DE102012203512B4

DE102012203512B4 - Ermittlung einer MR-Messsequenz mittels eines Gradienten-Optimierungsverfahrens

Info

Publication number: DE102012203512B4
Application number: DE102012203512.5A
Authority: DE
Inventors: Aurélien Stalder; Björn Heismann; Mathias Nittka; Peter Speier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2032-03-07
Also published as: US9645216B2; DE102012203512A1; US20130200893A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung einer Messsequenz für eine Magnetresonanzanlage (1) auf Basis zumindest eines repetitionsintervallinternen Zeitparameters (TE), wobei während der Ermittlung der Messsequenz (MS) in einem Gradienten-Optimierungsverfahren (GO) automatisch Gradientenpulsparameter der Messsequenz (MS) zur Reduzierung zumindest eines Gradientenpulsparameter-Maximalwerts optimiert werden, wobei als Randbedingung in dem Gradienten-Optimierungsverfahren der repetitionsintervallinterne Zeitparameter (TE) zumindest innerhalb eines vorgegebenen Toleranzwerts konstant gehalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Messsequenz für eine Magnetresonanzanlage auf Basis zumindest eines repetitionsintervallinternen Zeitparameters. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanzanlage unter Nutzung einer solchen Messsequenz sowie eine Messsequenz-Ermittlungseinrichtung für eine Magnetresonanzanlage, um dieses Verfahren durchzuführen.
In einer Magnetresonanzanlage wird üblicherweise der zu untersuchende Körper mit Hilfe eines Grundfeldmagnetsystems einem relativ hohen Grundmagnetfeld, beispielsweise von 3 oder 7 Tesla, ausgesetzt. Zusätzlich wird mit Hilfe eines Gradientensystems ein Magnetfeldgradient angelegt. Über ein Hochfrequenz-Sendesystem werden dann mittels geeigneter Antenneneinrichtungen hochfrequente Anregungssignale (HF-Signale) ausgesendet, was dazu führen soll, dass die Kernspins bestimmter, durch dieses Hochfrequenzfeld resonant angeregter Atome um einen definierten Flipwinkel gegenüber den Magnetfeldlinien des Grundmagnetfelds verkippt werden. Diese Hochfrequenzanregung bzw. die resultierende Flipwinkelverteilung wird im Folgenden auch als Kernmagnetisierung oder kurz „Magnetisierung” bezeichnet. Bei der Relaxation der Kernspins werden Hochfrequenzsignale, so genannte Magnetresonanzsignale, abgestrahlt, die mittels geeigneter Empfangsantennen empfangen und dann weiterverarbeitet werden. Aus den so akquirierten Rohdaten können schließlich die gewünschten Bilddaten rekonstruiert werden.
Für eine bestimmte Messung ist – wie oben erläutert – eine bestimmte Messsequenz auszusenden, welche aus einer Folge von Hochfrequenzpulsen, insbesondere Anregungspulsen und Refokussierungspulsen sowie passend dazu koordiniert auszusendenden Gradientenpulsen in verschiedenen Raumrichtungen sowie passend gesetzten Auslesefenstern, während derer die induzierten Magnetresonanzsignale erfasst werden, besteht. Für die Bildgebung maßgeblich ist dabei insbesondere das Timing innerhalb der Sequenz, d. h. in welchen zeitlichen Abständen welche Pulse aufeinander folgen, relevant. Eine Vielzahl der Steuerparameter ist in der Regel in einem sogenannten Messprotokoll definiert, welches vorab erstellt wird und für eine bestimmte Messung beispielsweise aus einem Speicher abgerufen und ggf. vom Bediener vor Ort verändert werden kann, der zusätzliche Steuerparameter wie beispielsweise einen bestimmten Schichtabstand eines Stapels von auszumessenden Schichten, eine Schichtdicke etc. vorgeben kann. Auf Basis all dieser Steuerparameter wird dann eine Messsequenz berechnet.
Während einer solchen Messsequenz werden also die magnetischen Gradientenspulen häufig umgeschaltet. Sowohl die maximale Amplitude der Gradientenpulse als auch die Anstiegszeit des Gradientenstroms, d. h. die Steigung der Flanken der Gradientenpulse, üblicherweise als „Slew Rate” bezeichnet, sind wichtige Gradientenpulsparameter, welche die Leistungsfähigkeit eines Magnetresonanztomographen beeinflussen. So benötigt eine Vielzahl von Bildgebungssequenzen hohe Slew Rates, vorzugsweise auch hohe Gradientenpulsamplituden. Ungünstigerweise ist jedoch die Induktion von Wirbelströmen durch die Gradientenpulse in umgebenden metallischen Flächen, beispielsweise der Hochfrequenzabschirmung des Magnetresonanztomographen, aber auch im Körper eines Patienten bzw. Probanden, mit der Slew Rate verknüpft. So sind diese Wirbelströme in der Regel umso höher, je höher die Slew Rate ist. Die Wirbelströme im Körper des Patienten oder Probanden können zu Bildartefakten sowie zu einer peripheren Nervenstimulation (PNS) führen. Wirbelströme mit anderen Komponenten des Magnetresonanztomographen, insbesondere dem Hochfrequenzschirm, sind ein Grund für die bekannten Lärmerscheinungen während des Schaltens der Gradienten. Ebenso wird die Lärmbildung durch höhere Gradientenamplituden verstärkt, da diese ebenfalls zu höheren Kräften innerhalb des Magnetresonanztomographen führen. Zusätzlich führen eine höhere Slew Rate und höhere Gradientenamplituden zu einem höheren Energieverbrauch und stellen zudem höhere Anforderungen an die Hardware.
Insbesondere um die Geräuschbelästigung zu reduzieren, wurden bereits verschiedene Lösungen beim Aufbau der Hardware vorgeschlagen, wie z. B. ein Vergießen oder Vakuumversiegeln der Gradientenspulen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, bereits bei der Berechnung der Messsequenzen dafür zu sorgen, dass die Slew Rate und die Gradientenamplitude soweit wie möglich begrenzt sind. In der Praxis gibt es daher Geräte, die sogenannte verschiedene „Gradientenmoden” anbieten. Der Bediener kann hierbei nach Bedarf beispielsweise zwischen einem normalen Modus und einem besonders leisen Gradientenmodus wählen. In dem leisen Gradientenmodus wird eine maximal zulässige Slew Rate für die Gradientenpulse auf einen niedrigeren Wert gesetzt, was dazu führt, dass die Messung leiser als im normalen Modus ist. Ungünstigerweise führt dies aber in der Regel nicht nur dazu, dass die Messzeit insgesamt länger wird, sondern bewirkt auch, dass die Bildqualität, beispielsweise der Kontrast und/oder die Auflösung, reduziert wird. Bei einer solchen Begrenzung der globalen maximalen Slew Rate ist also immer ein Kompromiss zwischen der Reduzierung der Lautstärke, der Messzeit und der Bildqualität zu finden.
Die US 2010/0308829 A1 offenbart ein Verfahren und System zur Modifizierung von Pulssequenzen, welche auf die Begrenzung der Gradientenpuls-Slewrate und der Gradientenpuls-Maximalamplitude in einem Optimierungsverfahren gerichtet sind, wobei ein bestimmter repetetionsintervallinterner Zeitparameter (Echozeit TE, Repetitionszeit TR oder „echo spacing”) als Optimierungsziel vorgegeben wird.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein geeignetes Verfahren sowie eine entsprechende Messsequenz-Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung von Messsequenzen auf Basis von vorgegebenen Steuerparametern zu schaffen, welche zu möglichst geringen Wirbelströmen führen und ohne einen Bildqualitätsverlust möglichst leise sind und zu möglichst geringen PNS-Belastungen führen.
Diese Aufgabe wird zum einen durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und zum anderen durch eine Messsequenz-Ermittlungseinrichtung nach Patentanspruch 13 gelöst.
Wie eingangs beschrieben, wird bei dem Verfahren wie üblich eine Vielzahl von Steuerparametern für die Messsequenz vorgegeben, wie beispielsweise Schichtabstände, Schichtdicken, Anzahl und Lage der Schichten. Ein Großteil dieser Parameter kann vom Bediener modifiziert werden. Üblicherweise wird zur Berechnung einer Messsequenz auch die zu erreichende Zielmagnetisierung sowie meist auch eine k-Raum-Gradiententrajektorie vorgegeben, entlang derer während der Datenakquisition der k-Raum durchlaufen werden soll. Die Zielmagnetisierung und die k-Raum-Gradiententrajektorie ergeben sich üblicherweise aus dem Protokoll und werden vom Bediener normalerweise nicht direkt, sondern allenfalls indirekt durch Modifikation anderer Parameter, welche zu einer anderen Zielmagnetisierung oder einer anderen k-Raum-Gradiententrajektorie führen, geändert. Die automatische Ermittlung der Messsequenz erfolgt dann mit Hilfe eines Sequenzrechners, dem die Steuerparameter und weitere Randbedingungen, beispielsweise eine globale (d. h. für alle Gradientenpulse gültige) maximale Slew Rate, eine globale maximale Gradientenamplitude, maximale Hochfrequenz-Pulsamplituden etc. vorgegeben werden.
Zu diesen Steuerparametern gehören aber auch ein oder mehrere bildqualitätsrelevelante repetitionsintervallinterne Zeitparameter. Unter „repetitionsintervallinterne Zeitparameter” sind hier solche Zeitparameter zu verstehen, die das Timing innerhalb des Repetitionsintervalls festlegen, insbesondere bei einer Echosequenz die besonders die Qualität des Bildes beeinflussende Echozeit TE und/oder bei einer Spinechosequenz das sogenannte „Echospacing” ESP, welches den zeitlichen Abstand der innerhalb eines Repetitionsintervalls zu akquirierenden Magnetresonanzsignalen angibt. Auch diese Zeitparameter werden – wie bereits oben erläutert – durch ein Messprotokoll vorgegeben und ggf. vom Benutzer geändert oder neu eingegeben. Die Erfindung ist dabei nicht auf die zuvor genannten Sequenztypen beschränkt, sondern im Prinzip auch auf die repetitionsintervallinternen Zeitparameter bei anderen beliebigen Sequenzen anwendbar, beispielsweise Inversion-Recovery-Sequenzen (IR) und Gradientenechosequenzen (GRE).
Erfindungsgemäß werden nun während der Ermittlung der Messsequenz in einem Gradientenoptimierungsverfahren automatisch Gradientenpulsparameter der Gradientenpuls-Sequenz der Messsequenz zur Reduzierung zumindest eines Gradientenpulsparameter-Maximalwerts optimiert, wobei als (weitere) Randbedingung in dem Gradienten-Optimierungsverfahren zumindest ein repetitionsintervallinterner Zeitparameter innerhalb eines vorgegebenen Toleranzwerts konstant gehalten wird.
Bei den Gradientenpulsparametern handelt es sich bevorzugt um die Slew Rate und/oder die Gradientenamplitude der Gradientenpulse. Werden diese Gradientenpulsparameter hinsichtlich einer Reduzierung zumindest eines Gradientenpulsparameter-Maximalwerts optimiert, so führt dies zu einer Reduzierung von Wirbelströmen sowohl in umliegenden metallischen Teilen, wie dem HF-Schirm des Magnetresonanztomographen, als auch im Patenten – und somit automatisch zu einer geringeren Lautstärke. Zudem wird der Energieverbrauch reduziert. Außerdem wird durch die Verringerung der Wirbelströme im Patienten dessen PNS-Belastung reduziert. Da gleichzeitig aber auch die bildqualitätsrelevanten sequenzinternen Zeitparameter weitgehend konstant gehalten werden, führt dies nicht zu Bildqualitätseinbußen, die dann wieder auf andere Weise ausgeglichen oder in Kauf genommen werden müssen.
Die Erfinder haben hier also erkannt, dass es möglich ist, in einem Optimierungsverfahren als Randbedingung einen sequenzinternen Zeitparameter, der zu einer Veränderung der Bildqualität führen würde, konstant zu halten und dennoch überraschenderweise trotz dieser Vorgabe bei einer Vielzahl von üblichen Messsequenzen durch das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren eine erhebliche Lärm- und PNS-Reduzierung zu erreichen, ohne dass irgendwelche Veränderungen in der Bildqualität sichtbar wurden. So wurden beispielsweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber einer mit einem herkömmlichen Verfahren ermittelten Spinechosequenz Lärmreduzierungen von bis zu 10 dBA erzeugt.
Eine erfindungsgemäße Messsequenz-Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung einer Messsequenz für eine Magnetresonanzanlage benötigt zum einen eine Eingangs-Schnittstelle zur Erfassung zumindest eines repetitionsintervallinternen Zeitparameters als einen der Steuerparameter, wobei diese Eingangs-Schnittstelle beispielsweise eine Verbindung zu der Benutzerschnittstelle hat, über die ein Benutzer den Zeitparameter eingeben kann, oder auch eine reine Software-Schnittstelle, um den Zeitparameter, z. B. gemeinsam mit anderen Steuerparametern, aus einem Protokoll zu übernehmen. Weiterhin benötigt die Messsequenz-Ermittlungseinrichtung eine Messsequenz-Berechnungseinheit, die so ausgebildet ist, dass sie auf Basis der Steuerparameter eine Messsequenz ermittelt, d. h. optimal berechnet. Erfindungsgemäß muss die Messsequenz-Ermittlungseinrichtung derart ausgebildet sein, dass sie während der Ermittlung der Messsequenz, was jeweils durch die Messsequenz-Berechnungseinheit erfolgt, in einem Gradientenoptimierungsverfahren automatisch Gradientenpulsparameter der Messsequenz zur Reduzierung zumindest eines Gradientenpulsparameter-Maximalwerts optimiert, wobei als Randbedingung in dem Gradienten-Optimierungsverfahren der repetitionsintervallinterne Zeitparameter zumindest innerhalb des vorgegebenen Toleranzwerts konstant gehalten wird.
In der Regel weist die Messsequenz-Ermittlungseinrichtung außerdem eine Messsequenz-Ausgabe-Schnittstelle auf, um die Messsequenz dann an weitere Geräte auszugeben, welche letztlich den Magnetresonanztomographen dazu veranlassen, entsprechend der Messsequenz die erforderlichen Hochfrequenzpulse und Gradientenpulse auszuspielen, die Magnetresonanzsignale zu empfangen und weiterzuverarbeiten.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanzanlage wird nach dem zuvor beschriebenen Verfahren eine Messsequenz ermittelt und dann die Magnetresonanzanlage unter Nutzung dieser Messsequenz betrieben. Üblicherweise wird dabei für eine komplette Messung, beispielsweise zur Messung einer kompletten Schicht oder eines Stapels von Schichten, welche einen vorgegebenen interessierenden Bereich (ROI = Region of Interest) abdecken, eine Abfolge von mehreren Messsequenzen abgearbeitet. Entsprechend weist eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage der eingangs genannten Art eine zuvor beschriebene Messsequenz-Ermittlungseinrichtung auf.
Wesentliche Teile der Messsequenz-Ermittlungseinrichtung können in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. Dies betrifft insbesondere die Messsequenzermittlungseinheit und gegebenenfalls auch eine spezielle Gradientenoptimierungseinheit. Bei der Eingangs-Schnittstelle kann es sich beispielsweise um eine Benutzerschnittstelle zur manuellen Eingabe der Steuerparameter, insbesondere auch um eine graphische Benutzerschnittstelle handeln. Hierbei kann es sich auch um eine Schnittstelle handeln, um Daten aus einem innerhalb der Messsequenz-Ermittlungseinrichtung angeordneten oder über ein Netz damit verbundenen Datenspeicher – gegebenenfalls auch unter Nutzung der Benutzerschnittstelle – auszuwählen und zu übernehmen. Auch bei der Messsequenz-Ausgabe-Schnittstelle kann es sich z. B. um eine Schnittstelle handeln, die die Messsequenz an eine Magnetresonanzsteuerung übermittelt, um damit direkt die Messung zu steuern, aber auch um eine Schnittstelle, die die Daten über ein Netz versendet und/oder in einem Speicher zur späteren Nutzung hinterlegt. Diese Schnittstellen können ebenfalls zumindest teilweise in Form von Software ausgebildet sein und eventuell auf Hardware-Schnittstellen eines vorhandenen Rechners zurückgreifen.
Die Erfindung umfasst somit auch ein Computerprogramm, welches direkt in einen Speicher einer Messsequenz-Ermittlungseinrichtung ladbar ist, mit Programmcode-Abschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in der Messsequenz-Ermittlungseinrichtung ausgeführt wird. Eine solche softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch bisherige Einrichtungen, die zur Ermittlung von Messsequenzen verwendet werden (beispielsweise geeignete Rechner in Rechenzentren der Magnetresonanzsystem-Hersteller), durch Implementierung des Programms in geeigneter Weise modifiziert werden können, um in der erfindungsgemäßen Weise Messsequenzen zu ermitteln, die mit einer geringeren Lautstärke und PNS-Belastung verbunden sind.
Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten besonders vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung, wobei insbesondere auch die Ansprüche einer Kategorie analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können.
Wie bereits oben erläutert, sollte als ein besonders bildqualitätsrelevanter repetitionsintervallinterner Zeitparameter insbesondere die Echozeit bei einer Echosequenz bzw. einer Spinechosequenz, vorzugsweise außerdem das Echospacing, während des Gradientenoptimierungsverfahrens konstant gehalten werden. Ein weiterer bildqualitätsrelevanter, repetitionsintervallinterner Zeitparameter, der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als Randbedingung konstant gehalten wird, kann die Inversionszeit TI bei Inversion-Recovery-Sequenzen IR sein. Besonders bevorzugt wird auch die Repetitionszeit selbst, d. h. die Länge des Repetitionsintervalls, konstant gehalten.
Erfindungsgemäß reicht es als Randbedingung aus, wenn der oder die betreffenden Zeitparameter innerhalb eine Toleranzwerts konstant gehalten werden, d. h. es kann eine bestimmte Schwankungsbreite angegeben werden, in der eine Modifizierung der Zeitparameter gerade noch zulässig ist. Der Toleranzparameter ist dabei sinnvollerweise so gewählt, dass sich hierdurch keinerlei relevante Auswirkungen auf die Bildqualität ergeben. Insbesondere wenn ein Zeitparameter vom Bediener an einer Benutzerschnittstelle variiert werden kann, liegt der Toleranzwert vorzugsweise bei +/– dem maximal halben Wert einer Eingabeschrittweite des Parameters an der Benutzerschnittstelle. Kann der Bediener also beispielsweise die Echozeit in Schritten von 1 ms eingeben, sollte der Toleranzwert unterhalb von +/–0,5 ms liegen, so dass letztlich bei entsprechender Auf- bzw. Abrundung immer Bilddaten mit der eingegebenen Echozeit erzeugt werden.
Es ist dabei nicht nötig, dass, wenn mehrere Zeitparameter konstant gehalten werden, für alle die gleichen Toleranzwerte gelten. So können insbesondere auch einige repetitionsintervallinterne Zeitparameter innerhalb eines vorgegebenen Toleranzwerts variiert werden, wogegen andere repetitionsintervallinterne Zeitparameter absolut konstant zu halten sind.
Um erfindungsgemäß eine Messsequenz mit einer hinsichtlich der Reduzierung zumindest eines Gradientenpulsparameter-Maximalwerts (und somit hinsichtlich der Reduzierung von Wirbelströmen) optimierten Gradientenpulssequenz unter Einhaltung der zusätzlichen Randbedingungen einer Konstanthaltung der repetitionsintervallinternen Zeitparameter durchzuführen, gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Zum einen ist prinzipiell eine analytische Berechnung der Messsequenz mit den gegebenen Randbedingungen möglich. Hierzu ist es erforderlich, dass die komplexe Zeitabhängigkeit der Gradienten für die gesamte Messsequenz vorab bekannt ist, so dass die erforderlichen Gradientenparameter für die einzelnen Pulse oder Gradientenpulsabschnitte im Vorhinein berechnet werden können. Eine solche analytische Berechnung hat den Vorteil, dass sie sehr schnell durchführbar ist.
Bei einer anderen bevorzugten Variante erfolgt die Optimierung der Gradientenpulsparameter im Gradientenoptimierungsverfahren numerisch. Eine numerische Optimierung hat den Vorteil, dass weniger Vorkenntnisse über die zeitlichen Abhängigkeiten der Pulse vorhanden sein müssen, d. h. jeder einzelne Gradientenpuls kann ohne Kenntnisse über die anderen Gradientenpulse optimiert werden.
Besonders bevorzugt erfolgt dabei in dem Gradienten-Optimierungsverfahren die Optimierung des Gradientenpulsparameters durch eine direkte Optimierung bzw. Reduzierung des Gradientenpulsparameter-Maximalwerts, welcher nicht von dem zu optimierenden Gradientenpulsparameter überschritten werden sollte. Der Gradientenpulsparameter-Maximalwert wird dann vorzugsweise in einem Sequenzermittlungsprozess daraufhin geprüft (z. B. wird der Messsequenz-Berechnungseinheit vorgegeben), ob mit dem vorgegebenen Gradientenpulsparameter-Maximalwert unter Einhaltung der Randbedingungen der Konstanthaltung des repetitionsintervallinterne Zeitparameter innerhalb des vorgegebenen Toleranzwerts eine geeignete Messsequenz ermittelt werden kann. Bei diesem Verfahren wird also ein optimaler Gradientenpulsparameter-Maximalwert ermittelt, der dem Sequenzermittlungsprozess neben dem konstant zu haltenden repetitionsintervallinternen Zeitparameter als weitere Randbedingung für die Ermittlung der optimalen Messsequenz vorgegeben werden kann.
Besonders bevorzugt umfasst das Gradientenoptimierungsverfahren ein Iterationsverfahren. Dabei wird ganz besonders bevorzugt zunächst ein Gradientenpulsparameter-Maximalwert als Startwert vorgegeben, und dieser Gradientenpulsparameter-Maximalwert wird in mehreren Iterationsschritten mit einer definierten Schrittweite heruntergesetzt. Dabei wird in jedem Iterationsschritt mit dem aktuellen Gradientenpulsparameter-Maximalwert ein Sequenzermittlungsprozess zur Ermittlung der Messsequenz unter Konstanthaltung des repetitionsintervallinternen Zeitparameters innerhalb des vorgegebenen Toleranzwerts durchgeführt. Bei erfolgreicher Ermittlung der Messsequenz erfolgt dann jeweils ein neuer Iterationsschritt bis zu einem vorgegebenen Abbruchkriterium.
Dabei wird das Iterationsverfahren bevorzugt dann abgebrochen, wenn in einem Iterationsschritt mit dem aktuellen Gradientenpulsparameter-Maximalwert keine erfolgreiche Ermittlung der Messsequenz unter Konstanthaltung des repetitionsintervallinternen Zeitparameters innerhalb des vorgegebenen Toleranzwerts mehr möglich ist.
Vorzugsweise wird dann nach dem Abbruch des Iterationsverfahrens ein über dem letzten aktuellen Gradientenpulsparameter-Maximalwert liegender Gradientenpulsparameter-Maximalwert, besonders bevorzugt der vorletzte aktuelle Gradientenpulsparameter-Maximalwert, als optimaler Gradientenpulsparameter-Maximalwert ausgegeben. Mit dem so ermittelten Gradientenpulsparameter-Maximalwert kann dann eine optimierte Messsequenz berechnet werden, welche die gewünschten Zeitparameter einhält. Andere iterative Algorithmen sind ebenso möglich.
Als Startwert für dieses iterative Verfahren kann vorzugsweise ein globaler Gradientenpulsparameter-Maximalwert, beispielsweise eine maximale Slew Rate oder eine maximale Gradientenamplitude, eingesetzt werden, der für alle Pulse gilt und der z. B. durch die Magnetresonanzanlage und deren hardwaretechnische Möglichkeiten sowie durch Sicherheitsvorgaben maximal erlaubt wäre. Das heißt, dieser Startwert entspricht dem Gradientenpulsparameter-Maximalwert, der auch bei herkömmlichen Verfahren bereits vorgeben wird.
Grundsätzlich kann diese Optimierung gemeinsam für alle Gradientenpulse der Messsequenz gemeinsam erfolgen.
Bevorzugt ist es aber möglich, dass beispielsweise ein individueller Gradientenpulsparameter-Maximalwert für einen einzelnen Pulsabschnitt separat ermittelt wird. Hierbei kann es sich um definierte, funktionell abgegrenzte Zeitabschnitte wie z. B. eine bestimmte Rampe, ein Plateau etc. eines Gradientenpulses handeln. Grundsätzlich kann aber ein Pulsabschnitt in diesem Sinne auch nur einen Teil eines funktionell abgegrenzten Zeitabschnitts, d. h. einen Teil einer Rampe, eines Plateaus etc., umfassen. Im Extremfall kann das Verfahren sogar auf kleinste zeitliche Pulsabschnitte herunter gebrochen werden, d. h. dass für jeden Zeitpunkt eines Gradientenpulses eine individuelle Optimierung durchgeführt wird, was für jede Gradientenachse einfach zu einer zeitabhängigen Optimierung und zu nicht linear optimierten Pulsen führen kann. Ebenso ist es bevorzugt möglich, dass ein individueller Gradientenpulsparameter-Maximalwert für einen einzelnen kompletten Gradientenpuls, d. h. einen Einzelpuls, separat ermittelt wird.
Vorzugsweise umfasst das Gradientenoptimierungsverfahren hierzu mehrere Optimierungszwischenschritte, wobei beispielsweise jeder der Optimierungszwischenschritte ein eigenes Iterationsverfahren umfassen kann.
Bei einer besonders bevorzugten Variante wird, beispielsweise jeweils in einem Optimierungszwischenschritt, jeweils ein individueller Gradientenpulsparameter-Maximalwert für eine logische funktionelle Gruppe von Gradientenpulsen separat ermittelt. Das heißt, es werden z. B. im Rahmen des Optimierungsverfahrens in mehreren Optimierungsschritten für einzelne logisch funktionell zusammenhängende Gruppen von Gradientenpulsen, beispielsweise alle Spoilerpulse und/oder alle Anregungs- und/oder Refokussierungspulse, eigene Iterationsverfahren durchlaufen.
Als Ergebnis steht dann letztlich vor der endgültigen Erstellung der Messsequenz eine Anzahl von separaten Gradientenpulsparameter-Maximalwerten für – je nach Ausgestaltung des Verfahrens – logisch funktionelle Gruppen, einzelne Gradientenpulse und/oder einzelne Pulsabschnitte zur Verfügung. Alle diese Gradientenpulsparameter-Maximalwerte werden dann gemeinsam mit dem konstant zu haltenden repetitionsintervallinternen Zeitparameter innerhalb eines Sequenzermittlungsprozesses als Randbedingungen berücksichtigt und die optimale Messsequenz ermittelt. Hierzu kann eine herkömmliche Messsequenz-Berechnungseinheit verwendet werden, wie sie auch bisher schon zur Ermittlung von Messsequenzen verwendet wird.
Das Verfahren wird besonders bevorzugt zur Optimierung von ursprünglich (d. h. vor Durchführung des erfindungsgemäßen Optimierungsverfahrens) trapezförmig ausgebildeten Gradientenpulsen angewandt. Es werden also mit der Messsequenz zunächst trapezförmige „Start-Gradientenpulse” vorgegeben, deren Gradientenpulsparameter dann innerhalb des erfindungsgemäßen Gradienten-Optimierungsverfahrens automatisch optimiert werden, um zu den optimierten Gradientenpulsen in der Messsequenz zu kommen.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat also insgesamt mehrere Vorteile. Zum einen können die durch Wirbelströme entstehenden Artefakte minimiert werden. Gleichzeitig führt das Verfahren zu einer reduzierten PNS-Belastung des Patienten und zu einer geringeren Geräuschentwicklung. Außerdem kann der Energieverbrauch durch die Gradientenpulsverstärker reduziert werden. Gleichzeitig wird dafür gesorgt, dass keine negativen Effekte auf den Bildkontrast oder andere Bildqualitätsmerkmale auftreten, so dass die Methode immer klinisch anwendbar ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass keine speziellen Benutzerschnittstellen zur Einstellung verwendet werden müssen.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Magnetresonanzanlage,
2 ein Ablaufschema für einen möglichen Ablauf gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 ein schematisches Pulsdiagramm für ein Repetitionsintervall einer bekannten Gradientenecho-Messsequenz vor einer erfindungsgemäßen Optimierung,
4 das Pulsdiagramm gemäß 3 nach einer erfindungsgemäßen Optimierung von Gradientenpulsparametern.
In 1 ist grob schematisch eine Magnetresonanzanlage 1 dargestellt. Sie umfasst zum einen den eigentlichen Magnetresonanzscanner 2 mit einem darin befindlichen Untersuchungsraum 8 bzw. Patiententunnel. Eine Liege 7 ist in diesen Patiententunnel 8 hineinfahrbar, so dass ein darauf liegender Patient O oder Proband während einer Untersuchung an einer bestimmten Position innerhalb des Magnetresonanzscanners 2 relativ zu dem darin angeordneten Magnetsystem und Hochfrequenzsystem gelagert werden kann bzw. auch während einer Messung zwischen verschiedenen Positionen verfahrbar ist.
Wesentliche Komponenten des Magnetresonanzscanners 2 sind ein Grundfeldmagnet 3, ein Gradientensystem 4 mit Magnet feldgradientenspulen zur Erzeugung von Magnetfeldgradienten in x-, y- und z-Richtung sowie eine Ganzkörper-Hochfrequenzspule 5. Die Magnetfeldgradientenspulen in x-, y- und z-Richtung sind unabhängig voneinander ansteuerbar, so dass durch eine vorgegebenen Kombination Gradienten in beliebigen logischen Raumrichtungen, beispielsweise in Schichtselektionsrichtung, in Phasenkodierrichtung oder in Ausleserichtung angelegt werden können, wobei diese Richtungen i. d. R. von der gewählten Schichtorientierung abhängen. Der Empfang von im Untersuchungsobjekt O induzierten Magnetresonanzsignalen kann über die Ganzkörperspule 5 erfolgen, mit der in der Regel auch die Hochfrequenzsignale zur Induzierung der Magnetresonanzsignale ausgesendet werden. Üblicherweise werden diese Signale aber mit einer Lokalspulenanordnung 6 mit beispielsweise auf oder unter den Patient O gelegten Lokalspulen (von denen hier nur eine dargestellt ist) empfangen. Alle diese Komponenten sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt und daher in der 1 nur grob schematisch dargestellt.
Die Komponenten des Magnetresonanzscanners 2 sind von einer Steuereinrichtung 10 ansteuerbar. Dabei kann es sich um einen Steuerrechner handeln, welcher auch aus einer Vielzahl von – gegebenenfalls auch räumlich getrennten und über geeignete Kabel oder dergleichen untereinander verbundenen – Einzelrechnern bestehen kann. Über eine Terminalschnittstelle 17 ist diese Steuereinrichtung 10 mit einem Terminal 20 verbunden, über das ein Bediener die gesamte Anlage 1 ansteuern kann. Im vorliegenden Fall ist dieses Terminal 20 als Rechner mit Tastatur, einem oder mehreren Bildschirmen sowie weiteren Eingabegeräten wie beispielsweise Maus oder dergleichen ausgestattet, so dass dem Bediener eine grafische Benutzeroberfläche zur Verfügung steht.
Die Steuereinrichtung 10 weist u. a. eine Gradienten-Steuereinheit 11 auf, die wiederum aus mehreren Teilkomponenten bestehen kann. Über diese Gradienten-Steuereinheit 11 werden die einzelnen Gradientenspulen gemäß einer Gradientenpulssequenz GS mit Steuersignalen beschaltet. Hierbei handelt es sich wie oben beschrieben um Gradientenpulse, die während einer Messung an genau vorgesehenen zeitlichen Positionen und mit einem genau vorgegebenen zeitlichen Verlauf gesetzt werden.
Die Steuereinrichtung 10 weist außerdem eine Hochfrequenz-Sendeeinheit 12 auf, um in die Ganzkörper-Hochfrequenzspule 5 jeweils Hochfrequenzpulse gemäß einer vorgegebenen Hochfrequenzpulssequenz HFS der Messsequenz MS einzuspeisen. Der Empfang der Magnetresonanzsignale geschieht dann mit Hilfe der Lokalspulenanordnung 6, und die davon empfangenen Rohdaten RD werden von einer HF-Empfangseinheit 13 ausgelesen und verarbeitet. Die Magnetresonanzsignale werden in digitaler Form als Rohdaten RD an eine Rekonstruktionseinheit 14 übergeben, die daraus die Bilddaten BD rekonstruiert und diese in einem Speicher 16 hinterlegt und/oder über die Schnittstelle 17 an das Terminal 20 übergibt, so dass der Bediener sie betrachten kann. Die Bilddaten BD können auch über ein Netzwerk NW an anderen Stellen gespeichert und/oder angezeigt und ausgewertet werden. Alternativ kann auch eine Hochfrequenzpulssequenz über die Lokalspulenanordnung ausgesendet werden und/oder die Magnetresonanzsignale können von der Ganzkörper-Hochfrequenzspule empfangen werden (nicht dargestellt).
Über eine weitere Schnittstelle 18 werden Steuerbefehle an andere Komponenten des Magnetresonanzscanners 2, wie z. B. die Liege 7 oder den Grundfeldmagnet 3 übermittelt, oder Messwerte bzw. andere Informationen übernommen.
Die Gradienten-Steuereinheit 11, die HF-Sendeeinheit 12 und die HF-Empfangseinheit 13 werden jeweils koordiniert durch eine Messsteuereinheit 15 angesteuert. Diese sorgt durch entsprechende Befehle dafür, dass die gewünschten Gradientenpulssequenzen GS und Hochfrequenzpulssequenzen HFS ausgesendet werden. Außerdem muss dafür gesorgt werden, dass zum passenden Zeitpunkt die Magnetresonanzsignale an den Lokalspulen der Lokalspulenanordnung 6 durch die HF-Empfangseinheit 13 ausgelesen und weiterverarbeitet werden. Ebenso steuert die Messsteuereinheit 15 die Schnittstelle 18 an.
Der grundlegende Ablauf einer solchen Magnetresonanzmessung und die genannten Komponenten zur Ansteuerung sind dem Fachmann aber bekannt, so dass sie hier im Detail nicht weiter besprochen werden. Im Übrigen kann ein solcher Magnetresonanzscanner 2 sowie die zugehörige Steuereinrichtung noch eine Vielzahl weiterer Komponenten aufweisen, die hier ebenfalls nicht im Detail erläutert werden. Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der Magnetresonanzscanner 2 auch anders aufgebaut sein kann, beispielsweise mit einem seitlich offenen Patientenraum, oder als kleinerer Scanner, in dem nur ein Körperteil positioniert werden kann.
Um eine Messung zu starten, kann ein Bediener über das Terminal üblicherweise ein für diese Messung vorgesehenes Steuerprotokoll P aus einem Speicher 16 auswählen, in dem eine Vielzahl von Steuerprotokollen P für verschiedene Messungen hinterlegt ist. Dieses Steuerprotokoll P enthält u. a. verschiedene Steuerparameter SP, TE für die jeweilige Messung. Zu diesen Steuerparametern SP zählen bestimmte Grundvorgaben für die gewünschte Messsequenz, beispielsweise, ob es sich um eine Spinechosequenz, eine Turbo-Spinechosequenz etc. handelt. Weiterhin zählen hierzu Steuerparameter bezüglich der durch die einzelnen Hochfrequenzpulse zu erreichenden Magnetisierungen, Vorgaben über eine zur Aufnahme von Rohdaten abzufahrende k-Raum-Gradiententrajektorie sowie darüber hinaus Schichtdicken, Schichtabstände, Anzahl der Schichten etc.
Ebenso können hierzu repetitionsintervallinterne Zeitparameter zählen. Lediglich als ein Beispiel ist hierfür die Echozeit TE in einer Spinechosequenz angegeben. Dieses Beispiel wird auch bei den nachfolgenden Erklärungen anhand der weiteren Figuren verwendet, da dies einer der wichtigsten bildqualitätsrelevanten repetitionsintervallinternen Zeitparameter ist.
Mit Hilfe des Terminals 20 kann der Bediener dann einen Teil dieser Steuerparameter verändern, um ein individuelles Steuerprotokoll für die aktuell gewünschte Messung zu erstellen. Hierzu werden die veränderbaren Steuerparameter, insbesondere auch repetitionsintervallinternen Zeitparameter wie die Echozeit TE, auf einer graphischen Benutzeroberfläche des Terminals zur Änderung angeboten. Beispielsweise kann üblicherweise der Bediener die Echozeit TE in Schrittweiten von 1 ms (oder bei kleinen Echozeiten unterhalb von 10 ms in einer Schrittweite von 0,1 ms) einstellen, was unter anderem die Messzeit einer Untersuchung, aber auch die Bildqualität, insbesondere Kontrast und Auflösung, beeinflusst. Nimmt der Bediener hier keine Änderung vor, so wird die im Protokoll vorgegebene Echozeit verwendet, die üblicherweise für die meisten Fälle, für die die jeweilige Sequenz verwendet werden kann, eine recht gute Vorgabe ist.
Im Übrigen kann der Bediener auch über ein Netzwerk NW Steuerprotokolle, beispielsweise vom Hersteller der Magnetresonanzanlage, abrufen und diese dann ggf. modifizieren und nutzen.
Basierend auf den Steuerparametern SP einschließlich der gewählten repetitionsintervallinternen Zeitparameter TE, wird dann eine Messsequenz MS ermittelt, mit der schließlich die eigentliche Ansteuerung der übrigen Komponenten durch die Messsteuereinheit 15 erfolgt.
Diese Messsequenz MS wird in einer Messsequenz-Ermittlungseinrichtung 22 berechnet, die hier als Teil des Terminals 20 dargestellt ist und beispielsweise in Form von Softwarekomponenten auf dem Rechner dieses Terminals 20 realisiert sein kann. Prinzipiell kann die Messsequenz-Ermittlungseinrichtung 22 aber auch Teil der Steuereinrichtung 10 selber sein, insbesondere der Messsteuereinheit 15. Ebenso könnte die Messsequenz-Ermittlungseinrichtung aber auch auf einem separaten Rechensystem realisiert sein, welches beispielsweise über das Netzwerk NW mit der Magnetresonanzanlage verbunden ist.
Diese Messsequenz-Ermittlungseinrichtung umfasst zum einen eine Eingangs-Schnittstelle 23 zur Übernahme der Steuerparameter SP, insbesondere der repetitionsintervallinternen Zeitparameter TE.
Diese Steuerparameter SP, TE werden dann an eine Messsequenz-Berechnungseinheit 25 übergeben, die in der erfindungsgemäßen Weise eine optimale Messsequenz ermittelt. Diese kann dann über eine Messsequenz-Schnittstelle 24 wieder ausgegeben werden und beispielsweise in dem in 1 dargestellten Fall über die Terminalschnittstelle 17 an die Messsteuereinheit 15 übergeben werden, so dass dann vollautomatisch die Messung abläuft. Wie bereits oben erwähnt, wird üblicherweise für eine Messung nicht nur eine Messsequenz, sondern eine Abfolge solcher Messsequenzen erzeugt, die dann nacheinander abgearbeitet werden, um so die erforderlichen Rohdaten RD für die gewünschten Bilddaten BD zu akquirieren.
2 zeigt einen möglichen Ablauf für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung einer Messsequenz.
Das Verfahren beginnt im Schritt I durch die Übernahme der vorgegebenen Steuerparameter SP, TE. Außerdem wird im Schritt II zunächst ein globaler Gradientenparameter-Maximalwert GPM vorgegeben, der durch keinen der Gradientenpulse der zu erstellenden Messsequenz überschritten werden darf. Beispielsweise handelt es sich hierbei um die maximale Slew Rate und/oder die maximale Gradientenamplitude, die von der Magnetresonanzanlage unter Berücksichtigung ihrer Hardware sowie auch unter Berücksichtigung von sicherheitsrelevanten Vorgaben gerade noch erlaubt ist.
Innerhalb des Schritts III wird dann ein Iterationsverfahren durchlaufen, um einen reduzierten, optimalen Gradientenpulsparameter-Maximalwert GPO, also beispielsweise eine reduzierte maximale Slew Rate oder eine reduzierte maximale Gradientenamplitude, für die Ermittlung der optimierten Messsequenz vorzugeben, wobei darauf geachtet wird, dass die repetitionsintervallinternen Zeitparameter, hier die Echozeit TE, zumindest innerhalb des vorgegebenen Toleranzwerts von z. B. +/– dem maximal halben Wert der Eingabeschrittweite des betreffenden Parameters an der Benutzerschnittstelle des Terminals konstant gehalten werden.
Dabei wird der gesamte Verfahrensschritt III ggf. mehrfach durchgeführt, nämlich beispielsweise für jede logisch funktionelle Gruppe von Gradientenpulsen, für jeden einzelnen Gradientenpuls oder sogar für jeden bestimmten Abschnitt, beispielsweise bestimmte Rampen eines Gradientenpulses, oder im Extremfall sogar für jeden einzelnen Zeitpunkt und jede einzelne Gradientenachse separat. Dieses mehrfache Durchlaufen des Verfahrensschritts III wird durch den oberen Teil mit der Bezeichnung „For every GG” (für jede GG), welcher den Beginn der äußeren Durchlaufschleife des Verfahrensschritt III anzeigt, und den unteren Abschnitt mit der Bezeichnung „End of For”, welcher das Ende der Schleife anzeigt, symbolisiert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass die Gradientenpulse gruppenweise optimiert werden, d. h. dass verschiedene funktionell zusammenhängende Gruppen GG von Gradientenpulsen gebildet werden, die beispielsweise gemeinsam ausgespielt werden, um eine bestimmte Wirkung zu erzielen. Dabei kann eine logische Gradientenpulsgruppe GG auch Gradientenpulse auf mehreren Achsen, und zwar sowohl auf logischen Achsen (Schichtselektionsrichtung, Phasenkodierrichtung und Ausleserichtung), als auch auf physikalischen Achsen (x-, y-, z-Richtung) umfassen. Ein konkretes Beispiel hierfür wird später noch anhand der 3 und 4 erläutert. Grundsätzlich kann eine Gradientenpulsgruppe GG auch nur aus einem einzelnen Gradientenpuls bestehen. Alternativ kann die äußere Schleife auch für jeden einzelnen Gradientenpuls oder sogar für einzelne Abschnitte von Gradientenpulsen, beispielsweise bestimmte Flanken, separat durchlaufen werden. Das Ergebnis ist, wie später noch erläutert wird, bei jedem Durchlauf ein individuell optimierter, reduzierter Gradientenparameter-Maximalwert für die jeweilige Gradientenpulsgruppe GG, den jeweiligen Gradientenpuls bzw. den Abschnitt des Gradientenpulses, für den die äußere Schleife gerade durchlaufen wurde.
Innerhalb dieser äußeren Schleife im Schritt III wird nun die aus den Verfahrensschritten IV, V und VI bestehende Iterationsschleife mehrfach durchlaufen.
In einem ersten Schritt IV wird zunächst der aktuelle Gradientenpulsparameter-Maximalwert GPM, d. h. beim ersten Durchlauf der Schleife der Startwert, um eine bestimmte Schrittweite heruntergesetzt, beispielsweise um 1%.
Im Schritt V erfolgt dann eine Berechnung der kompletten Messsequenz in einem üblichen Messsequenz-Ermittlungsprozess, beispielsweise mit einem herkömmlichen Sequenzrechner, welcher auch bisher schon verwendet wird, um Pulssequenzen zu berechnen. Wichtig ist jedoch, dass hier die Parameter SP und TE als Vorgaben eingegeben werden, und als Randbedingungen u. a. der repetitionsintervallinterne Zeitparameter TE innerhalb des vorgegebenen Toleranzwerts konstant gehalten wird und der aktuelle Gradientenpulsparameter-Maximalwert GPM für die jeweiligen Gradientenpulse der bei diesem Durchlauf des Verfahrensschritts III zu optimierenden Gradientenpulsgruppe GG nicht überschritten wird. Ebenso werden vorzugsweise auch bereits in vorherigen Durchläufen des Schritts III gefundene, optimierte Gradientenpulsparameter-Maximalwerte eingehalten.
Im Schritt VI, welcher hier separat vom Schritt V dargestellt ist, aber im Prinzip mit diesem unmittelbar verbunden sein kann, wird dann die Frage geklärt, ob eine solche Sequenz mit dem vorgegebenen Timing überhaupt realisierbar ist. Ist dies der Fall (Abzweig „Y”), so wird zum Schritt IV zurückgekehrt und der aktuelle Gradientenpulsparameter-Maximalwert erneut um eine Schrittweite heruntergesetzt. Auf diese Weise wird der Gradientenpulsparameter-Maximalwert GPM immer weiter reduziert, wobei jedes Mal geprüft wird, ob mit dem vorgegebenen Gradientenpulsparameter-Maximalwert noch eine Pulssequenz ermittelbar ist, welche die vorgegebenen Randbedingungen einhält. Stellt sich schließlich im Schritt VI heraus, dass dies nicht mehr möglich ist, so wird das Iterationsverfahren abgebrochen (Abzweig „N”).
Es wird dann im Schritt VII der aktuelle Gradientenpulsparameter-Maximalwert genau um eine Schrittweite wieder heraufgesetzt, so dass der „optimale” Gradientenpulsparameter-Maximalwert nach dem Abbruch der Iterationsschleife wieder den vorletzten Wert annimmt, mit dem gerade noch eine akzeptable Messsequenz berechenbar war.
Das Iterationsverfahren wird, wie oben erwähnt, für jede der logischen Gradientenpulsgruppen GG durchgeführt, so dass im Schritt VIII schließlich für jede der einzelnen Gruppen GG ein individueller optimaler Gradientenpulsparameter-Maximalwert GPO zur Verfügung steht.
Dieses Set von optimalen Gradientenpulsparameter-Maximalwerten GPO wird dann im Schritt IX wiederum dem Sequenzrechner zugeführt, der unter Berücksichtigung der vorgegebenen Steuerparameter, insbesondere der Randbedingungen, den repetitionsintervallinternen Zeitparameter TE innerhalb des Toleranzwerts konstant zu halten und die individuellen optimalen Gradientenpulsparameter-Maximalwert GPO nicht zu überschreiten, eine optimale Messsequenz ermittelt. Der im Schritt IX hierzu verwendete Sequenzrechner ist vorzugsweise wieder der im Schritt V verwendeten Sequenzrechner.
Im Schritt X steht dann die optimierte Messsequenz MS zur Verfügung, welche schließlich im Schritt XI im Magnetresonanzscanner ausgespielt wird.
Die 3 und 4 zeigen ein schematisches Ausführungsbeispiel für eine Modifikation einer Gradientenechosequenz mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei zeigt 3 ein Repetitionsintervall einer Gradientenechosequenz, wie sie ohne das erfindungsgemäße Verfahren berechnet würde, und 4 die durch das erfindungsgemäße Verfahren ermittelte optimierte Gradientenechosequenz.
Sowohl in 3 als auch in 4 ist jeweils auf der oberen Zeitachse RF der Hochfrequenzpuls HF₁ der Hochfrequenzpulssequenz HFS dargestellt. Auf der darunter liegenden Zeitachse RW ist ein Auslesefenster W dargestellt, in dem das zu erwartende Echosignal E ausgelesen wird. Es handelt sich bei der dargestellten Messsequenz MS um eine sehr einfache Sequenz mit nur einem Anregungspuls RF₁ und einem darauf folgenden Echosignal E.
Auf den drei untersten Zeitachsen ist die Gradientenpulssequenz GS dargestellt, wobei auf der obersten dieser drei Zeitachsen G_slice die Gradienten GS₁, GS₂ in Schichtselektionsgradientenrichtung dargestellt sind, auf der mittleren Zeitachse G_phase die Gradientenpulse GP1, GP2 in Phasenkodiergradientenrichtung und auf der untersten Zeitachse G_readout die Gradientenpulse GR₁, GR₂, GR₃ in Auslesegradientenrichtung. Dargestellt ist auf jeder Zeitachse jeweils die Spannung über der Zeit in willkürlichen Einheiten.
Die Gradientenechosequenz GS beginnt zunächst mit dem Aussenden eines Schichtselektionsgradientenpulses GS₁ in der Schichtselektionsgradientenrichtung, der gleichzeitig zu einem schichtselektiven Anregungs-Hochfrequenzpuls HF₁ ausgesendet wird. Damit wird eine bestimmte Schicht angeregt. Anschließend erfolgen ein negativer Rephasierungspuls GS₂ in der Schichtselektionsgradientenrichtung, ein Phasenkodiergradientenpuls GP₁ in Phasenkodiergradientenrichtung und ein Rephasierungspuls GR₁ in Auslesegradientenrichtung. In Auslesegradientenrichtung schließt sich dann ein längerer Auslesegradientenpuls GR₂ während des Auslesefensters W an. Beendet wird die Gradientensequenz nach dem Ende des Auslesefensters W mit einem negativen Spoilerpuls GP₂ in Phasenkodiergradientenrichtung und einem gleichzeitig ausgesendeten negativen Spoilerpuls GR₃ in Auslesegradientenrichtung. In 3 ist als ein bildqualitätsrelevanter, repetitionsintervallinterner Zeitparameter die Echozeit TE vom Maximum des ausgesendeten Anregungs-Hochfrequenzpuls HF₁ zum Maximum des Echosignals E eingezeichnet. Wie aus der 3 zu ersehen ist, wurden hier alle Gradientenpulse zunächst in Trapezform erstellt.
Wie ein Vergleich der 4 und 3 zeigt, wurde zur Optimierung weder in der Hochfrequenzpulssequenz HFS noch bezüglich des Auslesefensters W etwas verändert. Insbesondere wurde das repetitionsintervallinterne Timing, hier die Echozeit TE, ebenso konstant gehalten wie die gesamte innere Repetitionszeit TR. Jedoch wurden bei einigen Gradientenpulsen der Gradientenpulssequenz GS' die Slew Rate und die Amplitude modifiziert.
Dabei wurde hier zunächst die globale Slew Rate für alle Pulse reduziert. Danach wurde die Slew Rate in der erfindungsgemäßen Weise für jeden Gradientenpuls GS₁, GS₂, GP₁, GP₂, GR₁, GR₂, GR₃ individuell optimiert.
Für einige der Gradientenpulse hat es nur minimale, aber dennoch nicht zu vernachlässigende Veränderungen gegeben. So wurde bei dem negativen Rephasierungspuls GS₂ in der Schichtselektionsgradientenrichtung und dem Phasenkodiergradientenpuls GP₁ die Trapezformen beibehalten, aber die Slew Rate reduziert und im Gegenzug die Amplitude erhöht. Drastische Änderungen haben vor allem der Rephasierungspuls GR₁ in Auslesegradientenrichtung sowie die beiden Spoiler GP₂, GR₃ in Phasenkodiergradientenrichtung und in Auslesegradientenrichtung erfahren. Bei diesen drei Pulsen GR₁, GP₂, GR₃ wurde jeweils die Slew Rate erheblich reduziert, so dass in der optimierten Gradientenpulssequenz GS' ein in etwa dreieckförmiger Puls vorliegt. Die Veränderung der Gradientenpulse erfolgte dabei so, dass jeweils das Integral der Pulse, d. h. die durch die Pulsform eingeschriebene Fläche, (das sogenannte Gradientenmoment) unverändert blieb. Da die Slew Rate reduziert wurde, wurde auch hier zum Teil die Amplitude erhöht, was jedoch bezüglich der Lautstärke und der PNS-Belastung nicht den durch die Verringerung der Slew Rate erzielten Vorteil zunichte macht. Alternativ könnten die Pulse auch verlängert werden, soweit dies für die konstant zu haltende Echozeit keine Rolle spielt.
An der in den Figuren dargestellten Beispiel-Sequenz wird auch der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber einer einfachen Nutzung von ausschließlich Dreiecks-Gradientenformen deutlich. So würde sich bei einer reinen Umwandlung aller Gradientenpulse in Dreiecks-Gradientenformen meist auch das repetitionsintervallinterne Timing ändern. Zudem bestünde bei einigen Pulsen, hier z. B. dem Rephasierungspuls GS₂ in der Schichtselektionsgradientenrichtung und dem Phasenkodiergradientenpuls GP₁, die Gefahr, dass die global maximal zulässige Gradientenamplitude erreicht würde. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind solche Restriktionen problemlos einzuhalten.
Alle Änderungen an den Gradientenpulsen sind hier so erfolgt, dass die bildgebungsrelevanten Parameter (Echozeit TE, Repetitionszeit TR, Amplituden des Schichtselektionsgradienten GS₁ sowie des Auslesegradienten GR₂) unbeeinflusst geblieben ist. Dies hat insgesamt dazu geführt, dass die mit diesen Sequenzen erzeugten Bilder identisch sind, d. h. es ist für die Bildqualität unerheblich, ob die Rohdaten mit einer Abfolge von Messsequenzen nach 3 oder mit einer Abfolge von Messsequenzen nach 4 erzeugt wurden, wobei jedoch die Messsequenzen nach 4 zu einer insgesamt über die Sequenzdauer erheblich geringeren Slew Rate und/oder Gradientenamplitude führen und daher zu reduzierten Wirbelströmen führen, erheblich leiser sind und zu einem reduzierten PNS führen. In konkreten Testmessungen konnte die Lautstärke so ohne Einbußen in der Bildqualität um rund 8,5 dBA verringert werden.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den zuvor beschriebenen detaillierten Verfahren und Aufbauten um Ausführungsbeispiele handelt und dass das Grundprinzip auch in weiten Bereichen vom Fachmann variiert werden kann, ohne die Idee der Erfindung zu verlassen. Insbesondere wird noch einmal betont, dass sich das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur an Spin-Echo-Verfahren, Turbo-Spin-Echo-Sequenzen, und Gradienten-Echo-Sequenzen sondern auch an nahezu beliebigen anderen Sequenzen anwenden lässt. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein” bzw. „eine” nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit” nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Messsequenz für eine Magnetresonanzanlage (1) auf Basis zumindest eines repetitionsintervallinternen Zeitparameters (TE), wobei während der Ermittlung der Messsequenz (MS) in einem Gradienten-Optimierungsverfahren (GO) automatisch Gradientenpulsparameter der Messsequenz (MS) zur Reduzierung zumindest eines Gradientenpulsparameter-Maximalwerts optimiert werden, wobei als Randbedingung in dem Gradienten-Optimierungsverfahren der repetitionsintervallinterne Zeitparameter (TE) zumindest innerhalb eines vorgegebenen Toleranzwerts konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gradientenpulsparameter eine Slew Rate und/oder eine Gradientenamplitude eines Gradientenpulses der Messsequenz (MS) umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsequenz (MS) eine Echosequenz und der repetitionsintervallinterne Zeitparameter eine Echozeit (TE) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Gradienten-Optimierungsverfahren (GO) der Gradientenpulsparameter-Maximalwert (GPM) optimiert wird, und vorzugsweise in einem Sequenzermittlungsprozess geprüft wird, ob mit dem vorgegebenen Gradientenpulsparameter-Maximalwert (GPM) unter Einhaltung der Randbedingungen der Konstanthaltung des repetitionsintervallinternen Zeitparameters (TE) innerhalb eines vorgegebenen Toleranzwerts eine Messsequenz (MS) ermittelt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gradienten-Optimierungsverfahren (GO) ein Iterationsverfahren umfasst, in dem zunächst zumindest ein Gradientenpulsparameter-Maximalwert (GPM) als Startwert vorgegeben wird und dieser Gradientenpulsparameter-Maximalwert (GPM) in mehreren Iterationsschritten mit einer definierten Schrittweite heruntergesetzt wird und in jedem Iterationsschritt mit dem aktuellen Gradientenpulsparameter-Maximalwert ein Sequenzermittlungsprozess zur Ermittlung der Messsequenz (MS) unter Konstanthaltung des repetitionsintervallinternen Zeitparameters innerhalb des vorgegebenen Toleranzwerts durchgeführt wird, und bei erfolgreicher Ermittlung der Messsequenz (MS) bis zu einem vorgegebenen Abbruchkriterium ein neuer Iterationsschritt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Iterationsverfahren abgebrochen wird, wenn in einem Iterationsschritt mit dem aktuellen Gradientenpulsparameter-Maximalwert keine erfolgreiche Ermittlung der Messsequenz (MS) unter Konstanthaltung des repetitionsintervallinternen Zeitparameters (TE) innerhalb des vorgegebenen Toleranzwerts möglich ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abbruch des Iterationsverfahrens ein über dem letzten aktuellen Gradientenpulsparameter-Maximalwert liegender Gradientenpulsparameter-Maximalwert, vorzugsweise der vorletzte aktuelle Gradientenpulsparameter-Maximalwert, als optimaler Gradientenpulsparameter-Maximalwert (GPO) ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Startwert ein globaler Gradientenpulsparameter-Maximalwert (GPM) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein individueller Gradientenpulsparameter-Maximalwert (GPO) für einen einzelnen Pulsabschnitt eines Gradientenpulses separat ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein individueller Gradientenpulsparameter-Maximalwert (GPO) für einen einzelnen Gradientenpuls separat ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein individueller Gradientenpulsparameter-Maximalwert (GPO) für eine funktionelle Gruppe von Gradientenpulsen (GS₂, GP₁, GR₁, GP₂, GR₃) separat ermittelt wird.
Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanzanlage (1), bei dem zunächst in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 eine Messsequenz (MS) ermittelt und dann die Magnetresonanzanlage (1) unter Nutzung dieser Messsequenz (MS) betrieben wird.
Messsequenzermittlungseinrichtung (22) zur Ermittlung einer Messsequenz (MS) für eine Magnetresonanzanlage, mit einer Eingangs-Schnittstelle (23) zur Erfassung zumindest eines repetitionsintervallinternen Zeitparameters (TE), und einer Messsequenzberechnungseinheit (25), die so ausgebildet ist, dass sie auf Basis der Steuerparameter eine Messsequenz ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsequenzermittlungseinrichtung (22) derart ausgebildet ist, dass sie während der Ermittlung der Messsequenz (MS) in einem Gradienten-Optimierungsverfahren (GO) automatisch Gradientenpulsparameter der Messsequenz (MS) zur Reduzierung zumindest eines Gradientenpulsparameter-Maximalwerts optimiert, wobei als Randbedingung in dem Gradienten-Optimierungsverfahren (GO) der repetitionsintervallinterne Zeitparameter (TE) zumindest innerhalb eines vorgegebenen Toleranzwerts konstant gehalten wird.
Magnetresonanzanlage (1) mit einem Hochfrequenz-Sendesystem, mit einem Gradientensystem (4) und einer Steuereinrichtung (15), welche ausgebildet ist, um zur Durchführung einer gewünschten Messung auf Basis einer vorgegeben Messsequenz (MS) das Hochfrequenz-Sendesystem und das Gradientensystem (4) anzusteuern, gekennzeichnet durch eine Messsequenzermittlungseinrichtung (22) nach Anspruch 13, um eine Messsequenz zu ermitteln und diese an die Steuereinrichtung (15) zu übergeben.
Computerprogramm, welches direkt in einen Speicher einer Messsequenzermittlungseinrichtung (22) ladbar ist, mit Programmcodeabschnitten, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen, wenn das Programm in der Messsequenzermittlungseinrichtung (22) ausgeführt wird.