HF-Pulse, die gleichzeitig mit mindestens 2 Sendeantennenelementen eingestrahlt werden, erzielt wird [7].
Als räumlich selektiver Hochfrequenzpuls wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die Gesamtheit aller über ein oder mehrere Sendekanäle gleichzeitig eingestrahlten HF-Pulse bezeichnet, welche es aufgrund ihrer Freiheitsgrade erlaubt, an unterschiedlichen Orten des Objekts gleichzeitig eine unterschiedliche Änderung des Magnetisierungszustandes zu realisieren – unabhängig davon, ob dies in Kombination mit Pulsen ortskodierender Zusatzmagnetfelder erfolgt oder nicht. Unter einer Kombination von HF-Pulsen mit Zusatzmagneffeldpulsen versteht man dabei sowohl das gleichzeitige Einstrahlen von HF-Pulsen und Anlegen von Zusatzmagnetfeldern als auch das verschachtelte Anlegen von Zusatzmagnetfeldern und HF-Pulsen. Ein HF-Puls umfasst mindestens eine HF-Wellenform, wobei jede HF-Wellenform von genau einem Sendeelement ausgestrahlt wird und durch einen zeitlichen Amplitude- und Phasenverlauf beschrieben werden kann.
Typisch für die klassische MRI ist, dass der gesamte Teil des Untersuchungsobjektes, der sich im Messvolumen der MR-Apparatur befindet, angeregt wird und/oder dass schichtselektive HF-Pulse das Untersuchungsvolumen eindimensional einschränken und dass die verwendeten Empfangskodierschemata das Untersuchungsobjekt mindestens in zwei Dimensionen vollständig ortskodieren müssen, da zu den aufgenommenen MR-Signale im allg. Kernspins aus allen Teilen des Untersuchungsvolumens beitragen. Andernfalls würden nicht ortskodierte Signalkomponenten zur Bildartefakten und anderen Verschlechterungen von Abbildungstreue und Bildqualität führen. Da in vielen Fällen bei MRI-Untersuchungen nur relativ kleine, oft tief in Innern liegende Teile des Untersuchungsobjektes, z. B. bei In-vivo-Untersuchungen durch bestimmte Organe definierte innere Volumina, von Interesse sind und der zusätzliche zeitliche Aufwand für die Ortskodierung des restlichen Untersuchungsvolumens erheblich ist und im engeren Sinne nicht zur Zielsetzung der Untersuchung beiträgt, ist es wünschenswert, über Verfahren zu verfügen, die die Bildkodierung und – rekonstruktion möglichst weitgehend auf das oder die eigentlich interessierenden Volumina, im folgen als Rol(s) (Region(s) of Interest) bezeichnet, einzuschränken.
Wie oben schon erwähnt, ist ein bekanntes Verfahren zur Erreichung dieses Ziels, mittels räumlich selektiver HF-Pulse die Anregung der Kernspins auf die Rol(s) einzuschränken, das Ortskodierschema so anzulegen, dass diese Rol(s) möglichst knapp überdeckt werden und mit entsprechend verkürzter Messdauer und/oder erhöhter Ortsauflösung nur diese Rol(s) abzubilden.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist zunächst die Notwendigkeit, bei der HF-Anregung möglichst keinerlei MR-Signale außerhalb der Rol(s) zu generieren, da jedes residuelle Signal zu Bildverfälschungen führen kann. Diese Notwendigkeit stellt höchste Ansprüche an die MR-Apparatur, da, wie die praktische Erfahrung zeigt, schon geringe Imperfektionen beim Ablauf der Messsequenz zu Fehlern in der ortsabhängigen Ausprägung der angeregten Transversalmagnetisierung führen. Fehlerursachen können z. B. Inhomogenitäten des Grundfeldes, Wirbelstromeffekte bei der Erzeugung der Zusatzmagnetfeldpulse, Synchronisationsungenauigkeiten beim Generieren von HF- und Zusatzmagnetfeldpulsen sein.
Darüber hinaus wirkt sich bei verschiedenen MRI-Messsequenzen die in den verschiedenen Bereichen des Untersuchungsvolumens sehr unterschiedliche Ausbildung eines dynamischen Gleichgewichts (Steady State) der Magnetisierung nachteilig aus. Diese Unterschiede sind bedingt durch die stark unterschiedlichen Flipwinkel innerhalb und außerhalb der Rol und durch Inhomogenitaten physikalischer Parameter des Untersuchungsobjektes, z. B. Relaxationszeiten. Wünschenswert ist daher, im Innen- und Außenbereich der gewählten Rols ähnliche dynamische Gleichgewichtszustände der Magnetisierung zu generieren, um die verwendeten räumlich selektiven Pulse unabhängiger von lokalen Eigenschaften des Untersuchungsobjektes und der Messapparatur zu machen.
Aufgabe der Erfindung
Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, ein MR-Mess- und Rekonstruktionsverfahren bereitzustellen, welches gestattet, die ortsauflösende MR-Signalkodierung und Bildrekonstruktion möglichst weitgehend auf eine oder mehrere ausgewählte Subvolumina des Untersuchungsobjektes einzuschränken, ohne dass die damit erzielbare Bildqualität dabei empfindlich von Imperfektionen der MR-Apparatur abhängt.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wir durch ein Verfahren gemäß Patenanspruch 1 gelöst, wobei zur Bestimmung der räumlichen Verteilung von Magnetresonanzsignalen aus mindestens einem von N nicht überlappenden Subvolumina eines Untersuchungsobjekts im Messvolumen einer Magnetresonanzapparatur, mit N ≥ in einem Vorbereitungsschritt

• eine Messsequenz mit Kodierschritten gewählt wird, wobei jeder Kodierschritt die Einstrahlung von einem oder mehreren räumlich selektiven HF-Pulsen enthält, mittels welchem/n in jedem Kodierschritt jeweils eine Magnetisierungsänderung bewirkt wird;
• die N Subvolumina, N ≥ 2, so gewählt werden, dass sie zusammen mindestens das Untersuchungsvolumen vollständig abdecken, wobei das Untersuchungsvolumen dem Teil des Untersuchungsobjektes entspricht, in dem beim Ausführen der gewählten Messsequenz angeregte Kernspins zu mindestens einem der aufgenommenen MR-Signale beitragen,
• ein Empfangskodierschema mit K Empfangskodierschritten, K ≥ 1, vorgegeben wird, welches für mindestens eines der Subvolumina, eine eindeutigen Ortskodierung in mindestens einer räumlichen Dimension festlegt, wobei diese Ortskodierung aber in mindestens einer dieser Dimensionen nicht für das gesamte Untersuchungsvolumen eindeutig ist
• ein Sendekodierschema mit I Sendekodierschritten, mit I ≥ N ≥ 2, festgelegt wird, wobei eine Kodierung über die mittels der Magnetisierungsänderung ortsabhängig eingestellte Amplitude und/oder Phase der Transversalmagnetisierung erfolgt und für jeden dieser I Sendekodierschritte die Magnetisierungsänderung derart vorgegeben wird, dass an keinem Ort innerhalb eines jeden Subvolumens dieselbe Kodierung vorgegeben wird wie an einem anderen Ort innerhalb eines anderen Subvolumens, und
• der zeitliche Amplituden- und Phasenverlauf der zur Bewirkung der Magnetisierungsänderungen einzustrahlenden räumlich selektiven HF-Pulse berechnet wird;

Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Verteilung von Magnetresonanzsignalen aus einem oder mehreren Rol(s) innerhalb eines Untersuchungsobjektes, wobei durch Einschränkung der Bildgebung auf diese Rol(s) eine Verkürzung der Messdauer und/oder Erhöhung der Bildauflösung ermöglicht wird und durch Kodierung mittels räumlich selektiver HF-Pulse einerseits von außerhalb der Rol(s) aufgenommene MR-Signale von der Bildrekonstruktion ausgeschlossen werden und andererseits jeder einzelnen Rol die aus ihr entstammenden MR-Signale zugeordnet werden können, sodass das der Bildrekonstruktion zugrunde liegende Empfangskodierschema nur für die Vereinigung aller Rols oder einen Teil davon eindeutig sein muss oder sogar im Fall mehrerer Rols der Kodieraufwand bei der Messung auf den für eine einzelne Rol reduziert werden kann.
Die Grundidee der Erfindung ist:

• Es werden mindestens 2 nicht überlappende Subvolumina des Untersuchungsobjektes gewählt, welche beliebige Form und Größe besitzen können und zusammen das Untersuchungsvolumen vollständig abdecken, wobei das Untersuchungsvolumen dem Teil eines Untersuchungsobjektes innerhalb einer Magnetresonanzapparatur entspricht, in dem beim Ausführen der gewählten Messsequenz angeregte Kernspins zu den aufgenommenen MR-Signale beitragen.
• Eines oder mehrere dieser Subvolumen sind so gewählt, dass sie jeweils eine oder mehrere der Rol(s) abdecken, für die eine ortsaufgelöste Messung durchgeführt werden soll, z. B. zur Generierung eines zwei- oder dreidimensionales Bildes der Spindichte. Für das oder die zur Abbildung gewählten Subvolumina, die sog. Abbildungsvolumina, wird ein Empfangskodierschema gewählt, welches nicht gestattet, das gesamte Untersuchungsvolumen ortsaufgelöst abzubilden. Um die Messdauer möglichst klein zu halten, sollte dieses Ortskodierschema nur für einen Bereich, der die Abbildungsvolumen möglichst knapp einschließt, eine ortsauflösende Kodierung mit vorgegebener Ortsauflösung realisieren. Falls mehrere Abbildungsvolumen gewählt werden, ist es bzgl. für die Messdauer vorteilhaft, das Empfangskodierschema so zu wählen, dass jedes der Abbildungsvolumen eindeutig ortskodiert wird, nicht jedoch in eindeutiger Weise die Vereinigung aller Abbildungsvolumina. Die Abbildungsvolumina zusammen bilden zusammen das sog. Innenvolumen, die restlichen Subvolumina das sog. Außenvolumen. In den meisten Fällen ist es vorteilhaft, als Außenvolumen ein einziges Subvolumen zu wählen.
• Es wird ein zweites Kodierschema, das Sendekodierschema, mit mindestens N Kodierschritten gewählt, mit dem bei der Messung mittels Einstrahlung räumlich selektiver HF-Pulse alle MR-Signale aus dem Untersuchungsvolumen so kodiert werden, dass bei der späteren Rekonstruktion die Gesamtheit der Signale aller Kodierschritte in N Komponenten zerlegt werden kann, von denen jede einem der N Subvolumen zugeordnet werden kann. Diesem Sendekodierschema gemäß wird für jeden der N Kodierschritte und für mindestens das gesamte Untersuchungsvolumen eine Magnetisierungsänderung festgelegt. Die Magnetisierungsänderung ist als die Verteilung der Änderung der Transversalmagnetisierung definiert, die mit einem oder mehreren räumlich selektiven HF-Puls in einem Sendekodierschritt zu bewirken ist. Über die N Kodierschritte hinweg sollen nach den Vorgaben des Sendekodierschemas für jeden Ort innerhalb des Untersuchungsvolumens die dort erzeugten MR-Signale in Amplitude und/oder Phase so gekennzeichnet werden, dass der damit erzeugte Kode eindeutig einem Subvolumen zugeordnet werden kann. Vorteilhaft ist es, alle Orte innerhalb eines jeden Subvolumens mit dem Sendekodierschema gleichartig zu kodieren, aber Orte in verschiedenen Subvolumina unterschiedlich. Für jeden Sendekodierschritt wird mindestens ein für diesen Kodierschritt spezifischer räumlich selektiver HF-Puls berechnet, mittels dessen/deren Einstrahlung die für diesen Kodierschritt festgelegte Magnetisierungsänderung bewirkt wird.
• Bei Durchführung der Messung werden mehrere Kodierschritte durchgeführt, die durch eine verschachtelte Ausführung der Sende- und Empfangskodierschritte vorgegeben werden. Dabei ist jeder Kodierschritt gemäß Empfangskodierschema N-mal gemäß Sendekodierschema auszuführen, wobei bei den Wiederholungen gemäß Sendekodierschema lediglich die eingestrahlten räumlich selektiven HF-Pulse gemäß den für jeden der I Kodierschritte erfolgten Vorberechnungen variiert werden. Dabei ist die Reihenfolge der Ausführung der einzelnen Kodierschritte nicht vorgeschrieben.
• Bei der Datenrekonstruktion werden die MR-Signalkomponenten aus dem Außenvolumen abgetrennt. Nur für das Innenvolumen, d. h. die gewählten Abbildungsvolumina, erfolgt eine ortsauflösende Rekonstruktion, z. B. die Berechnung von zwei- oder dreidimensionalen Bildern. Auch hier ist die Reihenfolge nicht festgelegt. Es kann z. B auch zunächst die Bildrekonstruktion für jedes Abbildungsvolumen erfolgen und dann können die i. Allg. dabei auftretenden Einfaltungen durch Rekonstruktion gemäß Sendekodierschema entfernt werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Weitere Varianten sowie weitere vorteilhafte Eigenschaften und Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Sendekodierschema über die I Sendekodierschritte hinweg nur die mittels der Magnetisierungsänderung ortsabhängig einzustellende Amplitude der Transversalmagnetisierung vorgibt. Die Kodierung gemäß Sendekodierschema umfasst also eine Amplitudenkodierung durch unterschiedliche Variation der Amplituden der transversalen Magnetisierung über die I Kodierschritte hinweg. Eine mögliche Variante für eine solche Amplitudenkodierung bei N Subvolumina wäre, in jedem Kodierschritt des Sendekodierschemas in jeweils einem anderen Subvolumen eine Amplitude A1 der Transversalmagnetisierung einzustellen, in den übrigen Subvolumina eine von A1 verschiedene Amplitude A2.
Besonders bevorzugt ist eine alternative Variante, bei der das Sendekodierschema über die I Sendekodierschritte hinweg nur die mittels der Magnetisierungsänderung ortsabhängig einzustellende Phase der Transversalmagnetisierung vorgibt. Die Kodierung gemäß Sendekodierschema A umfasst dann also eine Phasenkodierung durch unterschiedliche Variation der Phasen der transversalen Magnetisierung über die I Kodierschritte hinweg. Eine mögliche Variante für eine solche Phasenkodierung bei N Subvolumina wäre, in jedem Kodierschritt des Sendekodierschemas in jeweils einem anderen Subvolumen eine Phase P1 der Transversalmagnetisierung einzustellen, in den übrigen Subvolumina eine von P1 verschiedene Phase P2.
Eine für den praktischen Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders bevorzugte Variante ist gegeben, wenn die Gesamtheit der Abbildungsvolumina ein nicht zusammenhängendes Gebiet darstellt. Ein interessantes Beispiel für diese Variante ist die gleichzeitige Abbildung von relativ weit auseinander liegenden, relativ kleinen Rols, gemessen an der Größe des Untersuchungsvolumens.
Besonders große Vorteile bietet das erfindungsgemäße Verfahren, wenn die Abbildungsvolumina auf die für die Messaufgabe unbedingt erforderliche Größe eingeschränkt werden. Wird für eine gewünschte Ortsauflösung der Messaufwand für das Ausführen des Empfangskodierschemas durch Eingrenzung auf die tatsächlichen Rols reduziert, kann eine erhebliche Einsparung von Messzeit erzielt werden.
Eine einfache Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass genau ein Abbildungsvolumen gewählt wird. Für viele Bildgebungsaufgaben wird dies die interessanteste Verwendung des erfinderischen Verfahrens sein.
Sehr effektiv lässt sich das erfinderische Verfahren einsetzen, wenn mehrere Abbildungsvolumina gleichzeitig gemessen werden sollen. Z. B. kann durch Anpassung des Empfangskodierschemas auf das größte dieser Abbildungsgebiete und bei gleichzeitiger Nutzung derselben Empfangskodierschritte für alle Abbildungsvolumina eine signifikante Messzeitreduktion erzielt werden. Bei einer alternativen Variante werden daher zwei Abbildungsvolumina gewählt und jedes dieser Abbildungsvolumina mit dem Empfangskodierschema eindeutig ortskodiert, nicht aber die Vereinigung der Abbildungsvolumina.
Vorteilhaft bzgl. der erzielten Bildqualität und einer Verkürzung der Messzeit kann der Einsatz von mehreren Empfangselementen zum Empfang der MR-Signale sein. Insbesondere können diese Vorteile durch den Einsatz Paralleler Bildgebungstechniken (parallel imaging) genutzt werden.
Eine weitere, besonders vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Magnetisierungsänderungen mittels mindestens zwei Sendeelementen. Die Hochfrequenzpulse werden also mit mehr als einem Sendeelement einer Sendeantennenvorrichtung appliziert. Der Einsatz einer Mehrzahl von Sendeelementen bietet die Möglichkeit, den Hochfrequenzpulsen eine verbesserte räumliche Selektivität zu verleihen. Dies kann eine bessere Ortsdefinition der Subvolumina erlauben und/oder – bei multidimensionalen HF-Pulsen – eine Verkürzung der HF-Pulslängen.
Eine besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass im Vorbereitungsschritt zeitlich und räumlich variierende Zusatzmagnetfelder, welche mit einem Gradientensystem erzeugt werden und während der Einstrahlung des oder der zur Magnetisierungsänderung einzustrahlenden HF-Pulse einwirken, festgelegt werden und für jeden der I Sendekodierschritte des Sendekodierschemas der zeitliche Amplituden- und Phasenverlauf der zur Bewirkung der Magnetisierungsänderung einzustrahlenden HF-Pulse für diese Zusatzmagnetfelder berechnet wird, und dass im Ausführungsschritt die so berechneten HF-Pulse während der Einwirkung dieser Zusatzmagnetfelder appliziert wird. Die Hochfrequenzpulse werden also mit räumlich und zeitlich variierenden Zusatzmagnetfeldern, die dem längs einer z-Richtung ausgerichteten statischen und homogenen magnetischen Grundfeld einer Magnetresonanzmessapparatur überlagert werden, kombiniert. Der Einsatz von Zusatzmagnetfeldern ist eine von mehreren Varianten, den Hochfrequenzpulsen eine räumliche Selektivität zu verleihen.
Bei einer weiteren sehr wichtigen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens eines der Subvolumina an anatomische, morphologische oder funktionelle Gegebenheiten des Untersuchungsobjekts angepasst. Einerseits ist es außerordentlich vorteilhaft, wenn dadurch das oder die entsprechenden Abbildungsvolumina auf eine für die Messaufgabe minimale erforderliche Größe reduziert werden können, wodurch i. allg. bei vorgegebener Ortsauflösung die Messzeit verkürzt wird. Andererseits können auf diese Weise bestimmte Regionen des Untersuchungsobjektes, die zu Störungen der Messung führen können, von der Anregung ausgeschlossen werden, indem sie in einem dem Außenvolumen zugeordneten Subvolumen positioniert werden. Ein solches auszuschießendes Subvolumen kann auch innerhalb eines Abbildungsvolumens definiert werden.
Spezielle Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen vor, dass die Bestimmung der Zuordnung der Magnetresonanzsignale zu Subvolumina mittels ein-, zwei- oder dreidimensionaler Fourier-Transformation oder Hadamard-Transformation oder Wavelet-Transformation durchgeführt wird.
Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, dass in allen Kodierschritten mittels der Magnetisierungsänderung für mindestens ein Subvolumen (SV1, SV2) überall derselben Flipwinkel eingestellt wird. Die Magnetisierungsänderung wird also in allen Kodierschritten so vorgegeben, dass innerhalb mindestens eines Subvolumens überall derselbe Flipwinkel eingestellt wird. Dadurch kann eine Verfälschung des aufgenommenen Bildes aufgrund der Sendecharakteristik der Sendeantenneneinrichtung, z. B. in Form von lokalen Aufhellungen und Abschattungen, unterdrückt werden.
Eine sehr interessante und vorteilhafte Variante des erfinderischen Verfahrens sieht vor, dass in allen Kodierschritten mittels der die Magnetisierungsänderung bewirkenden räumlich selektiven HF-Pulse in mindestens zwei Subvolumina über die unterschiedliche Kodierung gemäß dem Sendekodierschema hinaus unterschiedliche Eigenschaften des MR-Signals eingestellt werden. Die zur Sendekodierung eingesetzten räumlich selektiven HF-Pulse werden also für die Einstellung unterschiedlicher Eigenschaften des MR-Signals in verschiedenen Subvolumina verwendet. In der Regel wird dies durch gezielte ortsabhängige Vorgaben für die durch die Magnetisierungsänderung hervorgerufene Einstellung der Amplitude der Transversalmagnetisierung erfolgen. Z. B. kann damit in den Innen- und Außenvolumina ein gezielt unterschiedlicher Steady-State der Magnetisierung oder trotz unterschiedlicher lokaler Relaxationszeiten des Abbildungsobjektes in Innen- und Außenvolumen eine möglichst ähnliche Gleichgewichtsmagnetisierung eingestellt werden, was dann zu unterschiedlichem Kontrastverhalten in den aufgenommenen Bildern oder zu unterschiedlichen Qualitäten der Unterdrückung der Signale aus dem Außenvolumen führen kann. Die Einstellung unterschiedlicher Bildkontraste in verschiedenen Abbildungsvolumen kann zu sehr nützlichen Zusatzinformationen über das Untersuchungsobjekt führen. Eine detaillierte Beschreibung hierzu findet sich in der von der gleichen Anmelderin am gleichen Tag eingereichten Patentanmeldung mit dem Titel: „Verfahren zur Erzeugung eines gewünschten zeitlichen Verlaufs des Magnetisierungszustandes in einem Untersuchungsobjekt im Rahmen eines Experimentes der magnetischen Resonanz”.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Das erfinderische Verfahren geht davon aus, dass eine bestimmte MRI-Messaufgabe zu bewältigen ist, die zunächst dadurch gegeben ist, dass in einem Untersuchungsobjekt, welches sich innerhalb des Messvolumens einer MR-Apparatur befindet, mit einer bestimmten vorgegebenen Messsequenz, mit der z. B. gewünschte Bildkontraste realisiert werden können, gewisse Rols, die sich in vorab festlegbaren Subvolumina befinden, abgebildet werden sollen. Aus Effizienzgründen sollen möglichst nur diese Subvolumina, die sog. Abbildungsvolumina, abgebildet werden.
Die Messsequenz selbst kann dazu schon so ausgestaltet sein, dass, z. B. durch Schichtselektion, nur gewisse Teilbereiche zu den aufgenommenen MR-Signalen beitragen. Auch mehrdimensional räumlich-selektive HF-Pulse können als Bestandteil der Messsequenz eine Einschränkung des signalbeitragenden Bereiches bewirken. Das durch derartige Eigenschaften der Messsequenz ausgezeichnete Volumen, aus welchem beim Ablauf der Messsequenz angeregte Kernspins zu mindestens einem dabei aufgenommenen und zur Bildrekonstruktion unmittelbar verwendeten MR-Signal beitragen, wird als Untersuchungsvolumen bezeichnet. Es wird angenommen, dass dieses Untersuchungsvolumen beim Aufsetzen der Messsequenz, üblicherweise auf der Basis von sog. Pilotaufnahmen, im Rahmen der durch die Messsequenz und der MR-Apparatur gegebenen Bedingungen und der erwarteten Bildqualität so bzgl. Größe, Form und Position, I. d. R. durch entsprechende Parametrisierung der Messsequenz, definiert worden ist, dass es sämtliche für die Aufnahme interessierenden Bereiche des Untersuchungsobjekts enthält.
Für die gewählten Rols werden nun im Vorbereitungsschritt Subvolumina definiert, die die Rols enthalten. Wenn man nun das Außenvolumen, d. h. das zu den Abbildungsvolumina komplementäre Volumen innerhalb des Untersuchungsvolumens, mit einem oder mehreren weiteren Subvolumina vollständig abdeckt, können alle aus dem Untersuchungsvolumen zur Messung beitragenden MR-Signale genau einem der so definierten Subvolumina zugeordnet werden. Vorteilhaft bzgl. der Messdauer ist es dabei, zur Überdeckung des Außenvolumens genau ein Subvolumen zu definieren. Die Subvolumina können über das Untersuchungsvolumen hinausreichen, da sie ohnehin effektiv auf den durch die Sendeelemente anregbaren Bereich limitiert sind.
Eine wichtige Eigenschaft des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Tatsache, dass die in jedem Kodierschritt der Messsequenz enthaltenen räumlich selektiven HF-Pulse neben der Aufgabe, die Sendekodierung umzusetzen, auch weitere besondere Eigenschaften der Messsequenz implementieren können. Eine solche Eigenschaft ist das Kontrastverhalten der Messsequenz, das über diese HF-Pulse zusätzlich ortsabhängig eingestellt werden kann, z. B. durch das ortabhängige gezielte Setzen des Flipwinkels. Eine wichtige Anwendung ist B1-Shimming innerhalb des Untersuchungsvolumens. Eine andere Aufgabe, die mit den HF-Pulsen – gleichzeitig mit der Sendekodierung – miterfüllt werden kann, ist die Anpassung des Untersuchungsvolumens an vorgegebene ein-, zwei- oder dreidimensionale Masken, außerhalb der die Amplitude der Transversalmagnetisierung auf Null gesetzt werden soll. Derartige Vorgaben für die räumlich selektiven HF-Pulse, die über die Kodierungsvorgaben hinausgehen, z. B. räumliche Masken oder Karten der Transversalmagnetisierung oder räumliche Muster des zu erzielenden Kontrastes, werden als Eigenschaften der Messsequenz betrachtet und beeinflussen u. a. die Festlegung des Untersuchungsvolumens. In die Berechnung der HF-Pulse gehen daher neben den Sendekodierungsvorgaben ggf. auch weitere Vorgaben bzgl. weiterer Messsequenzeigenschaften ein.
Wenn von der Berechnung der HF-Pulse für eine gewünschte Magnetisierungsänderung gesprochen wird, ist dabei zu beachten, dass eine Magnetisierungsänderung auch durch mehrere zeitlich aufeinander folgende ausgestrahlte HF-Pulse realisiert werden kann und dass bei dieser Berechnung alle HF-Wellenformen, die über verschiedene Sendeelemente eingestrahlt werden, für jeden dieser HF-Pulse zu bestimmen sind. Ein HF-Puls umfasst mindestens eine HF-Wellenform, wobei jede Wellenform einen bestimmten zeitlichen Amplituden- und Phasenverlauf aufweist und von genau einem Sendeelement eingestrahlt wird. Für jeden Kodierschritt kann es also auch mehrere Sätze von HF-Wellenformen geben, die entsprechend einzustrahlen sind. Die dabei hervorgerufene Magnetisierungsänderung ist dann die nach Beendigung des letzten HF-Pulses innerhalb des jeweiligen Kodierschritts erzielte ortsabhängige Änderung der Amplitude und/oder Phase der transversalen Magnetisierung.
Das gewählte Empfangskodierschema wird typischerweise eines oder eine Kombination von mehreren der üblichen Ortskodierverfahren beinhalten, d. h. Frequenz-, Phasen- und/oder Sensitivitätskodierungen. Der Grenzfall einer reinen Frequenzkodierung wird bei der Backprojection-Bildgebung realisiert. Der Grenzfall reiner Sensitivitätskodierung wird bei Verwendung sehr vieler Empfangselemente erreicht, wobei dabei ein einziger Empfangskodierschritt hinreichend ist (Massively Parallel Imaging). Reine Phasenkodierschemata kommen z. B. beim Chemical Shift Imaging zum Einsatz.
Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist nun, dass das Empfangskodierschema nicht so aufwändig ausgelegt werden muss, dass damit das gesamte Untersuchungsvolumen ortskodiert wird, sondern nur die Abbildungsvolumina.
Der einfachste Fall liegt vor, wenn nur ein Subvolumen abgebildet werden soll und ein zweites Subvolumen den Außenbereich dieses Abbildungsvolumens abdeckt, wie in 2a dargestellt. Wird nun dieses Abbildungsvolumen in mindestens einer Raumrichtung durch klassische kartesische Phasenkodierung ortskodiert, so wird der Vorteil einer Messdauerverkürzung bei gleicher Ortsauflösung durch eine Einsparung” von Phasenkodierschritten erzielt. Hat das Untersuchungsvolumen in Phasenkodierrichtung eine maximale Ausdehnung, die um einen Faktor f größer ist als die maximale Ausdehnung des Abbildungsvolumens in dieser Richtung, so kann dadurch die Messdauer auf den Bruchteil 2/f verkürzt werden. Der dabei auftretende Faktor 2 ergibt sich aufgrund der Tatsache, dass 2 Sendekodierschritte erforderlich sind. Bei Phasenkodierung in drei Dimensionen kann für diesen Fall die Messzeit um den Faktor f1·f2·f3/2 verkürzt werden, wobei f1, f2, f3 die jeweiligen Untersetzungsfaktoren der Ausdehnungen des zu kodierenden Bereichs für die drei Phasenkodierrichtungen sind.
Bei gleichzeitiger Abbildung mehrerer Abbildungsvolumina, wie in 2b beschrieben, kann ein Messzeitvorteil dadurch erlangt werden, dass dieselben Phasenkodierschritte verwendet werden können, um gleichzeitig mehrere Abbildungsvolumina in derselben Raumrichtung ortszukodieren. Ist FoV die größte Ausdehnung in Phasenkodierrichtung des diesbezüglich größten Abbildungsvolumens, so können mit einem für dieses FoV ausgelegten Phasenkodierschema alle anderen Abbildungsvolumen mitkodiert werden, da die Phasenkodierung translationsinvariant ist. Werden MR-Signale aus einem Bereich empfangen, der in Phasenkodierrichtung maximal die Ausdehnung FoV hat, können die Ortskoordinaten in dieser Richtung eindeutig zugeordnet werden, unabhängig davon, wo dieser Bereich in Phasenkodierrichtung positioniert ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sorgt die zusätzliche Sendekodierung für die eindeutige Zuordnung von Komponenten aufgenommener Signale zu den Abbildungsvolumen und das Phasenkodierschema dann für die Ortsauflösung innerhalb des jeweiligen FoV.
Besitzt das FoV gegenüber der Ausdehnung des Untersuchungsvolumens in Phasenkodierrichtung einen Untersetzungsfaktor f, und werden M in dieser Richtung gleich große Abbildungsvolumina gleichzeitig aufgenommen und wird das Außenvolumen von einem einzigen Subvolumen überdeckt, ergibt sich bzgl. einer Kodierrichtung gegenüber der Messdauer für das Gesamtvolumen eine um den Faktor (M + 1)/f veränderte Messzeit, d. h eine Messzeitverkürzung nur dann, wenn das FoV entsprechend klein gewählt wird.
Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren [1], ist es bei diesem Verfahren nicht zwingend, MR-Signale aus dem Außenvolumen durch Generierung von dort in allen Ortskodierschritten verschwindender Transversalmagnetisierung mittels räumlich selektiver HF-Pulse zu unterdrücken. Da bei dem erfinderischen Verfahren aber bei jedem Kodierschritt räumliche selektive HF-Pulse eingestrahlt werden, kann diese Eigenschaft der bekannten Verfahren gleichzeitig beim Ablauf derselben Messsequenz realisiert werden. Dies ist der Fall, wenn bei der Vorgabe der mit dem/den räumlich selektiven HF-Pulses) zu bewirkenden Magnetisierungsänderung die Erzeugung verschwindender Transversalmagnetisierung in gewissen Bereichen des Untersuchungsobjektes mit eingeht. Beide Verfahrensweisen schließen sich keiner Weise aus und können vorteilhaft kombiniert werden, z. B. falls beim gleichzeitigen Auftreten verschiedener apparativer Imperfektionen und/oder objektbedingter Störeinflüsse die eine oder die andere Art des ortsabhängigen Ausschlusses von MR-Signalen von der Bildrekonstruktion effizienter ist.
Bzgl. der im Ausführungsschritt durchgeführten Kodierschritte sollte betont werden, dass bei jedem dieser Kodierschritte dem aufgenommenen MR-Signal kodierende Merkmale sowohl des Sendekodierschemas als auch des Empfangskodierschemas aufgeprägt werden, wobei beide Kodierschemata die Systematik der Änderungen von Kodierschritt zu Kodierschritt festlegen.
Es kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn vor Ausführung der Kodierschritte das Kernspinsystem in einen Steady-State versetzt wird, z. B. durch wiederholtes Durchlaufen eines Kodierschritts des Ausführungsschritts ohne Datenaufnahme oder –verwertung. Vorteilhaft bzgl. der Bildqualität kann es auch sein, wenn in jedem Kodierschritt Spoiler-Gradienten zur Dephasierung evtl. störender residueller transversaler Magnetisierung angewandt werden.
In einem Resultatschritt werden schließlich die Ergebnisse der Rekonstruktion und/oder daraus abgeleitete Großen abgespeichert und dargestellt. Vorzugsweise werden zwei- oder dreidimensionale Bilder, die bestimmte Eigenschaften der Magnetresonanzsignale wiedergeben, farb- oder grauwertkodiert dargestellt. Von besonderem Interesse ist eine integrierte Darstellung aller Abbildungsvolumina in Bezug auf ein gemeinsames Referenzsystem.
Zeichnungen und detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Magnetresonanzapparatur nach dem Stand der Technik;
2 eine schematische Darstellung besonders bevorzugter Messtopologien;
3 ein Flussdiagramm eines möglichen Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 ein MR-Übersichtsbild mit einer Wasserflasche als Untersuchungsobjekt und mit eingezeichneten Subvolumina;
5 eine nach dem Sendekodierschema zur Ortskodierung geeignete Amplituden- und Phasenverteilung der Transversalmagnetisierung für die Sendekodierschritte 1 und 2;
6 eine schematische Darstellung zur Abfolge von Gradienten und HF-Pulsen in den Kodierschritten während des Ausführungsschrittes,
7 die entsprechend dem Sendekodierschema durch HF-Pulse realisierte und experimentell ermittelte Amplituden- und Phasenverteilung der Transversalmagnetisierung,
8 die getrennte Darstellung der Signale aus zwei Subvolumina,
9 die MR-Abbildung eines Segmentes einer Mandarine, realisiert mit reduziertem Empfangskodierschema und Anregungskodierung gemäß Sendekodierschema.
In 1 ist schematisch eine Magnetresonanzapparatur dargestellt, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die Apparatur enthält einen Hauptmagneten M, mit welchen das in einem Messvolumen V im Wesentlichen homogene und statische Grundmagnetfeld erzeugt wird. Der Teil des zu untersuchenden Objekts, der im Messvolumen enthalten ist, wird im Folgenden als Untersuchungsobjekt oder kurz als Objekt O bezeichnet. Das Messvolumen V umgebend, ist in die Bohrung des Hauptmagneten M ein sog. Gradientensystem eingebracht, mit welchem durch Schalten von in der Regel mehreren Spulen zu Spulenkombinationen G1, G2, G3, ... verschiedene Ausprägungen von Zusatzmagnetfeldern realisiert werden können. In 1 sind beispielhaft drei solcher Spulenkombinationen, G1, G2 und G3 dargestellt. Mit dem Gradientensystem können Zusatzmagnetfelder kontrollierbarer Dauer und Stärke dem Grundfeld überlagert werden. Mit Gradientenverstärkern A1, A2, A3, die von einer Sequenzsteuereinheit SEQ zur zeitrichtigen Erzeugung von Gradientenpulsen angesteuert werden, werden die Gradientenspulensätze G1, G2 und G3 mit elektrischem Strom zur Erzeugung der Zusatzfelder versorgt.
Innerhalb des Gradientensystems befinden sich mehrere Sendeelemente TA1 bis TAn, die in ihrer Gesamtheit auch als Sendeantenneneinrichtung bezeichnet werden. Sie umgeben das Untersuchungsobjekt O und werden von mehreren unabhängigen HF-Leistungssendern TX1 ... TXn gespeist. Die von diesen HF-Leistungssendern TX1 ... TXn erzeugten HF-Wellenformen werden von der Sequenzsteuereinheit SEQ bestimmt und zeitrichtig ausgelöst. Mit den Sendeelementen TA1 bis TAn werden HF-Wellenformen auf das im Untersuchungsvolumen V befindliche Untersuchungsobjekt 0 eingestrahlt und bewirken dort eine Anregung von Kernspins. Die dadurch hervorgerufenen Magnetresonanzsignale werden mit einer oder mehreren HF-Empfangselementen RA1, ... RAm in elektrische Spannungssignale umgesetzt, die dann in eine entsprechende Anzahl von Empfangseinheiten RX1, ..., RXm eingespeist werden. Die Empfangselemente RA1, ..., RAm werden in ihrer Gesamtheit auch als Empfangsantenneneinrichtung, bestehend aus m Empfangselementen RA1, ..., RAm, bezeichnet. Sie befinden sich ebenfalls innerhalb der Gradientenspulen G1, G2, G3 und umgeben das Untersuchungsobjekt O.
Zur Verringerung des apparativen Aufwandes können die Sende- und Empfangsantenneneinrichtungen auch so ausgelegt und angeschlossen werden, dass ein oder mehrere der Sendeelemente TA1 bis TAn auch zum Empfang der Magnetresonanzsignale genutzt werden. In einem solchen Fall, der in 1 nicht berücksichtigt ist, wird mittels einer bzw. mehrerer von der Sequenzsteuereinheit SEQ kontrollierter elektronischer Sende-Empfangsweichen für eine Umschaltung zwischen Sende- und Empfangsbetrieb gesorgt, d. h. dass während der HF-Sende-Phasen der ausgeführten Pulssequenz diese Antenne(n) mit dem bzw. den entsprechenden HF-Leistungssendern verbunden und von dem bzw. den zugeordneten Empfangskanälen getrennt ist/sind, während für die Empfangsphasen eine Senderabtrennung und eine Empfangskanalverbindung vorgenommen wird.
Mit den in 1 dargestellten Empfangseinheiten RX1 bis RXm werden die empfangenen Signale verstärkt, unter Verwendung bekannter Signalverarbeitungsverfahren in digitale Signale gewandelt und an ein elektronisches Rechnersystem COMP weiterleitet. Neben der Rekonstruktion von Bildern und Spektren und abgeleiteter Größen aus den empfangenen Messdaten dient das Steuerrechnersystem COMP dazu, die gesamte MR-Messapparatur zu bedienen und die Ausführung der Pulssequenzen durch entsprechende Kommunikation mit der Sequenzsteuereinheit SEQ zu initiieren. Die benutzergeführte oder automatische Ausführung von Programmen zur Justage der Messapparatureigenschaften und/oder zur Erzeugung von Magnetresonanzbildern erfolgt ebenso auf diesem Steuerrechnersystem COMP wie die Darstellung der rekonstruierten Bilder und die Speicherung und Verwaltung der Mess- und Bilddaten und der Steuerprogramme. Für diese Aufgaben ist dieses Rechnersystem mindestens mit einem Prozessor, einem Arbeitsspeicher, einer Computertastatur KB, einem Zeigeinstrument PNTR, z. B. einer Computermaus, einem Bildschirm MON und einer externen digitalen Speichereinheit DSK ausgerüstet.
Im Folgenden wird anhand konkreter Ausführungsbeispiele erläutert, wie das erfindungsgemäße Verfahren mit einer solchen MR-Messapparatur durchgeführt werden kann. Bei der Ausführung dieser Beispiele wurden acht Sendelemente verwendet, welche gleichzeitig als Empfangselemente dienen.
2 stellt schematisch zwei besonders bevorzugte Messtopologien für das erfindungsgemäße Verfahren dar, wobei die Abbildungen als direkte Darstellungen für ein zweidimensionales Empfangskodierschema oder als Schnittbilddarstellungen für ein dreidimensionales Empfangskodierschema gelesen werden können. 2a beschreibt die Abbildung eines einzelnen Subvolumens SV1, d. h. SV1 stellt ein Abbildungsvolumen und das Innenvolumen dar, während ein anderes Subvolumen SV2 dem Außenvolumen entspricht. SV1 und SV2 decken das Untersuchungsvolumen UV vollständig ab. Das Empfangskodierschema ist so ausgelegt, dass es im Volumen EV eindeutig ortskodiert. In 2b beschreiben SV1, SV2, SV3 und SV4 die Abbildungsvolumina, die zusammen das Innenvolumen bestimmen, und SV5 das Außenvolumen, welches nicht abgebildet werden soll. In diesem Fall soll das Empfangskodierschema in den Volumina EV1, EV2, EV3 und EV4 eine eindeutige Ortskodierung erlauben, wobei diesen Volumina im vorliegenden Beispiel eine identische Größe gegeben wurde.
Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele besitzen die in 2a dargestellte Messtopologie.
Zunächst wird anhand eines Bildgebungsexperiments, bei dem eine wassergefüllte Flasche als Untersuchungsobjekt diente (4), die Durchführung einer Sendekodierung, hier konkret als Anregungskodierung realisiert, für zwei Subvolumina beschrieben. Anschließend wird mit derselben Vorgehensweise das erfindungsgemäßen Verfahren zur Abbildung eines einzelnen Segments einer Mandarine angewandt (9), wobei dieses Segment von einem Subvolumen abgedeckt wurde und der Rest der Mandarine als in einem weiteren, das Außenvolumen definierenden Subvolumen erfasst wurde. Bei den beschriebenen Experimenten handelt es sich um dreidimensionale Bildgebungsexperimente, wobei in den Abbildungen exemplarisch nur einzelne Schichten der rekonstruierten Datensätze dargestellt sind.
In 3 ist der Vorgehensablauf der Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt.
In beiden Beispielen beginnt der Ablauf zunächst damit, dass zwei Subvolumina gewählt werden, die zusammen das Untersuchungsvolumen vollständig abdecken. Diese Festlegung erfolgte in beiden Fällen auf der Basis eines zuvor in einem MR-Experiment aufgenommenen Übersichtsbildes, aus welchem die Abgrenzung des Untersuchungsvolumens ersichtlich ist. Dabei ist zu beachten, dass die Subvolumina nicht überlappen und vorzugsweise etwas größer als das Untersuchungsvolumen gewählt werden, um zu vermeiden, dass durch Ungenauigkeiten der geometrischen Eingrenzung die Voraussetzung der kompletten Abdeckung des Untersuchungsvolumens verletzt würde.
4 zeigt für das erste Ausführungsbeispiel die Wahl eines kubusförmigen inneren Subvolumens SV1 sowie eines äußeren Subvolumen SV2, welches das innere Subvolumen SV1 vollständig umgibt. Prinzipiell können beide Subvolumina SV1, SV2 beliebig geformt sein, ein Aspekt der am Beispiel des Mandarinensegments besser demonstriert wird. Das Subvolumen SV1 wird in diesem Beispiel als Abbildungsvolumen und damit als Innenvolumen gewählt, von dem ein Bild erstellt werden soll.
Dazu wird ein dreidimensionales Empfangskodierschema so vorgegeben, dass mittels Frequenz- und Phasenkodierung, die mit dem Anlegen von Zusatzmagnetfeldern realisiert werden, MR-Signale, die aus dem Subvolumen SV1 stammen, vollständig und eindeutig dreidimensional ortskodiert werden.
Hierzu werden Dauer und Amplitude der Gradientenpulse G_x, G_y, G_z, die mittels Gradientenspulen G1, G2 und G3 erzeugt werden, bestimmt, sowie die Anzahl der Kodierschritte im vorliegenden Beispiel auf K = 64 × 64 so festgelegt, dass das gewünschte Volumen mit einer gewünschten Auflösung kodiert wird.
Da das so spezifizierte Empfangskodierschema zwar eindeutig in SV1 ortskodiert ist, jedoch nicht für das gesamte Untersuchungsvolumen, verursachen MR-Signalanteile, die außerhalb des Empfangskodiergebietes entstehen, Artefakte im zu erstellenden Bild von Subvolumen SV1. In der Raumrichtung, in der die Frequenzkodierung erfolgt, kann dies durch frequenzselektives Filtern des aufgenommenen Signals vermieden werden. In den Richtungen der Phasenkodierung gelingt dies nicht.
Daher wird erfindungsgemäß zur Unterscheidung von Signalen aus den Subvolumina SV1 und SV2 ein zweites Kodierschema, das Sendekodierschema, festgelegt, das mittels Einstrahlen von räumlich selektiven HF-Pulsen realisiert wird.
Zur Unterscheidung von Signalen aus den zwei Subvolumina SV1 und SV2 wird die einfachste Form eines Fourier-Kodierschemas mit I = 2 Sendekodierschritten, in denen die Transversalmagnetisierungsphase variiert wird, verwendet. 5 zeigt, dass dabei die Amplitude der Transversalmagnetisierung in beiden Sendekodierschritten durch Vorgabe eines überall homogenen Flipwinkels von 8° über die Sendekodierschritte hinweg konstant gehalten wird, während die Phasenverteilung variiert wird. Die bei dem Experiment erzeugte Transversalmagnetisierung kann im ersten Sendekodierschritt eine beliebige Phasenverteilung aufweisen, die für den zweiten Sendekodierschritt als Referenz dient und per Definition homogen als 0° angenommen wird. Im zweiten Sendekodierschritt soll die Transversalmagnetisierungsphase innerhalb von SV1 relativ zu dieser Referenz 0° betragen, während sie in SV2 einen Wert von 180° annehmen soll.
In diesem Beispiel wird also lediglich die Transversalmagnetisierungsphase variiert. Dabei ist die Vorgabe eines homogenen Flipwinkels für das gesamte Untersuchungsvolumen keineswegs zwingend erforderlich. Vielmehr könnten in den Subvolumina SV1 und SV2 auch unterschiedliche, innerhalb des jeweiligen Subvolumens homogene Flipwinkel vorgegeben werden. Es kann beispielsweise vorteilhaft sein, das Abbildungsvolumen mit einem Flipwinkel anzuregen, der (im Mittel) ein MR-Signalmaximum erzielt (sog. Ernst-Winkel), während das Außenvolumen mit einem Flipwinkel angeregt wird, bei dem Imperfektionen der Anregung nur geringe Auswirkungen auf die resultierende MR-Signalstärke haben. Auf diese Weise kann die anvisierte MR-Signaltrennung bzgl. der Subvolumina SV1 und SV2 mit höherer Genauigkeit erfolgen.
Die Sendekodierung wird in diesen Ausführungsbeispielen durch die Einstrahlung von räumlich selektiven Anregungspulsen realisiert und die in 5 gezeigten Flipwinkel- und Phasenmuster stellen die Vorgabe für die Magnetisierungsänderung für jeden Sendekodierschritt dar. Die Vorgaben gehen dabei zwar geometrisch über das Untersuchungsvolumen hinaus, werden aber außerhalb des Untersuchungsvolumens nicht umgesetzt, da dort z. B. keine Kernspins vorhanden sind oder diese außerhalb des Empfindlichkeitsbereichs der Sendeantenneneinrichtung liegen.
In den Ausführungsbeispielen kommen als räumlich selektive HF-Pulse zur Realisierung der Magnetisierungsänderung PEX-Pulse zum Einsatz, d. h mehrkanalige HF-Pulse, die in Kombination mit Gradientenpulsen über entsprechend viele, in unseren Beispielen acht, Sendeelemente eingestrahlt werden. Aufgrund der Verwendung räumlich linearer Gradientenfelder lassen sich die dabei eingesetzten Gradientenpulse als k-Raum-Trajektorie darstellen, die in diesem Fall einen Verlauf von aufeinander gestapelten Spiralen aufweist. Durch Undersampling der k-Raum-Trajektorie aufgrund der zusätzlichen Sensitivitätskodierung der Sendeelemente konnte die Länge der Anregungspulse um den Faktor 4 gegenüber dem Einkanal-Sendefall reduziert werden.
Der Phasen- und Amplitudenverlauf von den zwei erforderlichen HF-Pulsen zur Realisierung der Magnetisierungsänderungen nach dem gewählten Sendekodierschema wird mit einem Verfahren gemäß [8] berechnet, wobei in die Berechnung unter anderem die jeweils zu erzielende Magnetisierungsänderung, die spiralförmige k-Raum-Trajektorie und die Sendeprofile der 8 verwendeten Sendeelemente eingehen.
Im Ausführungsbeispiel folgt nun die Durchführung des Bildgebungsexperimentes als sog. Gradientenecho-Experiment, dessen Sequenzablauf in 6 schematisch dargestellt ist. insbesondere die gezeichneten Gradienten-Wellenformen zur räumlichen HF-Puls-Kodierung sowie die HF-Wellenformen stehen nur stellvertretend für die tatsächlich verwendeten Wellenformen und geben diese nicht exakt wider.
Die erste Anregung erfolgt gemäß Sendekodierschritt 1 mit dem ersten der berechneten PEX-Pulse. Anschließend erfolgt die Ortskodierung gemäß Empfangskodierschema 1 mit Phasengradienten in y- und z-Richtung. Ebenfalls Bestandteil des Empfangskodierschemas ist die Kodierung in x-Richtung mittels eines Auslesegradienten, der anliegt, während die MR-Signale aufgenommen werden. Dieses Vorgehen wird für jeden Empfangskodierschritt als Schleife S1 wiederholt, wobei die Amplitude der Phasengradienten variiert wird. Danach wird dieser komplette Vorgang erneut für jeden Sendekodierschritt als Schleife S2 wiederholt, wobei die entsprechenden HF-Pulse zum Einsatz kommen. Die Reihenfolge der Schleifen ist dabei nicht entscheidend. Es muss lediglich sichergestellt werden, dass jede Kombination der Kodierschritte aus Empfangs- und Sendekodierschema ausgeführt wird. Die Datenrekonstruktion muss der Reihenfolge der Kodierschritte entsprechend angepasst sein.
Die in Schleife S1 aufgenommenen Daten können entweder getrennt von denen in Schleife S2 als einzelne Bilder rekonstruiert werden, in diesem Fall mittels einer dreidimensionalen Fourier-Transformation, oder aber auch gemeinsam in einem einzigen Rekonstruktionsschritt mittels einer vierdimensionalen Fourier-Transformation.
7 zeigt das Rekonstruktionsergebnis der zwei in Schleife S1 aufgenommenen Datensätze. Zu beachten ist, dass zwecks Visualisierung der Wirkungsweise des Sendekodierschemas für die Aufnahme dieser Datensätze entgegen dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Empfangskodierschema verwendet wurde, das das Untersuchungsvolumen vollständig eindeutig kodiert. Amplituden und Phasen der Transversalmagnetisierung weisen im Wesentlichen die in 5 vorgegebenen Verläufe auf (gewichtet mit den Empfangsprofilen der Empfangselemente). Die Unterscheidung der Signale aus SV1 und SV2 kann in dem für das Sendekodierschema verwendeten einfachen Fall einer Fourier-Kodierung nun durch einfache Addition und Subtraktion der komplexen Datensätze erfolgen.
Addition der Datensätze führt zu einer Addition der Signalamplituden innerhalb von SV1 und aufgrund des Phasenunterschiedes bei der Anregung gemäß dem Sendekodierschema zu einer Subtraktion und Auslöschung der Signalamplituden in SV2. Umgekehrt liefert eine Subtraktion der Datensätze die Auslöschung in SV1 und die Addition der Signalamplituden in SV2. Die Signalverteilungen für SV1 und SV2 sind im Ergebnis in 8 dargestellt. Die MR-Signale aus dem Innenvolumen sind damit klar von denen aus dem Außenvolumen abgetrennt.
Mit jedem Sendekodierschritt verlängert sich zwar die gesamte Messzeit. Das erzielte Verhältnis von Nutzsignal zu Rauschen pro Zeiteinheit bleibt jedoch unverändert, da sich bei der Datenrekonstruktion die korrelierten Nutzsignale aus den einzelnen Kodierschritten verstärken während sich unkorreliertes Rauschen durch Mittelungseffekte verringert.
7 und 8 zeigen für das erste Ausführungsbeispiel rekonstruierte Bilder, die zur Veranschaulichung des Sendekodierschemas mit einem Empfangskodierschema, das das gesamte Untersuchungsvolumen eindeutig kodiert, aufgenommen wurden. Im zweiten Beispiel, bei dem als Untersuchungsobjekt eine Mandarine verwendet wurde, wurde dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend nun das mit dem Empfangskodierschema kodierte Volumen deutlich kleiner als das Untersuchungsvolumen gewählt, wie in 9 illustriert.
9a zeigt ein Übersichtsbild der Mandarine, in dem die zwei Subvolumina, das Abbildungsvolumen SV1 und das Außenvolumen SV2, sowie das durch das Empfangskodierschema eindeutig kodierte Volumen schematisch eingezeichnet sind. 9b und c zeigen die in Sendekodierschritt 1 bzw. 2 aufgenommenen und gemäß Empfangskodierschema rekonstruierten Bilder, die aufgrund der im Untersuchungsvolumen uneindeutigen Empfangskodierung deutliche Artefakte aufweisen. Erst die Signaltrennung nach MR-Signalen aus den Subvolumina SV1 und SV2 entsprechend dem Sendekodierschema liefert ein artefaktfreies Bild von Subvolumen SV1, wie in 9d dargestellt.
Durch die Reduktion des Kodierbereiches des Empfangskodierschemas bei gleichbleibender Zahl von Kodierschritten ließ sich in diesem Fall die Auflösung in 9d gegenüber 9a erhöhen, ohne eine längere Messzeit zu benötigen.
Analog lässt sich auch die Anzahl der Kodierschritte reduzieren, um die Daten mit gleichbleibender räumlicher Auflösung in kürzerer Messzeit aufzunehmen.
Auch eine Kombination von erhöhter Auflösung in verkürzter Messzeit ist möglich.
Bezugszeichenliste

A1, A2, A3

Gradientenverstärker

COMP

Rechnersystem

DSK

Speichereinheit

EV, EV1...4

Volumina, in denen das Empfangskodierschema eindeutig ortskodiert

G

Gehäuse

G1, G2, G2

Gradientenspulen

G_x, G_y, G_Z

Gradientenfelder

KB

Computertastatur

M

Hauptmagnet

MO

Bildschirm

O

Untersuchungsobjekt

PNTR

Zeigeinstrument

RA1...M

HF-Empfangselemente

RX1...M

Empfangseinheiten

SEQ

Sequenzsteuereinheit

SV1...5

Subvolumen

TA1...N

HF-Sendeelemente

TX1...N

HF-Leistungssender

V

Messvolumen

UV

Untersuchungsvolumen

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

Pauly et al. [0017]
Katscher et al. [0017]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Verteilung von Magnetresonanzsignalen aus mindestens einem von N nicht überlappenden Subvolumina (SV1 ... SV5) eines Untersuchungsobjekts (UV) im Messvolumen (V) einer Magnetresonanzapparatur, mit N ≥ 2, wobei – in einem Vorbereitungsschritt • eine Messsequenz mit Kodierschritten gewählt wird, wobei jeder Kodierschritt die Einstrahlung von einem oder mehreren räumlich selektiven HF-Pulsen enthält, mittels welchem/n in jedem Kodierschritt jeweils eine Magnetisierungsänderung bewirkt wird; • die N Subvolumina (SV1 ... SV5), so gewählt werden, dass sie zusammen mindestens das Untersuchungsvolumen (UV) vollständig abdecken, wobei das Untersuchungsvolumen (UV), dem Teil des Untersuchungsobjektes (O) entspricht, in dem beim Ausführen der gewählten Messsequenz angeregte Kernspins zu mindestens einem der aufgenommenen MR-Signale beitragen; • ein Empfangskodierschema mit K Empfangskodierschritten, K ≥ 1, vorgegeben wird, welches für mindestens eines der Subvolumina (SV1...SV5), eine eindeutige Ortskodierung in mindestens einer räumlichen Dimension festlegt, wobei diese Ortskodierung aber in mindestens einer dieser Dimensionen nicht für das gesamte Untersuchungsvolumen eindeutig ist; • ein Sendekodierschema mit I Sendekodierschritten, mit I ≥ N ≥ 2, festgelegt wird, wobei eine Kodierung über die mittels der Magnetisierungsänderung ortsabhängig eingestellte Amplitude und/oder Phase der Transversalmagnetisierung erfolgt und für jeden dieser I Sendekodierschritte die Magnetisierungsänderung derart vorgegeben wird, dass an keinem Ort innerhalb eines jeden Subvolumens (SV1 ... SV5) dieselbe Kodierung vorgegeben wird wie an einem anderen Ort innerhalb eines anderen Subvolumens (SV1 ... SV5), dass bei mindestens einem Sendekodierschritt in mindestens zwei der Subvolumina (SV1 ... SV5) angeregte Kernspins zum aufgenommenen Magnetresonanzsignal beitragen; und • der zeitliche Amplituden- und Phasenverlauf der zur Bewirkung der Magnetisierungsänderungen einzustrahlenden räumlich selektiven HF-Pulse berechnet wird; – in einem Ausführungsschritt zur Durchführung aller Kodierschritte jeder Empfangskodierschritt, welcher gemäß Empfangskodierschema vorgegeben ist, I mal mit Variationen gemäß den I Sendekodierschritten des Sendekodierschemas ausgeführt wird, wobei in jedem Kodierschritt alle für den jeweiligen Sendekodierschritt des Sendekodierschemas berechneten HF-Pulse mittels mindestens einem Sendeelement (TA₁, ... TAn) appliziert werden und, zeitlich nicht überlappend mit diesem oder diesen HF-Pulsen, eine Ortskodierung nach dem Empfangskodierschem erfolgt und Magnetresonanzsignale mittels mindestens einem Empfangselement (RA₁, ... RA_m) aufgenommen werden, – in einem Rekonstruktionsschritt auf der Basis des Sendekodierschemas Komponenten der aufgenommenen Magnetresonanzsignale den N Subvolumina (SV1 ... SV5) zugeordnet werden und für mindestens eines der Subvolumina (SV1 ... SV5), die gemäß Empfangskodierschema ortskodiert wurden, aus den aufgenommenen Magnetresonanzsignalen eine oder mehrere räumliche Verteilungen der Magnetresonanzsignale rekonstruiert und/oder daraus abgeleitete Größen berechnet werden, wobei dieses oder diese Subvolumina im Folgenden als Abbildungsvolumina bezeichnet werden, und – in einem Resultatschritt die Ergebnisse des Rekonstruktionsschritts gespeichert und/oder dargestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendekodierschema über die I Sendekodierschritte hinweg nur die mittels der Magnetisierungsänderung ortsabhängig einzustellende Amplitude der Transversalmagnetisierung vorgibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendekodierschema über die 1 Sendekodierschritte hinweg nur die mittels der Magnetisierungsänderung ortsabhängig einzustellende Phase der Transversalmagnetisierung vorgibt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtheit der Abbildungsvolumina ein nicht zusammenhängendes Gebiet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Abbildungsvolumina auf die für die Messaufgabe unbedingt erforderliche Größe eingeschränkt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass genau ein Abbildungsvolumen gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Abbildungsvolumina gewählt werden und dass jedes dieser Abbildungsvolumina mit dem Empfangskodierschema eindeutig ortskodiert wird, nicht aber die Vereinigung der Abbildungsvolumina.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfang der Magnetresonanzsignale mittels mindestens zwei Empfangselementen (RA₁, ... RA_m) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierungsänderungen mittels mindestens zwei Sendeelementen (TA₁, ... TA_n) erfolgen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Vorbereitungsschritt zeitlich und räumlich variierende Zusatzmagnetfelder, welche mit einem Gradientensystem erzeugt werden und während der Einstrahlung des oder der zur Magnetisierungsänderung einzustrahlenden HF-Pulse einwirken, festgelegt werden und für jeden der 1 Sendekodierschritte des Sendekodierschemas der zeitliche Amplituden- und Phasenverlauf der zur Bewirkung der Magnetisierungsänderung einzustrahlenden HF-Pulse für diese Zusatzmagnetfelder berechnet wird, und dass im Ausführungsschritt die so berechneten HF-Pulse während der Einwirkung dieser Zusatzmagnetfelder appliziert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Subvolumina (SV1 ... SV5) an anatomische, morphologische oder funktionelle Gegebenheiten des Untersuchungsobjekts angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Zuordnung von Magnetresonanzsignalkomponenten zu den Abbildungsvolumina mittels Fourier-Transformation oder Hadamard-Transformation oder Wavelet-Transformation durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in allen Kodierschritten mittels der Magnetisierungsänderung für mindestens ein Subvolumen (SV1 ... SV5) überall derselben Flipwinkel eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in allen Kodierschritten mittels der die Magnetisierungsänderung bewirkenden räumlich selektiven HF-Pulse in mindestens zwei Subvolumina (SV1 ... SV5) über die unterschiedliche Kodierung gemäß dem Sendekodierschema hinaus unterschiedliche Eigenschaften des MR-Signals eingestellt werden.