DE102011081509B4 - Ermittlung einer Ansteuerungssequenz für eine Magnetresonanzeinrichtung aus einer Mehrzahl von Rechtecksubpulsen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Ermittlung einer Ansteuerungssequenz für eine Magnetresonanzeinrichtung (1), welche Ansteuerungssequenz parallel auszusendende Einzelpulse für mehrere individuell ansteuerbare Hochfrequenz-Sendekanäle umfasst, bei dem – durch ein Pulsoptimierungsverfahren für eine vorgegebene Zielmagnetisierung für jeden Einzelpuls die Amplitude und die Phase einer Mehrzahl an Rechtecksubpulsen (13), aus denen sich der Einzelpuls zusammensetzt, ermittelt werden, – für jeden Rechteckpuls (13) unter Erhalt von Phase und Integral des Rechteckpulses (13) im Hinblick auf die Bandbreite der Subpulse und/oder die Qualität des Profils einer anzuregenden Schicht optimierte, schichtselektive Subpulse (19) ermittelt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Ansteuerungssequenz für eine Magnetresonanzeinrichtung, welche Ansteuerungssequenz parallel auszusendende Einzelpulse für mehrere individuell ansteuerbare Hochfrequenz-Sendekanäle umfasst. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanzeinrichtung, eine Magnetresonanzeinrichtung und ein Computerprogramm.
• Die Magnetresonanz als Bildgebungsverfahren ist seit langem weithin bekannt. Ein zu untersuchendes Objekt wird dabei zunächst in ein relativ hohes Grundmagnetfeld, das sogenannte B₀-Feld, eingebracht. Um nun, beispielsweise in einer Schicht, Magnetresonanzdaten aufnehmen zu können, werden die Spins dieser Schicht angeregt und es wird beispielsweise der Zerfall dieser Anregung als Signal beobachtet. Mittels einer Gradientenspulenanordnung können Gradientenfelder erzeugt werden, während über eine Hochfrequenz-Sendespule hochfrequente Anregungssignale ausgesendet werden, die häufig als Hochfrequenzpulse bezeichnet werden. Durch die Hochfrequenzpulse wird ein Hochfrequenzfeld erzeugt, das häufig als B₁ bezeichnet wird und die Spins resonant angeregter Kerne, durch die Gradienten ortsaufgelöst, um einen sogenannten Flipwinkel gegenüber den Magnetfeldlinien des Grundmagnetfeldes verkippt.
• Relaxieren die Spins der Kerne dann wieder, werden Hochfrequenzsignale abgestrahlt, die mittels geeigneter Empfangsantennen aufgenommen und weiterverarbeitet werden, um so Magnetresonanz-Bilddaten zu rekonstruieren.
• Hochfrequenz-Sendespulen, wie sie herkömmlich bekannt sind, werden in einem sogenannten „homogenen Modus”, beispielsweise einem „C2-Modus”, betrieben, wobei ein einziger Hochfrequenzpuls mit einer definierten festen Phase und Amplitude auf alle Komponenten der Sendespule gegeben wird, beispielsweise alle Sendestäbe einer Birdcage-Antenne. Inzwischen wurde jedoch vorgeschlagen, auch ein sogenanntes paralleles Senden zu ermöglichen, bei dem mehrere Sendekanäle jeweils mit Einzelpulsen, die voneinander abweichen können, beaufschlagt werden. Diese Gesamtheit der Einzelpulse ist dann insgesamt in einer Ansteuerungsfrequenz definiert. Ein solcher Mehrkanal-Puls, der aus Einzelpulsen für die unterschiedlichen Sendekanäle zusammengesetzt ist, wird häufig als „pTX-Puls” (für „paralleles Senden”) bezeichnet.
• Zur Ermittlung einer Ansteuerungsfrequenz für eine mehrere Sendekanäle aufweisende Sendeeinrichtung einer Magnetresonanzeinrichtung sind Berechnungsverfahren, häufig Optimierungsverfahren, bekannt. Hierbei ist es üblich, dass eine Zielmagnetisierung vorgegeben wird, die auch als Magnetresonanzanregungs-Qualitätsvorgabe bezeichnet werden soll, wo beispielsweise eine gewünschte ortsaufgelöste Flipwinkelverteilung angegeben werden kann, die einer Zielmagnetisierung entspricht. Nun kann eine Zielfunktion definiert werden, wobei dann durch das Optimierungsverfahren, welches auch als Zielfunktions-Optimierer bezeichnet werden kann, eine geeignete Ansteuerungssequenz, insbesondere die Einzelpulse für die Kanäle, ermittelt wird. Rein beispielhaft sei für ein solches Verfahren zur Ermittlung von Ansteuerungssequenzen für parallele Anregungsverfahren auf den Artikel von W. Grissom et al. „Spatial Domain Method for the Design of RF Pulses in Multicoil Parallel Excitation”, Mag. Res. Med. 56, 620–629, 2006, verwiesen.
• Zusammen mit weiteren Steuervorgaben, beispielsweise den zugehörigen Gradientenpulsen, bildet die Ansteuerungssequenz das sogenannte Messprotokoll, welches eine automatische Steuerung der Magnetresonanzeinrichtung für eine Messung erlaubt.
• In der älteren deutschen Patentanmeldung DE 10 2011 006 151 A1 , die hiermit durch Bezugnahmen ihrer Gesamtheit in die Offenbarung der vorliegenden Erfindung aufgenommen wird, sind ein Verfahren und eine Einrichtung zur Ermittlung einer Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz bekannt, bei denen durch eine Ansteuerungssequenz bei optimaler Einhaltung einer MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe (Zielmagnetisierung) eine weitere Reduzierung der lokalen Hochfrequenz-Belastung des Patienten ermöglicht werden soll. Dort wird, wie bereits in dem zitierten Artikel beschrieben, auf Basis einer MR-Anregungs-Qualitätsvorgabe in einem HF-Puls-Optimierungsverfahren ein Mehrkanal-Puls berechnet, wobei zusätzlich im HF-Puls-Optimierungsverfahren eine Länge, also die zeitliche Dauer eines Pulses, hinsichtlich eines HF-Energieparameters optimiert wird, der beispielsweise ein Parameter sein kann, der einen lokalen und/oder globalen Energieeintrag in das Untersuchungsobjekt beziehungsweise einen lokalen/globalen HF-Belastungswert (beispielsweise einen SAR- oder SED-Wert) eines Untersuchungsobjekts repräsentiert. Dabei kann zur Berücksichtigung die Zielfunktion beispielsweise um einen den HF-Energieparameter umfassenden Term erweitert werden, gleichzeitig kann ein zusätzlicher Parameter, nämlich die Pulslänge, als zu optimierender Parameter herangezogen werden, wobei auch Vorgehensweisen beschrieben sind, bei denen für mehrere feste Pulslängen das Pulsoptimierungsverfahren durchgeführt wird, wonach das Ergebnis herangezogen wird, das zu dem niedrigsten Wert für den HF-Energieparameter führt.
• In dem Artikel „RF energy reduction by parallel transmission using large tip-angle composite pulses” von R. Gumbrecht et al., Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 19 (2011) S. 4443 wird ein Verfahren zur Reduzierung der Hochfrequenzenergie durch die Verwendung von sogenannten Kompositpulsen beschrieben. Darin besteht jeder Einzelpuls für einen Sendekanal aus einer Mehrzahl von Subpulsen, die besonders geeignet sind bei Vorliegen von B₁-Inhomogenitäten. Dort wird festgestellt, dass das parallele Senden genutzt werden kann, um Pulse zu verlängern und so Leistungs- oder SAR-Begrenzungen zu erfüllen, während die Anregungs-Performance (also insbesondere die Zielmagnetisierung) erhalten bleibt. Dabei wird ein schneller, nichtlinearer Optimierer verwendet, der die Bloch-Gleichungen effizient löst, wobei die Einzelpulse als nicht-schichtselektive Rechteckpulse erzeugt werden, die in mehrere Subpulse mit unterschiedlichen Amplituden und Phasen als variable Optimierungsparameter für jeden Sendekanal aufgeteilt werden.
• Je nach Art der Messung stellt die Magnetresonanz-Bildgebung ferner hohe Anforderungen an die Bandbreite der verwendeten Hochfrequenz-Pulse. Insbesondere werden breitbandige Anregungen benötigt, wenn eine Schichtselektion mittels Schichtselektionsgradienten erfolgt, wenn B₀-Inhomogenitäten über das Bildgebungsvolumen vorliegen, wenn Kerne, insbesondere Protonen, mit verschiedener chemischer Verschiebung angeregt werden sollen (vgl. Fett-Wasser-Verschiebung) und wenn Spektroskopie betrieben werden soll. Breitbandige Anregungen erfordern eine hohe Lokalisierung des zeitlichen Verlaufs der Hochfrequenzpulse, das bedeutet, die Pulse sind in der Zeitdomäne sehr schmal. Um einen gewünschten Flipwinkel zu erreichen, benötigen die Pulse damit eine sehr hohe Amplitude, woraus hohe technische Anforderungen an die maximale Leistung (Peak-Leistung) resultieren.
• Hierbei hängt die angeregte Schichtdicke von der Bandbreite des zu verwendenden Pulses und der Gradientenamplitude des Schichtselektionsgradienten ab, so dass zur Lösung dieser Problematik vorgeschlagen wurde, kleine Gradienten zu verwenden, so dass die Anforderung an die Bandbreite und damit an die Peak-Leistung der Hochfrequenz-Pulse sinkt. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Verwendung kleiner Gradientenamplituden zu starken räumlichen Fehlkodierungen beziehungsweise Anregungen von Spins mit einer Frequenzverschiebung aufgrund von B₀-Variationen oder chemischer Verschiebung führt.
• Ferner wurde vorgeschlagen, wie bereits durch den genannten Artikel von R. Gumbrecht et al. beschrieben, Komposit-Pulse zu verwenden, bei denen ein Einzelpuls auf mehrere schichtselektive Subpulse aufgeteilt wird, wobei der gewünschte Flipwinkel durch diese Kombination von Subpulsen erzeugt wird. Dabei können die Anforderungen an lokales und/oder globales SAR und die maximale Leistung reduziert werden, indem mehrere Subpulse mit einer um einen entsprechenden Faktor niedrigeren Amplitude erzeugt werden, wobei zur Erhaltung der Pulslänge das Zeit-Bandbreiten-Produkt (TBW) der Subpulse entsprechend verringert wird, was jedoch eine Verschlechterung des Schichtprofils zur Folge hat. Dabei ist jedoch anzumerken, dass das Schichtprofil für kleine Flipwinkel, insbesondere Flipwinkel < 90°, deutlich leichter optimiert werden kann als für große Flipwinkel, so dass eine auf den reduzierten Flipwinkel der Subpulse angepasste Optimierung des Schichtprofils je nach Wahl der Anzahl von Subpulsen diese Effekte zumindest teilweise kompensieren kann. Mithin bieten die bekannten Vorgehensweisen kaum Möglichkeiten im Hinblick auf eine Verbesserung bezüglich der Bandbreite und/oder des Schichtprofils.
• In einem Buch von M. A. Bernstein et al., „Handbook of MRI Pulse Sequences”, Elsevier/Academic Press, Amsterdam, 2004, wird in Kapitel 2.3 die Ermittlung von Hochfrequenzpulsen für bestimmte Profile und Startbedingungen durch den Shinnar-Le Roux-Algorithmus (SLR-Algorithmus) beschrieben. Eines der Kernkonzepte dieses Algorithmus ist, dass jeder geformte („weiche”) Puls durch eine Serie von kurzen harten Pulsen (Rechteckpulsen) approximiert werden kann, die durch Bereiche freier Präzession getrennt sind. Auch ein Artikel von P. Balchandani et al., „Designing Adiabatic Radio Frequency Pulses Using the Shinnar-Le Roux Algorithm”, Magn. Reson. Med., 64 (2010), S. 843–851, beschäftigt sich mit dem SLR-Algorithmus zum Design von adiabatischen Hochfrequenzpulsen.
• Der Artikel „Composite RF pulses for B + / 1 -insensitive volume excitation at 7 Tesla” von J. Moore at al., J. Magn. Reson., 205 (2010), S. 50–62, befasst sich mit einem Designschema zur Erzeugung von Composite-Pulsen für Volumenanregungen. Dabei werden Komponenten-Subpulse verwendet, welche danach in Phase und Amplitude durch einen Minimierungsalgorithmus optimiert werden, wobei Rechteckpulse (block-shaped sub-pulses) verwendet werden.
• Ein Artikel von M. Haas et al., „Large Tip Angle Segmented RF Design for Multi-Dimensionally Selective Imaging and Spectroscopy with Parallel Transmit”, Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med., 19 (2011), S. 4436, beschäftigt sich mit sehr langen Pulsen, welche in Segmente aufgeteilt werden können, um die Pulse zu verkürzen. Ein entsprechender Designalgorithmus ist beschrieben.
• DE 10 2008 061 455 A1 betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer vorbestimmten Signalamplitude eines Untersuchungsobjekts bei einer Magnetresonanzmessung, wobei in einer Pulsfolge mehrere HF-Pulse verwendet werden. Der Zielkippwinkel und die Zielphase für die verschiedenen HF-Pulse wird in Abhängigkeit einer Zielmagnetisierung bestimmt, woraus ein Amplituden- und Phasenverhalten im Wesentlichen anhand der HF-Pulse ermittelt wird.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches es auf einfache Weise gestattet, auch Verbesserungen im Hinblick auf die Bandbreite und/oder das Schichtprofils zu ermöglichen.
• Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass
• – durch ein Pulsoptimierungsverfahren für eine vorgegebene Zielmagnetisierung für jeden Einzelpuls die Amplitude und die Phase einer Mehrzahl an Rechtecksubpulsen, aus denen sich der Einzelpuls zusammensetzt, ermittelt werden,
• – für jeden Rechtecksubpuls unter Erhalt von Phase und Integral des Rechtecksubpulses im Hinblick auf die Bandbreite der Subpulse und/oder die Qualität des Profils einer anzuregenden Schicht optimierte, schichtselektive Subpulse ermittelt werden.
• Erfindungsgemäß wird also zunächst vorgeschlagen, mittels der bekannten, bereits in der Einleitung beschriebenen Methoden rechteckförmige Subpulse der Einzelpulse zu ermitteln, die sich jeweils in Amplitude und Phase unterscheiden. Die als Ergebnis erhaltenen Rechtecksubpulse sind nicht schichtselektiv; ihr Integral beschreibt letztendlich den durch sie erzeugten Flipwinkel. Beispielsweise können drei Rechtecksubpulse für jeden Einzelpuls bestimmt werden. Eine Methode zum Design von Kompositpulsen für paralleles Senden, das Pulsoptimierungsverfahren, bildet also die Grundlage, wobei in diesem Pulsoptimierungsverfahren letztlich die gewünschte Insensitivität gegenüber B₀- und B₁-Inhomogenitäten zugrunde gelegt wird.
• In der Erfindung wurde jedoch erkannt, dass nach diesem Optimierungsschritt noch eine weitere Optimierung, in diesem Fall hinsichtlich der Bandbreite und der Qualität des Schichtprofils, erfolgen kann, wenn die Rechtecksubpulse durch schichtselektive Subpulse mit geeigneten Eigenschaften ersetzt werden, nachdem hierbei die Insensitivität auf B₀- und B₁-Inhomogenitäten gerade nicht verschlechtert wird. Dabei werden, betrachtet man verschiedene Extremfälle, letztlich Kompromisse gebildet, die es ermöglichen, Verbesserungen auch im Hinblick auf mehrere Qualitätsziele zu erreichen.
• So ist es nämlich in einem ersten Extrembeispiel, wie bereits bezüglich des Standes der Technik kurz angesprochen, denkbar, die Anforderungen an die SAR und die maximale Leistung zu reduzieren, indem n Subpulse mit einer um den Faktor 1/n niedrigeren Amplitude erzeugt werden. Die Pulslänge wird hierbei konstant gehalten, so dass das Zeit-Bandbreite-Produkt (TBW) der Subpulse entsprechend verringert werden muss. Dies führt grundsätzlich zu einer Verschlechterung der Qualität des Schichtprofils, welches jedoch für kleine Flipwinkel < 90° – jeder Subpuls betrifft ja nur einen Teil des Gesamtflipwinkels – deutlich leichter optimiert werden kann als für große Flipwinkel, so dass es auch denkbar ist, eine auf den reduzierten Flipwinkel der Subpulse angepasste Optimierung des Schichtprofils je nach Wahl von n die Reduzierung des Zeit-Bandbreite-Produkts teilweise oder ganz zu kompensieren. Bei einer gänzlichen Kompensierung kann die Bandbreite der Pulse also bei gleicher Pulslänge (zeitliche Dauer des Pulses) und reduzierten SAR beziehungsweise reduzierter maximaler Leistung erhalten bleiben.
• Erfindungsgemäß wurde nun erkannt, dass es noch weitere Fälle gibt. So kann die Optimierung in dem eben diskutierten Beispiel auch so verändert werden, dass das Zeit-Bandbreite-Produkt erhalten bleibt und die Pulslänge größer wird, so dass das Schichtprofil die gewünschte Qualität erreicht. In diesem Fall bleibt die Bandbreite der Schichtselektion und damit die räumliche Fehlkodierung von off-resonanten Spins erhalten, die SAR beziehungsweise die maximale Leistung werden reduziert und das Scheibenprofil wird verbessert.
• Wird das Zeit-Bandbreite-Produkt und die Pulslänge konstant gehalten, so ist keine signifikante Reduktion des SAR und/oder der maximalen Leistung mehr möglich, jedoch wird die schichtselektive Bandbreite deutlich erhöht und es werden räumliche Anregungsverschiebungen von off-resonanten Spins reduziert.
• Nachdem allerdings die Pulslänge eine wesentliche Grundlage des Pulsoptimierungsverfahrens darstellt und bei einer Veränderung der Pulslänge das Pulsoptimierungsverfahren erneut durchgeführt werden muss, ist der wesentliche zusätzliche Freiheitsgrad, den die vorliegenden Erfindung nutzt, die Bandbreite (beziehungsweise, davon abhängig, das Zeit-Bandweite-Produkt).
• Dennoch ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft, wenn auch eine Optimierung bezüglich der Pulslänge, also im Hinblick auf Energieparameter wie die SAR und/oder die maximale Leistung, erfolgt. Dabei ist es zum einen denkbar, dass in dem Pulsoptimierungsverfahren die Länge der Einzelpulse hinsichtlich wenigstens eines Energieparameters optimiert wird und die Pulslänge bei der Ermittlung der schichtselektiven Subpulse konstant gehalten wird. Der Energieparameter kann dabei ein den lokalen und/oder globalen Energieeintrag in ein aufzunehmendes Objekt und/oder eine maximale Leistung beschreibender Energieparameter sein. Dieses Vorgehen ist grundsätzlich bereits aus der einleitend diskutierten älteren Patentanmeldung DE 10 2011 006 151 A1 . bekannt. Dort ist zum anderen jedoch eine Variante beschrieben, die auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft einsetzbar ist. So ist es nämlich auch denkbar, dass das Pulsoptimierungsverfahren iterativ mehrfach durchlaufen wird, wobei bei jedem Iterationsschritt dem Pulsoptimierungsverfahren eine aktuelle Pulslänge als konstant vorgegeben wird. Dann kann nach dem Durchlauf des Pulsoptimierungsverfahrens anhand eines von dem aktuellen Wert des Energieparameters abhängigen Kriteriums entschieden werden, ob die Pulslänge nochmals angepasst wird, woraufhin das Pulsoptimierungsverfahren nochmals durchlaufen wird. Es ist also im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchaus auch möglich, die Pulslänge anzupassen, wobei das beschriebene Kriterium letztlich auch eine Kompromissbedingung sein kann, beispielsweise dahingehend, ob mit dem vorliegenden Energieparameter, insbesondere im Hinblick auf die maximale Leistung (Peak-Leistung), auch schichtselektive Subpulse aufgefunden werden können, die ein hinreichend gutes Schichtprofil und/oder eine hinreichend gute Bandbreite bieten.
• So ergibt sich, insbesondere durch Berücksichtigung der Pulslänge, eine Methode, die zur Reduktion der SAR, zur Bandbreitenerhöhung, zur Verbesserung des Schichtprofils und zur Verringerung von B₁-Inhomogenitäten verwendet werden kann. Kern der Erfindung bildet jedoch die Verbesserung im Hinblick auf die Bandbreite und die Qualität des Schichtprofils, wobei die Erhöhung der Bandbreite insbesondere dann von Vorteil ist, wenn dicke Schichten für die dreidimensionale Bildgebung angeregt werden sollen. Dabei erzwingt die Verschiebung von Fett und Wasser eine Vergrößerung des Field of View, was durch das hier gezeigte Verfahren verringert werden kann. Ebenso kann das Signal außerhalb der Schicht stark reduziert werden, was Artefakte durch Einfaltung verringert. Ähnliche Vorteile bietet das erfindungsgemäße Verfahren auch im Bereich der Inner-Volume-Bildgebung.
• Als schichtselektive Subpulse können im Rahmen der vorliegenden Erfindung SINC-Pulse verwendet werden. Jedoch ist es auch denkbar, andere gängige schichtselektive Subpulse einzusetzen.
• Vorteilhaft wird bei der Ermittlung der schichtselektiven Subpulse eine maximale Amplitude der schichtselektiven Pulse berücksichtigt. Eine solche Begrenzung kann beispielsweise durch eine gewollte maximale Leistung (Peak-Leistung) sinnvoll sein. Ist es beispielsweise nicht möglich, geeignete Subpulse aufzufinden, die die gewünschten Randbedingungen einhalten und gleichzeitig die maximale Amplitude nicht überschreiten, kann vorgesehen sein, dass bei der Nutzung von Vorgaben für die Bandbreite und/oder die Profilqualität bei einer Nichterfüllbarkeit der Vorgaben bei der Ermittlung der schichtselektiven Subpulse, insbesondere aufgrund der maximalen Amplitude, in einem insbesondere im Hinblick auf Wichtungsparameter umparametrierten Durchlauf des Pulsoptimierungsverfahrens neue Rechtecksubpulse ermittelt und weiterverarbeitet werden. Auch bezüglich eines auf die Peak-Leistung bezogenen Kriteriums kann also eine iterative Realisierung des erfindunsgemäßen Verfahrens vorgenommen werden. Beispielsweise kann eine derartige maximale Peak-Leistung über Wichtungsparameter in der Zielfunktion verankert werden. Ermöglicht es das Ergebnis des Pulsoptimierungsverfahrens nicht, die Vorgaben an die Bandbreite und/oder die Profilqualität zu erfüllen, so kann beispielsweise der Wichtungsparameter bezüglich des auf die maximale Leistung bezogenen Terms in der Zielfunktion erhöht werden oder dergleichen.
• Neben dem beschriebenen Ermittlungsverfahren betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanzeinrichtung mit einer mehrere, zum parallelen Senden ausgebildete Sendekanäle aufweisenden Hochfrequenz-Sendespule, wobei eine Ansteuerungssequenz mit einem erfindungsgemäßen Ermittlungsverfahren ermittelt wird und die Magnetresonanzeinrichtung gemäß der ermittelten Ansteuerungssequenz betrieben wird. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Ermittlungsverfahrens lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Betriebsverfahren anwenden. Dabei wird üblicherweise, um ein Messprotokoll zu erhalten, insbesondere auch eine Ergänzung der Ansteuerungssequenz um Gradientenpulse vorgenommen. Bei der Verwendung von mehreren Subpulsen, wie es die vorliegende Erfindung vorschlägt, werden dabei die Gradienten aufeinanderfolgender Subpulse üblicherweise gegenläufig geschaltet, so dass die anzuregenden Bereiche im K-Raum letztlich mehrmals durchlaufen werden.
• Allgemein sei im Hinblick auf die erfindungsgemäßen Verfahren noch angemerkt, dass im Prinzip nahezu die gleichen Vorgaben zur Berechnung der Ansteuerungssequenz gemacht werden können wie bei den bekannten Methoden des Standes der Technik. Das bedeutet, die Zielmagnetisierung, mithin die Magnetresonanz-Anregungs-Qualitätsvorgabe, kann in der gleichen Weise vorgegeben werden wie bisher. Ebenso kann ein Benutzer der erfindungsgemäßen Verfahren zur Generierung der Ansteuerungssequenz auch eine Sende-K-Raum-Gradiententrajektorie, häufig kurz Gradiententrajektorie, vorgeben, die die Orte im K-Raum beschreibt, die durch Einstellung der einzelnen Gradienten zu bestimmten Zeiten angefahren werden. Sie bestimmt letztlich, an welchen Ortsfrequenzen bestimmte Hochfrequenzenergien deponiert werden.
• Als weitere Eingangsdaten für das Pulsoptimierungsverfahren können Feldkarten vorgegeben werden, die beispielsweise im Rahmen einer Kalibrierungsmessung aufgenommen werden. Solche Feldkarten, insbesondere eine B₀-Karte und B₁-Karten, repräsentieren die Homogenität der Magnetfelder. Üblicherweise liegt für jeden Sendekanal eine B₁-Karte vor, die beispielsweise mit einer Einheitsanregung aufgenommen sein kann.
• Die Erfindung betrifft ferner eine Magnetresonanzeinrichtung, umfassend eine zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Steuereinrichtung. Insbesondere ist die Steuereinrichtung also dazu ausgebildet, das Betriebsverfahren der vorliegenden Erfindung durchzuführen, so dass durch die Magnetresonanzeinrichtung selbst eine geeignete Ansteuerungssequenz (und hieraus ein geeignetes Messprotokoll) ermittelt werden kann, welches dann unmittelbar eingesetzt werden kann oder zunächst in einem Speicher, gegebenenfalls auch für mehrere Messungen, vorgehalten werden kann.
• Schließlich betrifft die Erfindung noch ein Computerprogramm, welches bei seiner Durchführung ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführt. Ein derartiges Computerprogramm kann beispielsweise in den Speicher einer Steuereinrichtung einer Magnetresonanzeinrichtung ladbar sein, und es umfasst wenigstens ein Programmmittel, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführen zu können. Das Computerprogramm kann beispielsweise auf einem Speichermedium wie einer CD-ROM oder dergleichen vorliegen.
• Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
• 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzeinrichtung,
• 2 eine erste Illustration zur Erläuterung des Hintergrunds des erfindungsgemäßen Verfahrens,
• 3 eine zweite Illustration zur Erläuterung des Hintergrunds des erfindungsgemäßen Verfahrens,
• 4 eine dritte Illustration zur Erläuterung des Hintergrunds des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
• 5 einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• 1 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzeinrichtung 1. Sie umfasst, wie grundsätzlich bekannt, eine Hauptmagneteinheit 2 mit einer darin befindlichen Patientenaufnahme 3. Eine Patientenliege 4 kann in die Patientenaufnahme 3 hineingefahren werden, so dass ein Patient 5 an einer bestimmten Position innerhalb der Patientenaufnahme 3 gelagert werden kann.
• In der Hauptmagneteinheit 2 sind, wie grundsätzlich bekannt, ein Grundfeldmagnet 6, eine Gradientenspulenanordnung 7 mit Magnetfeldgradientenspulen und eine Ganzkörper-Sendespule 8 angeordnet, die auch zum Empfang von Magnetresonanzsignalen ausgebildet sein kann. Zum Empfang der Magnetresonanzsignale können allerdings auch nahe des Patienten 5 anzuordnende Lokalspulen vorgesehen werden.
• Die Sendespule 8 ist zum parallelen Senden ausgebildet, das bedeutet, sie ist über mehrere Sendekanäle ansteuerbar, über die parallel Einzelpulse einer Ansteuerungssequenz gegeben werden können. Beispielsweise kann die Sendespule 8 als eine Birdcage-Antenne aufgebaut sein. Dann weist sie eine Anzahl von parallel verlaufenden Antennenstäben auf, die äquidistant angeordnet in Längsrichtung der Patientenaufnahme 3 verlaufen. Endseitig sind die einzelnen Antennenstäbe durch einen Endring kapazitiv verbunden. Die Antennenstäbe können nun einzeln ansteuerbar sein und jeweils einem Sendekanal zugeordnet sein.
• Um Magnetresonanzaufnahmen tätigen zu können, werden die Gradientenspulen der Gradientenspulenanordnung 7 und die Sendespule 8 anhand eines Messprotokolls angesteuert, das Gradientenpulse und Hochfrequenzpulse enthält, hier Einzelpulse für die einzelnen Sendekanäle der Sendespule 8, die mithin ein paralleles Senden (pTX) realisieren. Die Einzelpulse für die verschiedenen Sendekanäle werden häufig auch als Ansteuerungssequenz für die Sendespule 8 bezeichnet und können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens von der Magnetresonanzeinrichtung 1 selbst ermittelt werden. Hierzu umfasst die Magnetresonanzeinrichtung 1 ferner eine Steuereinrichtung 9, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens, welches auch das erfindungsgemäße Ermittlungsverfahren enthält, ausgebildet ist. Das bedeutet, die Steuereinrichtung 9 ist nicht nur dazu ausgebildet, gemäß eines in einem Speicher der Steuereinrichtung 9 vorliegenden Messprotokolls eine Ansteuerung der Magnetresonanzeinrichtung 1 zur Messdatenaufnahme zu bewirken, sondern auch dieses Messprotokoll, insbesondere die Ansteuerungssequenzen, selbst zu ermitteln, wobei beispielsweise als Teil der Steuereinrichtung eine Sequenzermittlungseinrichtung vorgesehen werden kann, jedoch ist es auch denkbar, die Funktion in eine andere Recheneinrichtung der Steuereinrichtung 9 zu integrieren.
• Das im Folgenden dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zielt darauf ab, eine Verringerung der SAR parallel mit einer Bandbreitenerhöhung, einer Verbesserung des Schichtprofils und einer Verringerung von B₁-Inhomogenitäten zu ermöglichen, ohne dabei Einbußen bezüglich der Insensivität im Hinblick auf B₀-Inhomogenitäten erleiden zu müssen. Hierzu werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung sogenannte Kompositpulse eingesetzt, das bedeutet, jeder einem Sendekanal zugeordnete Einzelpuls wird in Subpulse zerlegt, wobei die dadurch gegebenen Freiheitsgrade zur Optimierung im Hinblick auf einen idealen Kompromiss berücksichtigt werden, was im Hinblick auf die 2–4 näher erläutert werden soll.
• Die 2–4 geben grundsätzlich an, welche Optimierungsmöglichkeiten sich durch die Verwendung von Kompositpulsen ergeben; danach wird erläutert, wie diese im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahren genutzt werden.
• 2 zeigt im oberen Teil einen Gesamtpuls 10, der in im unteren Bereich gezeigte Subpulse 11 zerlegt wird. Die Pulslänge, also die zeitliche Dauer des Gesamtpulses 10, wird als T bezeichnet, die maximale Amplitude als U_m. Gemäß 2 wurden drei Subpulse 11 erzeugt, die jeweils eine Pulslänge von T/3 und eine Amplitude von U_m/3 aufweisen. Die Pulslänge T des Gesamtpulses ist also erhalten, das Zeit-Bandbreite-Produkte der Subpulse 11 ist entsprechend verringert, was grundsätzlich zu einer Verschlechterung des Schichtprofils führt. Allerdings erzeugt jeder der Subpulse 11 auch einen kleineren Flipwinkel, für den das Schichtprofil deutlich leichter optimiert werden kann als für große Flipwinkel. Mithin kann eine auf den reduzierten Flipwinkel der Subpulse 11 angepasste Optimierung des Schichtprofils je nach Wahl der Anzahl der Subpulse die kürzere Pulslänge der Subpulse 11 teilweise oder ganz kompensieren. Die Bandbreite bleibt bei gleicher Gesamtdauer T und reduzierter SAR beziehungsweise reduzierter Peak-Leistung erhalten.
• 3 zeigt eine weitere Möglichkeit, einen Gesamtpuls 10 in Subpulse 11 zu zerlegen. Hierbei wird das Zeit-Bandbreite-Produkt erhalten, wobei die Länge jedes Subpulses 11 nun auch T beträgt, was dazu führt, dass sich die Qualität des Schichtprofils verbessert, während die Bandbreite der Schichtselektion und damit die räumliche Fehlkodierung von off-resonanten Spins erhalten bleiben. Nachdem die Amplitude wieder auf ein Drittel reduziert ist, werden die SAR und die Peak-Leistung reduziert, das Scheibenprofil wird verbessert.
• Im dritten Fall, der in 4 dargestellt wird, wird sowohl das Zeit-Bandbreite-Produkt als auch die Pulslänge erhalten, so dass keine signifikante Reduktion der SAR beziehungsweise der Peak-Leistung mehr möglich ist. Jedoch wird die schichtselektive Bandbreite deutlich erhöht, so dass räumliche Anregungsverschiebungen von off-resonanten Spins reduziert werden.
• Die Idee der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Optimierungskriterien der beschriebenen Fälle beliebig zu kombinieren, um den für die jeweilige Anwendung besten Kompromiss aus allen Parametern zu erhalten.
• Hierzu zeigt 5 den grundsätzlichen Ablauf des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens, das das erfindungsgemäße Ermittlungsverfahren umfasst. Dabei wird in einem ersten Schritt 12 ein grundsätzlich im Stand der Technik bekanntes Pulsoptimierungsverfahren zur Ermittlung von Kompositpulsen genutzt, welches als Ergebnis eine bestimmte Anzahl, hier drei, Rechteck-Subpulse 13 liefert. Selbstverständlich sind auch andere Anzahlen von Subpulsen möglich. Dabei erhält das Pulsoptimierungsverfahren verschiedene Eingaben und wirkt auf verschiedene Ziele hin. So wird zum einen eine eine Zielmagnetisierung beschreibende Magnetresonanz-Anregungs-Qualitätsvorgabe 14, wie grundsätzlich bekannt, als Eingabeparameter verwendet, zusätzlich werden eine B₀-Karte 15 und B₁-Karten 16 zugeführt. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird zudem als weiterer zu optimierender Parameter die Pulslänge betrachtet, wobei in der Zielfunktion ein zu optimierender Energieparameter, insbesondere eine SAR-Wert, hinzugefügt wird. Diese zusätzliche Zielvorgabe wird durch das Kästchen 17 in 5 symbolisiert. Die konkrete Vorgehensweise bei dieser Erweiterung des Pulsoptimierungsverfahrens ist beispielsweise in der bereits erwähnten älteren Anmeldung DE 10 2011 006 151 A1 . beschrieben. In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Pulslänge jedoch auch durch iterative Durchläufe des Pulsoptimierungsverfahrens anhand eines den Energieparameter beinhaltenden Kriteriums bestimmt werden.
• Nach dem Optimierungsschritt 12 werden die erhaltenen Rechteck-Subpulse 13 in einem Schritt 18 durch schichtselektive Subpulse 19, hier Gauß-SINC-Pulse, ersetzt, wobei die Pulslänge, das Pulsintegral (entspricht dem Flipwinkel) und die Phase der Rechteckpulse 13 erhalten bleiben. Optimierungsziele im Schritt 18 sind dabei, angedeutet durch Kästchen 20 und 21, die Qualität des Profils der anzuregenden Schicht und die Bandbreite. Dabei werden im Schritt 18 auch bereits die zugehörigen Gradientenpulse endgültig festgelegt.
• Insbesondere wurde durch die Steuereinrichtung 9 der Magnetresonanzeinrichtung 1 schließlich ein gesamtes Messprotokoll 22 ermittelt, welches gespeichert werden kann und im Folgenden, Schritt 23, zur Ansteuerung der Magnetresonanzeinrichtung 1 zur Aufnahme von Magnetresonanzbildern genutzt werden kann.
• Oft enthalten die Optimierungsvorgaben für die Bandbreite und die Qualität des Schichtprofils auch Grenzen, die eingehalten werden sollten. Solche Vorgaben für die Bandbreite und die Profilqualität können bei manchen erhaltenen Ergebnissen des Pulsoptimierungsverfahrens nicht realisiert werden, beispielsweise, wenn dazu eine maximale Leistung, mithin eine maximale Amplitude überschritten werden müsste. Ist eine solche Nichterreichbarkeit von Vorgaben gegeben, kann gemäß des gestrichelten Pfeils 24 unter einer Änderung der Parameter des Pulsoptimierungsverfahrens in Schritt 25, insbesondere der Wichtungsparameter, ein erneuter Durchlauf des Pulsoptimierungsverfahrens in Schritt 12 mit geänderten Voraussetzungen vorgenommen werden, um die Vorgaben doch noch zu erfüllen.
• Ein solches iteratives Vorgehen ist auch in der hier nicht näher dargestellten Ausführungsform denkbar, in der die Pulslänge nicht im Rahmen des Pulsoptimierungsverfahrens selber optimiert wird, sondern für dieses eine feste Pulslänge vorgegeben wird, welche dann anhand wenigstens eines Kriteriums geeignet geändert werden kann, um hier auch eine Art Iterativität zu erzeugen. Insbesondere ist es im erfindungsgemäßen Verfahren jedoch möglich, das iterative Vorgehen insgesamt anhand der zu optimierenden Größen beziehungsweise Ziele zu wählen, so dass ein geeigneter Kompromiss gefunden werden kann.
• Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden.
• Bezugszeichenliste

1

Magnetresonanzeinrichtung

2

Hauptmagneteinheit

3

Patientenaufnahme

4

Patientenliege

5

Patient

6

Grundfeldmagnet

7

Gradientenspulenanordnung

8

Sendespule

9

Steuereinrichtung

10

Gesamtpuls

11

Subpuls

12

Optimierungsschritt

13

Rechteck-Subpuls

14

Magnetresonanz-Anregungs-Qualitätsvorgabe

15

B₀-Karte

16

B₁-Karte

17

Kästchen für zusätzliche Zielvorgabe

18

Schritt: Ersetzen der erhaltenen Rechteckpulse durch schichtsel. Subpulse

19

Subpuls

20

Kästchen für die Qualität des Profils der anzuregenden Schicht

21

Kästchen für die Bandbreite

22

Messprotokoll

23

Schritt: Ansteuerung der MR-Eirnichtung

24

gestrichelter Pfeil für erneuten Durchlauf

25

Schritt: Änderung der Parameter des Pulsoptimierungsverfahrens

Claims (9)

1. Verfahren zur Ermittlung einer Ansteuerungssequenz für eine Magnetresonanzeinrichtung (1), welche Ansteuerungssequenz parallel auszusendende Einzelpulse für mehrere individuell ansteuerbare Hochfrequenz-Sendekanäle umfasst, bei dem – durch ein Pulsoptimierungsverfahren für eine vorgegebene Zielmagnetisierung für jeden Einzelpuls die Amplitude und die Phase einer Mehrzahl an Rechtecksubpulsen (13), aus denen sich der Einzelpuls zusammensetzt, ermittelt werden, – für jeden Rechtecksubpuls (13) unter Erhalt von Phase und Integral des Rechtecksubpulses (13) im Hinblick auf die Bandbreite der Subpulse und/oder die Qualität des Profils einer anzuregenden Schicht optimierte, schichtselektive Subpulse (19) ermittelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als schichtselektive Subpulse (19) SINC-Pulse verwendet werden.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der schichtselektiven Subpulse (19) eine maximale Amplitude der schichtselektiven Subpulse (19) berücksichtigt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Nutzung von Vorgaben für die Bandbreite und/oder die Profilqualität bei einer Nichterfüllbarkeit der Vorgaben bei der Ermittlung der schichtselektiven Subpulse (19), insbesondere aufgrund der maximalen Amplitude, in einem insbesondere im Hinblick auf Wichtungsparameter umparametrierten Durchlauf des Pulsoptimierungsverfahrens neue Rechtecksubpulse (13) ermittelt und weiterverarbeitet werden.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Pulsoptimierungsverfahren die Länge der Einzelpulse hinsichtlich wenigstens eines Energieparameters optimiert wird und die Pulslänge bei der Ermittlung der schichtselektiven Subpulse (19) konstant gehalten wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieparameter ein den lokalen und/oder globalen Energieeintrag in ein aufzunehmendes Objekt und/oder eine maximale Leistung beschreibender Energieparameter ist.
7. Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanzeinrichtung (1) mit einer mehrere, zum parallelen Senden ausgebildete Sendekanäle aufweisenden Hochfrequenz-Sendespule (8), wobei eine Ansteuerungssequenz mit einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche ermittelt wird und die Magnetresonanzeinrichtung (1) gemäß der ermittelten Ansteuerungssequenz betrieben wird.
8. Magnetresonanzeinrichtung (1), umfassend eine zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildete Steuereinrichtung (9).
9. Computerprogramm, welches in den Speicher einer Steuereinrichtung (9) einer Magnetresonanzeinrichtung (1) ladbar ist, und Programmmittel umfasst, um die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.

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