DE102012205292B4 - Ansteuerung eines Magnetresonanzsystems - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines Magnetresonanzsystems (1) mit mehreren Hochfrequenz-Sendekanälen (S1, ..., SN), über die im Betrieb parallel HF-Pulszüge (b1, ..., bN) ausgesendet werden, beschrieben, bei dem für mehrere der Hochfrequenz-Sendekanäle (S1, ..., SN) ein gemeinsamer Referenzpulszug (bR) vorgegeben wird und in einem HF-Puls-Optimierungsverfahren (OV) unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Ziel-Magnetisierung (m) für jeden der Hochfrequenz-Sendekanäle (S1, ..., SN) ein Sendeskalierungsfaktor (SF1, ..., SFN) ermittelt wird, um die HF-Pulszüge (b1, ..., bN) für die Sendekanäle (S1, ..., SN) auf Basis des Referenzpulszugs (bR) zu berechnen. Bei der Berechnung der Sendeskalierungsfaktoren (SF1, ..., SFN) wird zumindest in einem ersten Optimierungsmodus (OM1) des HF-Puls-Optimierungsverfahrens (OV) eine Zielfunktion (fZ) unabhängig von einer Zielmagnetisierungsabweichung (Δm) erstellt. Eine Berücksichtigung der Zielmagnetisierungsabweichung (Δm) im HF-Puls-Optimierungsverfahren (OV) erfolgt stattdessen durch eine Randbedingungsfunktion (fC). Darüber hinaus werden eine entsprechend arbeitende Pulsoptimierungseinrichtung (19) sowie ein Magnetresonanzsystem (1) mit einer solchen Pulsoptimierungseinrichtung (19) beschrieben.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Magnetresonanzsystems mit mehreren Hochfrequenz-Sendekanälen, über die im Betrieb parallel HF(Hochfrequenz)-Pulszüge ausgesendet werden, wobei für mehrere der Hochfrequenz-Sendekanäle ein gemeinsamer Referenzpulszug vorgegeben wird und in einem HF-Puls-Optimierungsverfahren unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Ziel-Magnetisierung für jeden der Hochfrequenz-Sendekanäle ein Sendeskalierungsfaktor ermittelt wird, um die HF-Pulszüge für die Sendekanäle auf Basis des Referenzpulszugs zu berechnen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Pulsoptimierungseinrichtung, um im Rahmen eines solchen HF-Puls-Optimierungsverfahrens die Sendeskalierungsfaktoren für die einzelnen Hochfrequenz-Sendekanäle zu ermitteln, sowie ein Magnetresonanzsystem mit einer solchen Pulsoptimierungseinrichtung.
• In einem Magnetresonanzsystem bzw. Magnetresonanztomographiesystem wird üblicherweise der zu untersuchende Körper mit Hilfe eines Grundfeldmagnetsystems einem relativ hohen Grundfeldmagnetfeld (auch als „B₀-Feld” bezeichnet), beispielsweise von 3 oder 7 Tesla, ausgesetzt. Zusätzlich wird mit Hilfe eines Gradientensystems ein Magnetfeldgradient angelegt. Über ein Hochfrequenz-Sendesystem werden dann mittels geeigneter Antenneneinrichtungen hochfrequente Anregungssignale (HF-Signale) ausgesendet, was dazu führen soll, dass die Kernspins bestimmter, durch dieses Hochfrequenzfeld resonant angeregter Atome ortsaufgelöst um einen definierten Flipwinkel gegenüber den Magnetfeldlinien des Grundmagnetfelds verkippt werden. 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 (auch als „B₁-Feld” bezeichnet), abgestrahlt, die mittels geeigneter Empfangsantennen empfangen und dann weiterverarbeitet werden. Aus den so akquirierten Rohdaten können schließlich die gewünschten Bilddaten rekonstruiert werden. Die Aussendung der Hochfrequenzsignale zur Kernspin-Magnetisierung erfolgt mittels einer sogenannten „Ganzkörperspule” (auch „Bodycoil” genannt) oder oft auch mit am Patienten oder Probanden anliegenden Lokalspulen. Ein typischer Aufbau einer Ganzkörperspule ist eine Käfigantenne (Birdcage-Antenne), welche aus mehreren Sendestäben besteht, die parallel zur Längsachse verlaufend um einen Patientenraum des Tomographen herum angeordnet sind, in dem sich ein Patient bei der Untersuchung befindet. Stirnseitig sind die Antennenstäbe jeweils ringförmig kapazitiv miteinander verbunden.
• Bisher war es üblich, Ganzkörperantennen in einem „CP-Modus” (Zirkularpolarisations-Modus) zu betreiben. Hierzu wird ein einziges zeitliches HF-Signal auf alle Komponenten der Sendeantenne gegeben, beispielsweise alle Sendestäbe einer Käfigantenne. Üblicherweise erfolgt dabei die Übergabe der Pulse mit identischer Amplitude an die einzelnen Komponenten phasenversetzt mit einer der Geometrie der Sendespule angepassten Verschiebung. Z. B. können bei einer Käfigantenne mit 16 Stäben die Stäbe jeweils mit dem gleichen HF-Magnitudensignal mit 22,5° Phasenverschiebung versetzt angesteuert werden. Das Ergebnis ist dann ein in der x-/y-Ebene, d. h. senkrecht zu der in z-Richtung verlaufenden Längsachse der Käfigantenne, zirkular polarisiertes Hochfrequenzfeld.
• Inzwischen ist es auch möglich, das auszusendende Hochfrequenzsignal, d. h. die ankommende Abfolge von Hochfrequenzpulsen (im Rahmen der Erfindung als „Referenzpulszug” bezeichnet), jeweils individuell in Amplitude und Phase durch einen komplexen Sendeskalierungsfaktor zu modifizieren. Auch hierbei ist es nach wie vor möglich, die Antenne im „CP-Modus” zu betreiben, d. h. die Amplitude bei allen Sendekanälen in gleicher Höhe zu wählen und lediglich für eine an die Geometrie der Sendespule angepasste Phasenverschiebung zu sorgen. Darüber hinaus wird je nach Untersuchungsobjekt oft auch ein sogenannter „EP-Modus” (elliptischer Polarisations-Modus) verwendet, bei dem das Hochfrequenzfeld in der x-/y-Ebene nicht zirkular, sondern elliptisch polarisiert ist. Welcher Modus verwendet wird, hängt üblicherweise von der Form des anzuregenden Körperbereichs ab. Bei Objekten, die eher zylindersymmetrisch sind, also beispielsweise bei Aufnahmen im Kopfbereich, wird häufiger der CP-Modus, bei mehr elliptischen Formen dagegen, wie z. B. bei Untersuchungen im Brust- oder Abdomenbereich, eher der EP-Modus gewählt. Sinn des EP-Modus ist es, Inhomogenitäten des B₁-Felds zu kompensieren, welche durch die nicht kreissymmetrische Körperform hervorgerufen werden.
• Inzwischen ist es auch möglich, ein sogenanntes „B₁-Shimming” eines solchen mehrkanaligen Hochfrequenzsendesystems durchzuführen. Hierbei werden die einzelnen Sendeskalierungsfaktoren auf Grundlage einer patientenspezifischen Justage mit dem Ziel berechnet, im Vergleich zu dem bisherigen Standard-CP- oder -EP-Mode eine besonders homogene Anregung zu erreichen.
• Zur Berechnung der Sendeskalierungsfaktoren werden dabei Optimierer verwendet, die die Magnituden-Abweichung der perfekt homogen gewünschten Ziel-Magnetisierung m von der theoretisch erreichten Ist-Magnetisierung Ab minimieren: b = arg_bmin(∥A·b – m∥² + β²∥b∥²) (1)
• Hierbei ist A die sogenannte Designmatrix, bestehend aus einem System aus linear komplexen Gleichungen, in die u. a. die räumlichen Sendeprofile der einzelnen Sendekanäle (Antennenstäbe) und die vorliegende B₀-Feldverteilung eingehen. Diese Design-Matrix wird z. B. in W. Grissom et al.: „Spatial Domain Method for the Design of RF Pulses in Multicoil Parallel Excitation”, Mag. Res. Med. 56, 620–629, 2006, beschrieben. b(t) ist der Vektor der parallel auszusendenden HF-Kurven, b_C(t) = SF_C·b_R(t), wobei SF_C der komplexe Skalierungsfaktor für den Kanal C = 1, ..., N ist.
• Ist die Lösung von Gleichung (1), d. h. das Minimum der in Gleichung (1) definierten „Zielfunktion”, gefunden, liegen als Ergebnis die gewünschten Skalierungsfaktoren SF₁, SF₂, SF_N vor.
• Wie in Gleichung (1) wird üblicherweise als Erweiterung der Zielfunktion die sogenannte Tikhonov-Regularisierung (in Gleichung (1) der zweite Summand in der Zielfunktion) verwendet, mit der Lösungen für kleine Vektoren b bevorzugt werden, die möglichst kleine Hochfrequenzamplituden beinhalten. Da die Hochfrequenzspannung quadratisch in die Berechnung der Ausgangsleistung eingeht, kann auf diese Weise beim B₁-Shimming die Hochfrequenz-Belastung (HF-Belastung) des Patienten reduziert werden. Die HF-Belastung muss begrenzt werden, da eine zu hohe HF-Belastung zu Schädigungen des Patienten führen könnte. Daher wird üblicherweise die HF-Belastung des Patienten zum einen vorab bei der Planung der auszugebenden Hochfrequenzpulse kalkuliert und die Hochfrequenzpulse werden so gewählt, dass eine bestimmte Grenze nicht erreicht wird. Unter der HF-Belastung wird dabei im Folgenden eine durch die HF-Einstrahlung induzierte physiologische Belastung und nicht die eingebrachte HF-Energie als solche verstanden. Ein typisches Maß für die HF-Belastung ist der so genannte SAR-Wert (SAR = Specific Absorption Rate), der in Watt/kg angibt, welche biologische Belastung auf den Patienten durch eine bestimmte HF-Pulsleistung wirkt. Für die globale SAR- oder HF-Belastung eines Patienten gilt beispielsweise eine genormte Begrenzung von 4 Watt/kg im „First Level” nach der IEC-Norm. Zusätzlich wird außerhalb der Vorabplanung die SAR-Belastung des Patienten während der Untersuchung durch geeignete Sicherheitseinrichtungen am Magnetresonanzsystem laufend überwacht und eine Messung verändert oder abgebrochen, wenn die HF-Belastung über den vorgesehenen Normen liegt. Dennoch ist eine möglichst exakte Planung vorab sinnvoll, um einen Abbruch einer Messung zu vermeiden, da dies. eine neue Messung erforderlich machen würde.
• Der Faktor β in Gleichung (1) ist dabei ein freier Parameter (der sog. Tikhonov-Parameter), durch dessen Einstellung bei der Lösungsfindung zwischen einer möglichst guten Homogenität oder einer möglichst geringen HF-Belastung gewählt werden kann.
• Inzwischen ist bekannt, dass die HF-Belastung lokal sehr unterschiedlich sein kann. Dies liegt daran, dass die Hochfrequenzpulse aufgrund des B₁-Shimmings auf den einzelnen Kanälen mit unterschiedlicher Amplitude und Phase ausgesendet werden und die Überlagerung dieser Pulse, d. h. die von Ort zu Ort unterschiedliche gegenseitige Auslöschung oder Verstärkung im Untersuchungsobjekt, nicht mehr trivial ist. So gibt es einige Bereiche, an denen die HF-Belastung lokal erheblich höher als in anderen Bereichen ist.
• Daher erfolgt bei neueren Verfahren in der Zielfunktion eine Überwachung der sogenannten lokalen HF-Belastung, bei der die HF-Belastung an besonders definierten „virtuellen Beobachtungspunkten” (VOPs, Virtual Oberservation Points) theoretisch berechnet wird. Unter einer lokalen HF-Belastung ist dabei nicht die an einem Ort oder in einer bestimmten Volumeneinheit auftretende HF-Amplitude zu verstehen, sondern die daraus resultierende Energiebelastung bzw. die durch die HF-Einstrahlung induzierte physiologische Belastung, beispielsweise in Form eines SED-Werts (SED = Specific Energy Dose; spezifische Energiedosis) oder des SAR-Werts in einem bestimmten lokalen Volumen, beispielsweise an den VOPs. Der in der Zielfunktion genutzte HF-Lokalbelastungswert kann dabei beispielsweise auf einem oder mehreren lokalen SAR-Werten oder SED-Werten basieren. Dies wird beispielsweise für eine freie individuelle Bestimmung der Hochfrequenzpulse b_C(t) mittels einer geeigneten Zielfunktion in der DE 10 2010 015 044 A1 beschrieben, auf die bezüglich der Berechnung solcher VOPs (dort als „Hot-Spots” bezeichnet) im Folgenden verwiesen werden kann.
• Wird die Zielfunktion gemäß Gleichung (1) in Verbindung mit einer Überwachung der lokalen HF-Belastung in der Tikhonov-Regularisierung verwendet, ist jedoch bei einer Verstellung des Parameters β weder eine ungefähre qualitative Vorhersage der HF-Belastung noch der Bildqualität, d. h. die zu erwartende Abweichung der Ist-Magnetisierung von der Ziel-Magnetisierung, möglich, sondern nur, ob bei der Optimierung stärkere Gewichtung auf die Bildqualität oder auf die reduzierte HF-Belastung gelegt wird.
• In dem Artikel von J. Lee et al.: „Local SAR in parallel transmission pulse design” in der Zeitschrift Magnetic Resonance in Medicine 67, S. 1566 bis 1578, wird ferner vorgeschlagen, in der Zielfunktion eine Trennung der lokalen HF-Belastung von einer zu erreichenden, homogenen Zielmagnetisierung dadurch vorzunehmen, dass die Abweichung von einer Zielmagnetisierung als Randbedingung vorgegeben wird, während die SAR-Belastung minimiert wird.
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Ansteuerungsverfahren sowie eine geeignete Pulsoptimierungseinrichtung zur Verfügung zu stellen, mit denen ein B₁-Shimming möglich ist, das eine bessere Vorhersage der HF-Belastung und/oder der Bildqualität erlaubt.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und durch eine Pulsoptimierungseinrichtung gemäß Patentanspruch 10 gelöst.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ansteuerung eines Magnetresonanzsystems, welches – wie eingangs erläutert – mehrere im Prinzip unabhängig ansteuerbare Hochfrequenz-Sendekanäle aufweist, über die im Betrieb die parallelen HF-Pulszüge ausgesendet werden, wird wie üblich für mehrere der Hochfrequenz-Sendekanäle, vorzugsweise alle Hochfrequenz-Sendekanäle, ein gemeinsamer Referenzpulszug vorgegeben. Weiterhin wird in einem HF-Puls-Optimierungsverfahren unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Ziel-Magnetisierung für jeden der Hochfrequenz-Sendekanäle ein individueller komplexer Sendeskalierungsfaktor ermittelt, um die HF-Pulszüge für die Sendekanäle auf Basis des Referenzpulszugs zu berechnen, z. B. wie oben erläutert mit dem Referenzpulszug für den betreffenden Hochfrequenz-Sendekanal zu skalieren bzw. zu multiplizieren.
• Erfindungsgemäß wird aber nun im HF-Puls-Optimierungsverfahren bei der Berechnung der Sendeskalierungsfaktoren zumindest in einem ersten Optimierungsmodus eine Zielfunktion unabhängig von einer Zielmagnetisierungsabweichung erstellt. Dabei ist die Zielmagnetisierungsabweichung wieder ein Maß für die Abweichung der theoretisch mit den in der Optimierung ermittelten Hochfrequenzpulsen erreichten Ist-Magnetisierung von der Ziel-Magnetisierung, entsprechend dem ersten Term in der herkömmlichen Zielfunktion nach Gleichung (1). D. h. es handelt sich hierbei um eine Bildqualitätsbedingung, die aussagt, wie gut die angestrebte Magnetisierung erreicht werden kann.
• Eine Berücksichtigung dieser Zielmagnetisierungsabweichung im HF-Puls-Optimierungsverfahren erfolgt stattdessen durch eine Randbedingungsfunktion.
• In diesem ersten Optimierungsmodus kann beispielsweise die Zielfunktion vorzugsweise so aufgebaut sein, dass sie lediglich von der HF-Belastung abhängt. Beispiele hierfür werden später noch anhand der Figuren erläutert. Mit anderen Worten, es erfolgt zumindest in diesem ersten Betriebsmodus vorzugsweise eine vollständige Trennung der Bildqualitätsbedingung und der HF-Belastungsbedingung.
• Wie später noch gezeigt wird, hat sich erstaunlicherweise herausgestellt, dass auf diese Weise einerseits eine relativ genau vorhersagbare Bildqualität erreichbar und dabei gleichzeitig eine erhebliche Reduzierung der HF-Belastung möglich ist.
• Hierzu ist es lediglich erforderlich, die Zielfunktion und die Randbedingungsfunktion in der geeigneten Weise aufzustellen und einen sogenannten „Solver”, d. h. ein Optimierungsprogramm zur Lösung der Zielfunktion, zu verwenden, welches in der Lage ist, auch Randbedingungsfunktionen zu berücksichtigen. Derartige sogenannte „Constrained Solver” sind dem Fachmann aber bekannt. Ein geeignetes Programmmodul mit einem solchen Constrained Solver ist beispielsweise der Interior-Point Subalgorithmus des „fmincon”-Optimierers aus der Mathwork Optimization Toolbox von The Mathworks Inc., Natick (USA). Grundsätzlich kann aber auch jeder andere Constrained Solver verwendet werden.
• Die erfindungsgemäße Randbedingungsfunktion ist so gewählt, dass sie eine zulässige Abweichung eines Parameterwerts eines bestimmten Parameters von einem relativen Referenz-Parameterwert definiert.
• Dementsprechend muss eine geeignete Pulsoptimierungseinrichtung für ein Magnetresonanzsystem, welches eine Mehrzahl von Hochfrequenz-Sendekanälen aufweist, ausgebildet sein, um in dem HF-Puls-Optimierungsverfahren zumindest in einem ersten Optimierungsmodus eine Zielfunktion unabhängig von einer Zielmagnetisierungsabweichung zu erstellen und die Zielmagnetisierungsabweichung stattdessen durch eine Randbedingungsfunktion im HF-Puls-Optimierungsverfahren zu berücksichtigen.
• Entsprechend weist ein erfindungsgemäßes Magnetresonanzsystem neben der Mehrzahl von Hochfrequenz-Sendekanälen sowie den weiteren üblichen Systemkomponenten wie beispielsweise einem Gradientensystem, einem Grundfeldmagneten etc. sowie einer Steuereinrichtung, die ausgebildet ist, um zur Durchführung einer gewünschten Messung über die Hochfrequenz-Sendekanäle parallel HF-Pulszüge auszusenden, auch eine erfindungsgemäße Pulsoptimierungseinrichtung auf.
• Dabei kann die Pulsoptimierungseinrichtung insbesondere Teil der Steuereinrichtung des Magnetresonanzsystems sein. Grundsätzlich kann sich die Pulsoptimierungseinrichtung aber auch in einem externen, z. B. über ein Netzwerk, mit der Steuereinrichtung verbundenen Rechner befinden, beispielsweise einem Bedienerterminal oder einem sonstigen Rechner zum Auslagern von rechenintensiven Vorgängen.
• Vorzugsweise sind zumindest überwiegende Teile der Pulsoptimierungseinrichtung in Form von Software ausgebildet. Die Erfindung umfasst somit auch ein Computerprogramm, welches direkt in einen Speicher einer Pulsoptimierungseinrichtung und/oder einer Steuereinrichtung ladbar ist, mit Programmcode-Abschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in der Pulsoptimierungseinrichtung und/oder einer Steuereinrichtung ausgeführt wird. Eine solche softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch bisherige Einrichtungen, die zur Ermittlung von Sendeskalierungsfaktoren bzw. für das B₁-Shimming verwendet werden, beispielsweise Steuereinrichtungen von vorhandenen Magnetresonanzsystemen, durch Implementierung des Programms in geeigneter Weise modifiziert werden können, um in der erfindungsgemäßen Weise das B₁-Shimming durchzuführen.
• 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.
• Vorzugsweise ist die Pulsoptimierungseinrichtung so aufgebaut, dass sie auch in einem zweiten Optimierungsmodus betrieben werden kann. In diesem zweiten Optimierungsmodus des HF-Puls-Optimierungsverfahrens wird die Zielfunktion in klassischer Weise derart erstellt, dass sie eine Zielmagnetisierungsabweichung umfasst. Jedoch ist nun dafür gesorgt, dass die Zielfunktion keinen HF-Belastungswert des Untersuchungsobjekts umfasst und stattdessen die Berücksichtigung des HF-Belastungswerts durch eine Randbedingungsfunktion erfolgt. Auch in diesem zweiten Optimierungsmodus wird also vorzugsweise dafür gesorgt, dass eine vollständige Trennung der Zielmagnetisierungsabweichung und der HF-Belastungsbedingung in unterschiedliche Funktionen erfolgt.
• Besonders bevorzugt wird hierzu vor oder zu Beginn des HF-Puls-Optimierungsverfahrens ein Optimierungsmodusindikator erfasst und darauf basierend dann das HF-Puls-Optimierungsverfahren gemäß dem ersten Optimierungsmodus oder dem zweiten Optimierungsmodus durchgeführt. Dieser Optimierungsmodusindikator kann beispielsweise über eine geeignete Schnittstelle der Pulsoptimierungseinrichtung bzw. der Steuereinrichtung des Magnetresonanzsystems erfasst werden. Insbesondere kann es sich hierbei um eine Benutzerschnittstelle handeln, über die ein Bediener den Optimierungsmodusindikator vorgeben kann. Alternativ ist es auch möglich, dass der Optimierungsmodusindikator durch ein Steuerprotokoll, in dem auch die meisten anderen Parameter für eine durchzuführende Messung enthalten sind und welches im Laufe der Messung nach und nach automatisch abgearbeitet wird, vorgegeben wird.
• Vorzugsweise kann es sich bei dem in der Zielfunktion oder der Randbedingungsfunktion berücksichtigten HF-Belastungswert um einen HF-Lokalbelastungswert handeln, bei dem die lokal in einem bestimmten Ort vorliegende Hochfrequenz-Belastung berücksichtigt wird und wie er z. B. in der DE 10 2010 015 044 A1 erläutert wird. Dies schließt aber nicht aus, dass stattdessen auch ein globaler HF-Belastungswert, beispielsweise gemittelt über den gesamten Patientenkörper, oder ein kombinierter HF-Belastungswert, der sowohl den HF-Lokalbelastungswert als auch einen globalen Belastungswert berücksichtigt, im HF-Puls-Optimierungsverfahren in der Zielfunktion oder der Randbedingungsfunktion eingesetzt wird.
• Wie erwähnt ist die Randbedingungsfunktion ist so gewählt, dass sie eine zulässige Abweichung eines Parameterwerts eines bestimmten Parameters von einem relativen Referenz-Parameterwert definiert.
• Dabei kann eine Abweichung von Null vorgegeben sein, d. h. dass der in der Randbedingungsfunktion vorgegebene relative Referenz-Parameterwert exakt eingehalten werden muss. Ebenso ist aber auch eine Vorgabe möglich, wonach beispielsweise ein im Optimierungsverfahren erreichter Parameterwert des in der Randbedingungsfunktion überwachten Parameters immer unterhalb des Referenz-Parameterwerts liegen muss etc.
• Beispielsweise ist im ersten Optimierungsmodus, in dem die Zielmagnetisierungsabweichung in der Randbedingungsfunktion berücksichtigt wird, der Parameterwert die aktuelle Zielmagnetisierungsabweichung. In diesem Fall wird dann die maximale Abweichung der Zielmagnetisierungsabweichung von einer relativen Referenz-Zielmagnetisierungsabweichung definiert.
• Im zweiten Optimierungsmodus, bei dem der Hochfrequenz-Belastungswert in der Randbedingungsfunktion berücksichtigt werden soll, wird dagegen die maximale Abweichung des HF-Belastungswerts von einem relativen Referenz-HF-Belastungswert definiert.
• Unter einem relativen Referenz-Parameterwert, d. h. der relativen Referenz-Zielmagnetisierungsabweichung bzw. dem relativen Referenz-HF-Belastungswert, ist hierbei ein Wert zu verstehen, der sich beispielsweise auf einen anderen Betriebsmodus des Magnetresonanzsystems beziehen kann. Dies ist insofern sinnvoll, da ja im Rahmen des B₁-Shimmings nur Skalierungsfaktoren ermittelt werden, die tatsächliche Ziel-Magnetisierung und insbesondere die HF-Belastung aber immer noch vom nicht im B₁-Shimming veränderbaren Referenzpulszug abhängig sind. Daher wird vorzugsweise der Referenz-Parameterwert auf Basis eines in einem Basis-Anregungsmodus erreichbaren Parameterwerts des betreffenden Parameters definiert. Unter einem „Basis-Anregungsmodus” wird hierbei der jeweils für die betreffende Untersuchung nach dem bisherigen Vorgehen ohne B₁-Shimming verwendete Standardmodus verstanden, d. h. beispielsweise bei einer Kopfuntersuchung der CP-Modus und bei einer Abdomenuntersuchung der EP-Modus. Mit anderen Worten, es erfolgt also hier immer ein Vergleich mit Werten, die mit Hochfrequenz-Pulszügen auf den Sendekanälen erreichbar wären, die auf demselben Referenzpulszug beruhen, jedoch mit Sendeskalierungsfaktoren entsprechend dem Basis-Anregungsmodus für die betreffende Untersuchung.
• Hierzu wird vorzugsweise vor oder zu Beginn des HF-Puls-Optimierungsverfahrens ein Relationswert erfasst und darauf basierend dann der Referenz-Parameterwert relativ zu dem im Basis-Anregungsmodus erreichbaren Parameterwert des betreffenden Parameters definiert. Ein solcher Relationswert kann beispielsweise ein Faktor oder eine Angabe in Prozent sein, um festzulegen, zu welchem Anteil ein bestimmter relativer Referenz-Parameterwert erreicht werden soll. Es kann so also z. B. durch den Relationswert mit Hilfe der Randbedingung vorgegeben werden, dass bei einer Messung im Kopfbereich, die ansonsten im CP-Modus durchgeführt werden würde, das B₁-Shimming derart erfolgen soll, dass die Ziel-Magnetisierung zumindest in gleichem Maße wie im CP-Modus erreicht wird. Ebenso könnte beispielsweise im zweiten Optimierungsmodus festgelegt werden, dass die HF-Belastung beispielsweise 40% niedriger sein sollte als bei einem üblichen CP-Modus, wobei dies durch die Randbedingungsfunktion kontrolliert wird und im Übrigen die Optimierung hinsichtlich der Bildqualität erfolgt.
• Es hat sich herausgestellt, dass das erfindungsgemäße Verfahren bereits erhebliche Stärken bei der Anwendung an einfachen 2-Kanalsystemen hat, bei denen beispielsweise eine Birdcage-Antenne nur mit zwei unter 90° zueinander liegenden Einspeisestellen versehen ist, wie dies bei vielen heute bereits in den Kliniken vorhandenen Systemen der Fall ist. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagenen geringfügigen Modifikationen lassen sich also auch bei solchen Systemen bereits erhebliche Verbesserungen erzielen. Die Anzahl der Sendekanäle ist aber durch die Erfindung nicht beschränkt.
• Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzanlage,
• 2 eine Figur zur Verdeutlichung eines B₁-Shimmings,
• 3 ein Ablaufschema für einen möglichen Ablauf gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
• 4 eine Tabelle mit relativen Zielmagnetisierungsabweichungen und relativen HF-Belastungswerten, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen HF-Puls-Optimierungsverfahrens in einem ersten Optimierungsmodus erreicht wurden,
• 5 eine Tabelle mit relativen Zielmagnetisierungsabweichungen und relativen HF-Belastungswerten, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen HF-Puls-Optimierungsverfahrens in einem zweiten Optimierungsmodus erreicht wurden.
• In 1 ist grob schematisch eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage 1 bzw. Magnetresonanzsystem dargestellt. Sie umfasst zum einen den eigentlichen Magnetresonanzscanner 2 mit einem darin befindlichen Untersuchungsraum 8 bzw. Patiententunnel 8. Eine Liege 7 ist in diesen Patiententunnel 8 hineinfahrbar, so dass ein darauf liegender Patient O oder Proband während einer Untersuchung an einer bestimmten Position innerhalb des Magnetresonanzscanners 2 relativ zu dem darin angeordneten Magnetsystem und Hochfrequenzsystem gelagert werden kann bzw. auch während einer Messung zwischen verschiedenen Positionen verfahrbar ist.
• Wesentliche Komponenten des Magnetresonanzscanners 2 sind ein Grundfeldmagnet 3, ein Gradientensystem 4 mit Magnetfeldgradientenspulen, um beliebige Magnetfeldgradienten in x-, y- und z-Richtung anzulegen, sowie eine Ganzkörper-Hochfrequenzspule 5. Der Empfang von im Untersuchungsobjekt O induzierten Magnetresonanzsignalen kann über die Ganzkörperspule 5 erfolgen, mit der in der Regel auch die Hochfrequenzsignale zur Induzierung der Magnetresonanzsignale ausgesendet werden. Üblicherweise werden diese Signale aber mit beispielsweise auf oder unter den Untersuchungsobjekt O gelegten Lokalspulen 6 empfangen. Alle diese Komponenten sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt und daher in der 1 nur grob schematisch dargestellt.
• Die Ganzkörper-Hochfrequenzspule 5 ist hier in Form einer so genannten Birdcage-Antenne aufgebaut und weist eine Anzahl N von einzelnen Antennenstäben auf, die parallel zum Patiententunnel 8 verlaufen und auf einem Umfang um den Patiententunnel 8 gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Endseitig sind die einzelnen Antennenstäbe jeweils kapazitiv ringförmig verbunden.
• Die Antennenstäbe sind hier als einzelne Sendekanäle S₁, ..., S_N separat von einer Steuereinrichtung 10 ansteuerbar. Dabei kann es sich um einen Steuerrechner handeln, welcher auch aus einer Vielzahl von – gegebenenfalls auch räumlich getrennten und über geeignete Kabel oder dergleichen untereinander verbundenen – Einzelrechnern bestehen kann. Über eine Terminalschnittstelle 17 ist diese Steuereinrichtung 10 mit einem Terminal 20 verbunden, über das ein Bediener die gesamte Anlage 1 ansteuern kann. Im vorliegenden Fall ist dieses Terminal 20 als Rechner mit Tastatur, einem oder mehreren Bildschirmen sowie weiteren Eingabegeräten wie beispielsweise Maus oder dergleichen ausgestattet, so dass dem Bediener eine grafische Benutzeroberfläche zur Verfügung steht.
• Die Steuereinrichtung 10 weist u. a. eine Gradienten-Steuereinheit 11 auf, die wiederum aus mehreren Teilkomponenten bestehen kann. Über diese Gradienten-Steuereinheit 11 werden die einzelnen Gradientenspulen mit Steuersignalen SG_x, SG_y, SG_z beschaltet. Hierbei handelt es sich um Gradientenpulse, die während einer Messung an genau vorgesehenen zeitlichen Positionen und mit einem genau vorgegebenen zeitlichen Verlauf gesetzt werden.
• Die Steuereinrichtung 10 weist außerdem eine Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit 12 auf. Diese HF-Sende-/Empfangseinheit 12 besteht ebenfalls aus mehreren Teilkomponenten, um jeweils separat und parallel auf die einzelnen Sendekanäle S₁, ... S_N, d. h. auf die einzeln ansteuerbaren Antennenstäbe der Ganzkörper-Hochfrequenzspule 5, Hochfrequenzpulse aufzugeben. Über die Sende-/Empfangseinheit 12 können auch Magnetresonanzsignale empfangen werden. Üblicherweise geschieht dies aber mit Hilfe der Lokalspulen 6. Die mit diesen Lokalspulen 6 empfangenen Signale werden von einer HF-Empfangseinheit 13 ausgelesen und verarbeitet. Die hiervon oder von der Ganzkörperspule mittels der HF-Sende-/Empfangseinheit 12 empfangenen Magnetresonanzsignale werden als Rohdaten RD an eine Rekonstruktionseinheit 14 übergeben, die daraus die Bilddaten BD rekonstruiert und diese in einem Speicher 16 hinterlegt und/oder über die Schnittstelle 17 an das Terminal 20 übergibt, so dass der Bediener sie betrachten kann. Die Bilddaten BD können auch über ein Netzwerk NW an anderen Stellen gespeichert und/oder angezeigt und ausgewertet werden.
• Die Gradienten-Steuereinheit 11, die Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit 12 und die Empfangseinheit 13 für die Lokalspulen 6 werden jeweils koordiniert durch eine Messsteuereinheit 15 angesteuert. Diese sorgt durch entsprechende Befehle dafür, dass ein gewünschter Gradienten-Pulszug GP durch geeignete Gradientensteuersignale SG_x, SG_y, SG_z ausgesendet wird, und steuert parallel die HF-Sende-/Empfangseinheit 12 so an, dass ein Mehrkanal-Pulszug b ausgesendet wird, d. h. dass auf den einzelnen Sendekanälen S₁, ... S_N parallel die passenden Hochfrequenzpulse auf die einzelnen Sendestäbe der Ganzkörperspule 5 gegeben werden. Außerdem muss dafür gesorgt werden, dass zum passenden Zeitpunkt die Magnetresonanzsignale an den Lokalspulen 6 durch die HF-Empfangseinheit 13 bzw. eventuelle Signale an der Ganzkörperspule 5 durch die HF-Sende-/Empfangseinheit 12 ausgelesen und weiterverarbeitet werden. Die Messsteuereinheit 15 gibt die entsprechenden Signale, insbesondere den Mehrkanal-Pulszug b an die Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit 12 und den Gradienten-Pulszug GP an die Gradienten-Steuereinheit 11, in Abhängigkeit von einer in einem Steuerprotokoll P vorgegebenen Ansteuersequenz vor. In diesem Steuerprotokoll P sind alle Steuerdaten hinterlegt, die während einer Messung eingestellt werden müssen.
• Üblicherweise sind in einem Speicher 16 eine Vielzahl von Steuerprotokollen P für verschiedene Messungen hinterlegt. Diese könnten über das Terminal 20 vom Bediener ausgewählt und gegebenenfalls variiert werden, um dann ein passendes Steuerprotokoll P für die aktuell gewünschte Messung zur Verfügung zu haben, mit dem die Messsteuereinheit 15 arbeiten kann. Im Übrigen kann der Bediener auch über ein Netzwerk NW Steuerprotokolle P, beispielsweise von einem Hersteller des Magnetresonanzsystems 1, abrufen und diese dann gegebenenfalls modifizieren und nutzen.
• Der grundlegende Ablauf einer solchen Magnetresonanzmessung und die genannten Komponenten zur Ansteuerung sind dem Fachmann aber bekannt, so dass sie hier im Detail nicht weiter besprochen werden. Im Übrigen kann ein solcher Magnetresonanzscanner 2 sowie die zugehörige Steuereinrichtung 10 noch eine Vielzahl weiterer Komponenten aufweisen, die hier ebenfalls nicht im Detail erläutert werden.
• Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der Magnetresonanzscanner 2 auch anders aufgebaut sein kann, beispielsweise mit einem seitlich offenen Patientenraum, und dass im Prinzip die Hochfrequenz-Ganzkörperspule nicht als Birdcage-Antenne aufgebaut sein muss. Wesentlich ist lediglich, dass sie mehrere separat ansteuerbare Sendekanäle S₁, ..., S_N, im einfachsten Fall zwei Sendekanäle, aufweist.
• Die Messsteuereinheit der Steuereinrichtung weist hier beispielsweise in Form von Softwaremodulen ein Referenzpuls-Erzeugungsmodul 18 auf, welches zunächst gemäß den Vorgaben im Steuerprotokoll P einen Referenzpulszug b_R erzeugt, der in passender Weise zu den Gradientenpulsen ausgespielt werden soll. Dieser Referenzpulszug b_R wird zunächst an eine Pulsoptimierungseinrichtung 19 übergeben, welche hier ebenfalls als Softwaremodul innerhalb der Messsteuereinheit 15 aufgebaut werden kann. Diese Pulsoptimierungseinrichtung 19 dient dazu, in der erfindungsgemäßen Weise in einem HF-Puls-Optimierungsverfahren bzw. B₁-Shimming-Verfahren für jedem der Hochfrequenz-Sendekanäle S₁, ..., S_N einen individuellen komplexen Sendeskalierungsfaktor SF₁, ..., SF_N zu ermitteln.
• Ein solches B₁-Shimming-Verfahren bzw. HF-Puls-Optimierungsverfahren OV ist noch einmal schematisch in 2 dargestellt. Wie hier zu sehen ist, wird der Referenzpulszug b_R zum einen an die Pulsoptimierungseinrichtung 19 übergeben, die – wie später noch anhand von 3 erläutert wird – die komplexen Sendeskalierungsfaktoren SF₁, SF₂, SF₃ ..., SF_N ermittelt. Diese werden wie schematisch dargestellt mit dem Referenzpulszug b_R multipliziert, um die einzelnen Pulszüge b₁, b₂, b₃, ..., b_N zu erhalten, welche dann gemeinsam den Mehrkanal-Pulszug b bilden, der über die Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit 12 ausgesendet wird.
• Alternativ kann die Pulsoptimierungseinrichtung 19 beispielsweise auch separat von der Messsteuereinheit 15 aufgebaut oder Teil der Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit 12 sein, so dass beispielsweise die Multiplikation mit den komplexen Sendeskalierungsfaktoren SF₁, SF₂, SF₃ ..., SF_N hardwaremäßig erfolgt. Ebenso kann auch das Referenzpuls-Erzeugungsmodul 18 eine separate Einrichtung oder beispielsweise Teil der Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit 12 sein. Ein solches B₁-Shimming-Verfahren und die hierzu erforderlichen Einrichtungen sind aber dem Fachmann vom Grundprinzip her bekannt.
• Im Unterschied zu den bekannten B₁-Shimming-Verfahren besteht bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Möglichkeit, die HF-Puls-Optimierung in mindestens zwei unterschiedlichen Optimierungsmodi OM₁, OM₂ durchzuführen, wobei in den beiden Optimierungsmodi OM₁, OM₂ jeweils eine vollständige Trennung der Zielmagnetisierungsabweichung, d. h. der Bildqualitätsbedingung, und einer HF-Belastungsbedingung in eine Zielfunktion und eine Randbedingungsfunktion oder umgekehrt erfolgt. Dies wird anhand von 3 näher erläutert.
• Das Optimierungsverfahren beginnt hier im Schritt I zunächst mit der Eingabe eines Optimierungsmodusindikators OMI. Dies kann beispielsweise durch einen Bediener über das Terminal 20 zum Start einer Messung erfolgen bzw. dann, wenn der Bediener ein Protokoll P aufruft und an die aktuelle Messung anpasst. Alternativ kann dieser Optimierungsmodusindikator OMI auch bereits als Wert im Steuerprotokoll P hinterlegt sein und kann dann beispielsweise auf Wunsch vom Bediener geändert werden.
• Im Schritt II wird dann auf Basis dieses Optimierungsmodusindikators OMI entschieden, ob das Optimierungsverfahren im ersten Optimierungsmodus OM₁ oder im zweiten Optimierungsmodus OM₂ durchgeführt wird.
• Im ersten Optimierungsmodus OM₁ werden die Schritte III.1 und IV.1 durchlaufen, im zweiten Optimierungsmodus die Schritte III.2 und IV.2. Im Rahmen dieser Schritte werden jeweils eine Zielfunktion f_Z und eine Randbedingungsfunktion f_C festgelegt, die dann anschließend in einem Schritt V in herkömmlicher Weise genutzt werden, um die optimalen Sendeskalierungsfaktoren SF₁, ..., SF_N zu bestimmen. Hierzu kann in Schritt V ein üblicher Constrained Solver verwendet werden, wie beispielsweise der bereits eingangs beschriebene Solver fmincon von The Mathworks Inc.
• Sofern der erste Optimierungsmodus OM₁ gewählt wurde, wird eine Zielfunktion f_Z verwendet, die nicht von einem Bildqualitätswert abhängig ist, d. h. insbesondere enthält hier die Zielfunktion f_Z nicht die Zielmagnetisierungsabweichung Δm, welche angibt, wie stark die Ist-Magnetisierung von der gewünschten Ziel-Magnetisierung m abweicht. Stattdessen wird die Zielmagnetisierungsabweichung Δm innerhalb der Randbedingungsfunktion genutzt.
• Hierzu wird zunächst im Schritt III.1 ein Relationswert r_Δm erfasst, welcher angibt, in welchem Maße, beispielsweise zu wie viel Prozent, das Ergebnis des Optimierungsverfahrens mit einer Zielmagnetisierungsabweichung Δm übereinstimmt, die bei einer Messung mit einem Basis-Anregungsmodus für die jeweilige Untersuchung, also beispielsweise in einem CP-Modus oder einem EP-Modus, zu erreichen wäre.
• Die genaue Aufstellung der Funktionen für die im Schritt V nachfolgende Optimierung, d. h. der beiden Funktionen, die dem Constrained Solver zugeführt werden, erfolgt dann im Schritt IV.1. Die Zielfunktion f_Z(SB) ist hier abhängig von einem Hochfrequenz-Belastungswert SB. Ein Beispiel für eine solche Zielfunktion wäre die Funktion b = arg_bmin(f(SED_loc)) (2)
• SED_loc ist der Lokalbelastungsvektor der lokalen SED-Werte SED_loc,h (in [Ws/kg]). Diese lokalen SED-Werte SED_loc,h an einem VOP (Virtual Observation Point) h im Körper des Untersuchungsobjekts O können mit folgender Gleichung berechnet werden:

  
• N ist die Anzahl der unabhängigen Sendekanäle. ρ_h ist die Dichte des Patienten am VOP h in kg/m³ und c und c' sind Laufvariablen, die von 1 bis N (= Anzahl der Sendekanäle) laufen. Die Werte ZZ_hcc' sind die einzelnen Elemente einer sog. Sensitivitätsmatrix ZZ. In Gleichung (3) enthält diese Sensitivitätsmatrix ZZ für jeden VOP h einen Sensitivitätswert, der multipliziert mit der Amplitude des HF-Felds das E-Feld in dem betreffenden VOP repräsentiert und somit ein Umrechnungsfaktor von der Amplitude der Hochfrequenzkurve auf die tatsächliche energetische Belastung im VOP bildet. Das heißt, wenn 30 solcher VOP beobachtet werden, so besteht der HF-Lokalbelastungsvektor SED_loc aus 30 Vektorelementen gemäß Gleichung (3).
• T_cc' ist die Kreuzkorrelation der HF-Kurven des HF-Pulszugs:

  
• Dabei ist Δt der Sampling-Abstand in s. Diese Kreuzkorrelation gibt also an, ob sich an einem bestimmten Ort die HF-Kurven des HF-Pulszugs bei der Überlagerung verstärken oder reduzieren.
• Die Sensitivitätsmatrix ZZ und die Zielfunktion können beispielsweise in einem Speicher 16 der Steuereinrichtung 10 hinterlegt sein und dort bei Bedarf abgerufen werden. Die Sensitivitätsmatrix lässt sich z. B. vorab mittels Simulationen an Körpermodellen ermitteln. Eine Methode zur Ermittlung einer solchen Sensitivitätsmatrix und der lokalen SED-Werte SED_loc wird beispielsweise in der DE 10 2009 024 077 beschrieben, deren Inhalt hier insoweit voll inhaltlich inkorporiert wird. Dabei können für unterschiedliche Körpertypen, z. B. verschieden große Patienten, auch unterschiedliche Sensitivitätsmatrizen hinterlegt sein. Im Übrigen wird für weitere Erklärungen auch wieder auf die DE 10 2010 015 044 A1 verwiesen, in der ebenfalls der der Lokalbelastungsvektor verwendet wird.
• Der Lokalbelastungs-Funktionsterm f(SED_loc) in Gleichung (2) kann verschiedenartig ausgestaltet sein. Beispielsweise kann es sich hierbei um die quadratische Maximalnorm max²(SED_loc) handeln. Dies führt dazu, dass das kritische Maximum des lokalen SED-Vektors, d. h. der größte Hotspot, minimiert wird.
• Bei einer bevorzugten Variante wird f(SED_loc) = ∥SED_loc∥² gesetzt. Dies führt dazu, dass HF-Energie aus den kritischeren VOPs in der Liste entzogen wird und anderen unkritischeren VOPs Energie zugeführt wird, da ja durch die Nutzung der quadratischen Norm ∥ ∥² insgesamt bei der Optimierung eine Minimierung des quadratischen Abstands des lokalen SED-Vektors zum Nullpunkt erreicht wird.
• Die Randbedingungsfunktion f_C(Δm) ist dagegen nun von der Zielmagnetisierungsabweichung Δm abhängig.
• Ein Beispiel hierfür ist beispielsweise die Funktion ∥|A·b| – |m|∥² = r_Δm·∥|A·b| – |m|∥² _CP/EP (6)
• Hierbei gibt die linke Seite der Gleichung den mit den aktuell in der Optimierung berechneten Sendeskalierungsfaktoren erreichbaren Zielmagnetisierungsabweichungswert Δm = ∥|A·b| – |m|∥² an, der dem entsprechend in einem Basis-Anregungsmodus, d. h. im CP-Mode oder EP-Mode, erreichbaren Zielmagnetisierungsabweichungswert Δm = ∥|A·b| – |m|∥² _CP/EP multipliziert mit dem Relationswert r_Δm entsprechen soll. Der Gleichungsteil für die Basisanregung, d. h. den CP-Mode oder EP-Mode, wird dabei in Gleichung (6) und im Folgenden durch den unteren Index CP/EP angezeigt. Anstelle einer Gleichung kann hier auch eine Ungleichung gewählt werden, d. h. die Optimierung erfolgt z. B. so, dass der erreichte Zielmagnetisierungsabweichungswert immer unter dem Zielmagnetisierungsabweichungswert im CP- bzw. EP-Modus multipliziert mit dem Relationswert r_Δm ist.
• Zur Veranschaulichung und zum Nachweis für die gute Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens können drei Beispiele herangezogen werden, wobei auf die Werte in der Tabelle in 4 verwiesen wird.
• In der ersten Spalte sind jeweils die Relationswerte r_Δm für die Randbedingungsfunktion gemäß Gleichung (3) in Form eines Faktors angegeben.
• In der zweiten Spalte ist die im Rahmen des HF-Puls-Optimierungsverfahrens gemäß dem ersten Optimierungsmodus erreichte relative Zielmagnetisierungsabweichung Δm_opt nach der Optimierung im Verhältnis zur erreichbaren Zielmagnetisierungsabweichung Δm_B im Basis-Anregungsmodus, beispielsweise also je nach Untersuchung im CP- oder EP-Modus, in Prozent angegeben. Ein negatives Vorzeichen (Reduzierung der Zielmagnetisierungsabweichung) ist also mit einer Verbesserung der Bildqualität verbunden.
• In der dritten Spalte ist dann der Wert für die durch das Optimierungsverfahren erreichte (relative) HF-Belastung SB_opt im Verhältnis zu einer im Basis-Anregungsmodus auftretenden HF-Belastung SB_B angegeben, und zwar wieder in Form der prozentualen Abweichung (ein Vorzeichen ”–” entspricht also einer Reduzierung der HF-Belastung) gegenüber der HF-Belastung SB_B im Basis-Anregungsmodus. Bei den konkret in 4 angegebenen Hochfrequenz-Belastungswerten SB handelt es sich jeweils um lokale SED-Belastungswerte in der Form ∥SED_loc∥², wie sie im Zusammenhang mit Gleichung (3) erläutert wurden.
• In der ersten Zeile ist ein Relationswert r_Δm = 1 gewählt, d. h. die Zielmagnetisierungsabweichung und folglich die Bildqualität sollte sich gegenüber dem normalen Basis-Anregungsmodus nicht ändern. Dementsprechend liegt der Unterschied zwischen der Zielmagnetisierungsabweichung bei Aussendung der HF-Pulse mit den optimierten Sendeskalierungsfaktoren und der der Zielmagnetisierungsabweichung bei Verwendung der üblichen Sendeskalierungsfaktoren im Basis-Anregungsmodus wie gefordert bei 0%. Aus der letzten Spalte ist ersichtlich, dass jedoch die Hochfrequenz-Belastung durch die Optimierung gegenüber dem Basis-Anregungsmodus um 42% gesenkt werden konnte.
• Für ein weiteres Experiment wurde der Relationswert r_Δm = 1,05 gesetzt, was einer Erhöhung der Zielmagnetisierungsabweichung mit den optimierten Pulsen um 5% gegenüber der Zielmagnetisierungsabweichung im Basis-Anregungsmodus entspricht. Demgemäß liegt auch nach der Optimierung eine Differenz gegenüber der Zielmagnetisierungsabweichung im Basis-Anregungsmodus um +5% vor, wie aus dem Wert in der zweiten Spalte ersichtlich ist. Zum Ausgleich wurde aber nun, wie aus der dritten Spalte hervorgeht, eine HF-Belastungseinsparung gegenüber dem Basis-Anregungsmodus von insgesamt 50,4% erreicht. Sofern also der Bediener der Ansicht ist, dass die Bildqualität im Basis-Anregungsmodus, also beispielsweise im CP- oder im EP-Modus, ausreichend gut ist und sogar noch um 5% schlechter sein könnte, ohne dass dies bei der Auswertung der Bilder störend ist, könnte auch dieser Relationswert r_Δm von 1,05 zugunsten der reduzierten HF-Belastung gewählt werden.
• Für das dritte Experiment wurde ein Relationswert r_Dm = 0,95 gewählt, was zu einer Verbesserung der Bildqualität um 5% führt, wie dies aus dem Wert –5,0% für die relative Änderung der Zielmagnetisierungsabweichung Δm in der zweiten Spalte ersichtlich ist. Obwohl hier durch die Randbedingung sogar eine Verbesserung der Bildqualität erreicht wurde, wurde immer noch eine Reduzierung der Hochfrequenz-Belastung um 15,8% gegenüber dem herkömmlichen Basis-Anregungsmodus erreicht, wie dies aus der dritten Spalte zu ersehen ist.
• Wie die Werte in der Tabelle in 4 zeigen, lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren im ersten Optimierungsmodus vom Bediener genau vorgeben, welche Bildqualität er im Verhältnis zum klassischen bisherigen Basismodus wünscht. Dennoch lässt sich in jedem dieser Fälle, selbst bei einer Verbesserung der Bildqualität, eine signifikante Einsparung bezüglich der Hochfrequenz-Belastung erreichen.
• Wird im Schritt I (in 3) dagegen ein Optimierungsmodusindikator OMI entsprechend dem zweiten Optimierungsmodus OM₂ gewählt, so wird zunächst im Schritt III.2 ein Relationswert r_SB erfasst, der dann später im Schritt IV.2 zum Aufbau der Randbedingungsfunktion auf Basis der Hochfrequenz-Belastung verwendet wird.
• Bei diesem Optimierungsmodus OM₂ wird also die Zielfunktion f_Z(Δm) in Abhängigkeit von der Zielmagnetisierungsabweichung Δm gewählt, ähnlich, wie dies auch bisher üblich war. Eine solche Zielfunktion kann beispielsweise wie folgt gebildet werden: b = arg_bmin(∥|A·b| – |m|∥²) (7)
• Ein Vergleich mit Gleichung (1) zeigt, dass diese Zielfunktion der bisher klassischen Zielfunktion entspricht, mit der Ausnahme, dass nun die HF-Belastung nicht mehr innerhalb der Zielfunktion f_Z selbst mit berücksichtigt wird. Stattdessen wird die HF-Belastung innerhalb der Randbedingungsfunktion f_C(SB) berücksichtigt. Eine konkrete Randbedingungsfunktion könnte dabei wie folgt aussehen:

  
• Diese Randbedingungsfunktion entspricht grundsätzlich wieder einer Überwachung des Lokalbelastungsvektors SED_loc (vergleiche hierzu auch Gleichung (3) mit den dort angegebenen Notationen und Erläuterungen hierzu). Allerdings wird nun nicht die euklidische Norm ∥SED_loc∥² der durch die Sensitivitätsmatrix ZZ_hcc, und die Kreuzkorrelation T_cc, gegebenen lokalen SED-Werte des Lokalbelastungsvektors SED_loc (d. h. der VOPs) verwendet. Stattdessen wird in Gleichung (8) das Maximum der einzelnen VOPs berücksichtigt, d. h. es wird kontrolliert, ob an dem VOP mit der stärksten Lokalbelastung das vorgegebene Maximum nicht überschritten ist. Dabei gibt auch hier die linke Seite wiederum das Maximum des Lokalbelastungsvektors an, der mit den optimierten Sendeskalierungsfaktoren erreicht wird, und die rechte Seite (wieder angezeigt durch den unteren Index CP/EP) das Maximum, wie es mit dem klassischen CP- oder EP-Sendemodus erreicht würde, multipliziert mit dem Relationswert r_SB.
• Zu diesem zweiten Optimierungsmodus OM₂ sind wiederum drei Beispielmessungen in einer Tabelle angegeben, die in 5 dargestellt ist. Die Tabelle ist dabei analog zu der Tabelle in 4 aufgebaut, mit dem Unterschied, dass nun in der ersten Spalte die Relationswerte r_SB bezüglich der HF-Belastung angegeben werden. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den angegebenen Hochfrequenz-Belastungswerten SB in der letzten Spalte jeweils um lokale SED-Belastungswerte in der Form ∥SED_loc∥², wie sie im Zusammenhang mit Gleichung (3) erläutert wurden.
• In der ersten Zeile für die erste Messung wurde ein Relationswert r_SB = 1 angenommen. Das heißt, diese Messung wurde so durchgeführt, dass sich die HF-Belastung gegenüber der HF-Belastung im herkömmlichen Basis-Anregungsmodus, d. h. im CP- oder EP-Modus, nicht ändern darf, was sich auch in dem erreichten Wert von 0% in der letzten Spalte der erste Zeile zeigt. Im Rahmen der Optimierung mit Hilfe der Zielfunktion gemäß Gleichung (7) wurde aber erreicht, dass die Zielmagnetisierungsabweichung Δm um –6,2% reduziert, d. h. die Bildqualität entsprechend verbessert wurde, was sich aus dem mittleren Wert der ersten Zeile ergibt.
• In der Messung für die zweite Zeile wurde dann ein Relationswert r_SB = 1,2 vorgegeben, d. h. es wurde zugelassen, dass die HF-Belastung nach der Optimierung um 20% höher liegt als im Basis-Anregungsmodus, was durch den Wert von +20% in der letzten Spalte dargestellt ist. Hierbei wurde eine noch stärkere Verbesserung der Bildqualität als im ersten Fall erreicht, nämlich eine Verbesserung um 7,1%, was wiederum aus der mittleren Spalte hervorgeht.
• Beim letzten Experiment wurde ein Relationswert r_SB = 0,8 vorgegeben, d. h. es wurde durch die Randbedingungsfunktion festgelegt, dass die HF-Belastung nach der Optimierung der Sendeskalierungsfaktoren 20% unter dem Wert im Basis-Anregungsmodus liegen muss, was der Zahl –20% in der letzten Spalte entspricht. Auch in diesem Fall wurde durch das Optimierungsverfahren immer noch eine Bildqualitätsverbesserung von 4,6% erreicht.
• Auch im zweiten Optimierungsmodus OM₂ zeigt sich also, dass durchaus sowohl eine Verbesserung der HF-Belastung als auch gleichzeitig eine Verbesserung der Bildqualität möglich ist, wobei im zweiten Modus der relative Wert der erreichten HF-Belastung im Verhältnis zur klassischen Basis-Anregung vom Bediener eingestellt werden kann. Der Bediener kann diesen zweiten Optimierungsmodus OM₂ also insbesondere dann nutzen, wenn er im Vorhinein genau weiß, welche Hochfrequenz-Belastung er erreichen möchte bzw. wenn eine höhere HF-Belastung durchaus noch möglich wäre. Dies ist dann denkbar, wenn eine Sequenz gefahren wird, die nicht mit einer besonders hohen Hochfrequenz-Belastung verbunden ist, d. h. wenn der Referenzpulszug bereits mit keiner sehr hohen HF-Belastung einhergeht. Auf diese Weise kann er dann noch stärkere Bildqualitätsverbesserungen erreichen als beispielsweise im ersten Optimierungsmodus, wobei er aber sicher sein kann, dass die Hochfrequenz-Belastung nicht zu stark ansteigt.
• Die obigen Beispiele zeigen, wie mit ganz einfachen Mitteln durch das erfindungsgemäße Verfahren bereits eine Reduzierung der HF-Belastung des Patienten und dennoch eine Bildqualitätsverbesserung erreicht werden kann. 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. 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” oder „Modul” nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die auch räumlich verteilt sein können.
• Bezugszeichenliste

1

Magnetresonanzanlage/Magnetresonanzsystem

2

Magnetresonanzscanner

3

Grundfeldmagnet

4

Gradientensystem

5

Ganzkörper-Hochfrequenzspule

6

Lokalspule

7

Liege

8

Untersuchungsraum/Patiententunnel

10

Steuereinrichtung

11

Gradienten-Steuereinheit

12

Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit

13

HF-Empfangseinheit

14

Rekonstruktionseinheit

15

Messsteuereinheit

16

Speicher

17

Terminalschnittstelle

18

Referenzpuls-Erzeugungsmodul

19

Pulsoptimierungseinrichtung

20

Terminal

O

Patient/Untersuchungsobjekt

P

Steuerprotokoll

NW

Netzwerk

BD

Bilddaten

RD

Rohdaten

GP

Gradienten-Pulszug

SG_x, SG_y, SG_z

Steuersignal

b

Mehrkanal-Pulszug

b_R

Referenzpulszug

b₁, ..., b_N

Pulszüge

S₁, ..., S_N

Sendekanal

SF₁, ..., SF_N

Sendeskalierungsfaktor

m

Ziel-Magnetisierung

OV

HF-Puls-Optimierungsverfahren

OMI

Optimierungsmodusindikator

OM₁

erster Optimierungsmodus

OM₂

zweiter Optimierungsmodus

f_Z

Zielfunktion

f_C

Randbedingungsfunktion

Δm

Zielmagnetisierungsabweichung

SB

Hochfrequenz-Belastungswert

r_Δm

Relationswert

r_SB

Relationswert

Δm_opt

Zielmagnetisierungsabweichung nach der Optimierung

Δm_B

Zielmagnetisierungsabweichung im Basis-Anregungsmodus

SB_opt

HF-Belastung nach der Optimierung

SB_B

HF-Belastung im Basis-Anregungsmodus

Claims (11)

1. Verfahren zur Ansteuerung eines Magnetresonanzsystems (1) mit mehreren Hochfrequenz-Sendekanälen (S₁, ..., S_N), über die im Betrieb parallel HF-Pulszüge (b₁, ..., b_N) ausgesendet werden, wobei für mehrere der Hochfrequenz-Sendekanäle (S₁, ..., S_N) ein gemeinsamer Referenzpulszug (b_R) vorgegeben wird, und in einem HF-Puls-Optimierungsverfahren (OV) unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Ziel-Magnetisierung (m) für jeden der Hochfrequenz-Sendekanäle (S₁, ..., S_N) ein Sendeskalierungsfaktor (SF₁, ..., SF_N) ermittelt wird, um die HF-Pulszüge (b₁, ..., b_N) für die Sendekanäle (S₁, ..., S_N) auf Basis des Referenzpulszugs (b_R) zu berechnen, wobei im HF-Puls-Optimierungsverfahren (OV) bei der Berechnung der Sendeskalierungsfaktoren (SF₁, ..., SF_N) zumindest in einem ersten Optimierungsmodus (OM₁) eine Zielfunktion (f_Z) unabhängig von einer Zielmagnetisierungsabweichung (Δm) erstellt wird und eine Berücksichtigung der Zielmagnetisierungsabweichung (Δm) im HF-Puls-Optimierungsverfahren (OV) stattdessen durch eine Randbedingungsfunktion (f_C) erfolgt, wobei die Randbedingungsfunktion (f_C) eine zulässige Abweichung eines Parameterwerts von einem Referenz-Parameterwert definiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest in dem ersten Optimierungsmodus (OM₁) des HF-Puls-Optimierungsverfahrens die Zielfunktion (f_Z) derart vorgegeben wird, dass sie zumindest einen HF-Belastungswert (SB) eines Untersuchungsobjekts (O) umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in einem zweiten Optimierungsmodus (OM₂) des HF-Puls-Optimierungsverfahrens die Zielfunktion (f_Z) derart vorgegeben wird, dass sie eine Zielmagnetisierungsabweichung (Δm), aber keinen HF-Belastungswert (SB) eines Untersuchungsobjekts (O) umfasst und eine Berücksichtigung des HF-Belastungswerts (SB) stattdessen durch eine Randbedingungsfunktion (f_C) erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein Optimierungsmodusindikator (OMI) erfasst wird und darauf basierend das HF-Puls-Optimierungsverfahren (OV) gemäß dem ersten Optimierungsmodus (OM₁) oder gemäß dem zweiten Optimierungsmodus (OM₂) durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der HF-Belastungswert (SB) einen HF-Lokalbelastungswert umfasst.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Referenz-Parameterwert auf Basis eines in einem Basis-Anregungsmodus erreichbaren Parameterwerts (Δm_B, SB_B) des betreffenden Parameters (Δm, SB) definiert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Relationswert (r_Δm, r_SB) erfasst wird und darauf basierend der Referenz-Parameterwert relativ zu dem im Basis-Anregungsmodus erreichbaren Parameterwert (Δm_B, SB_B) des betreffenden Parameters definiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zwei Sendekanäle des Magnetresonanzsystems (1) angesteuert werden.
9. Pulsoptimierungseinrichtung (19) für ein Magnetresonanzsystem (1), welches eine Mehrzahl von Hochfrequenz-Sendekanälen (S₁, ..., S_N) aufweist, wobei die Pulsoptimierungseinrichtung (19) ausgebildet ist, um in einem HF-Puls-Optimierungsverfahren (OV) unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Ziel-Magnetisierung (m) für mehrere der Hochfrequenz-Sendekanäle (S₁, ..., S_N) jeweils einen Sendeskalierungsfaktor (SF₁, ..., SF_N) für einen für die Hochfrequenz-Sendekanäle (S₁, ..., S_N) gemeinsam vorgegeben Referenzpulszug (b_R) zu ermitteln, wobei im HF-Puls-Optimierungsverfahren (OV) bei der Berechnung der Sendeskalierungsfaktoren (SF₁, ..., SF_N) zumindest in einem ersten Optimierungsmodus (OM₁) eine Zielfunktion (f_Z) unabhängig von einer Zielmagnetisierungsabweichung (Δm) erstellt wird und eine Berücksichtigung der Zielmagnetisierungsabweichung (Δm) im HF-Puls-Optimierungsverfahren (OV) stattdessen durch eine Randbedingungsfunktion (f_C) erfolgt, wobei die Randbedingungsfunktion (f_C) eine zulässige Abweichung eines Parameterwerts von einem Referenz-Parameterwert definiert.
10. Magnetresonanzsystem (1) mit – einer Mehrzahl von Hochfrequenz-Sendekanälen (S₁, ..., S_N), – einer Steuereinrichtung (10), welche ausgebildet ist, um zur Durchführung einer gewünschten Messung über die Hochfrequenz-Sendekanäle (S₁, ..., S_N) parallel HF-Pulszüge (b₁, ..., b_N) auszusenden, und – einer Pulsoptimierungseinrichtung (19) nach Anspruch 9.
11. Computerprogramm, welches direkt in einen Speicher einer Pulsoptimierungseinrichtung (19) und/oder einer Steuereinrichtung (10) eines Magnetresonanzsystems (11) ladbar ist, mit Programmcodeabschnitten, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen, wenn das Programm in der Pulsoptimierungseinrichtung (19) bzw. der Steuereinrichtung (10) ausgeführt wird.

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