DE102012205664A1

DE102012205664A1 - Verfahren und Steuervorrichtung zur Ansteuerung eines Magnetresonanzsystems

Info

Publication number: DE102012205664A1
Application number: DE102012205664A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Fautz; Rene Gumbrecht
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2012-04-05
Filing date: 2012-04-05
Publication date: 2013-10-10
Anticipated expiration: 2032-04-06
Also published as: CN103364747B; US10416258B2; US20130265049A1; DE102012205664B4; KR20130113390A; CN103364747A; KR101916359B1; KR20170007519A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines Magnetresonanzsystems (100) beschrieben. In dem Verfahren wird folgende Pulssequenz ausgespielt: ein erster schichtselektiver Anregungspuls (11, 21), der eine erste Schicht (41) mit einer ersten Magnetisierung anregt, dann ein zweiter schichtselektiver Anregungspuls (12, 32), der eine zweite Schicht (44) mit der ersten Magnetisierung anregt. Es wird ein dritter schichtselektiver Anregungspuls (13, 23), der die erste Schicht (41) mit einer die erste Magnetisierung aufhebenden zweiten Magnetisierung anregt und ein vierter schichtselektiver Anregungspuls (14, 34), der die zweite Schicht (44) mit einer die erste Magnetisierung aufhebenden Magnetisierung anregt. Die erste Schicht (41) und die zweite Schicht (44) überschneiden sich. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Steuervorrichtung (106) zur Ansteuerung eines Magnetresonanzsystems (100) mit wenigstens einem Hochfrequenz-Sendekanal (112a, 112b, 112c, 112d) über den die Pulssequenz ausgespielt werden kann und eine Steuersequenzermittlungsvorrichtung (111) zur Optimierung der Pulssequenz.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuervorrichtung zur Ansteuerung eines Magnetresonanzsystems zum Ausspielen einer Pulssequenz. Die Erfindung betrifft ferner ein Magnetresonanztomographiesystem, im Folgenden auch kurz Magnetresonanzsystem genannt, sowie eine Steuersequenzermittlungsvorrichtung.
Bei der Magnetresonanztomographie, auch Kernspintomographie genannt, handelt es sich um eine inzwischen weit verbreitete Technik zur Akquisition von Bildern vom Körperinneren eines lebenden Untersuchungsobjekts. Um mit diesem Verfahren ein Bild zu gewinnen, d. h. eine Magnetresonanzaufnahme eines Untersuchungsobjekts zu erzeugen, muss zunächst der Körper bzw. der zu untersuchende Körperteil des Patienten einem möglichst homogenen statischen Grundmagnetfeld (meist als B₀-Feld bezeichnet) ausgesetzt werden, welches von einem Grundfeldmagneten der Magnetresonanz-Messeinrichtung erzeugt wird. Das relativ hohe Grundmagnetfeld hat beispielsweise als typische Werte eine magnetische Flussdichte von 3 oder 7 Tesla.
Diesem Grundmagnetfeld werden während der Aufnahme der Magnetresonanzbilder schnell geschaltete Gradientenfelder zur Ortskodierung überlagert, die von sog. Gradientenspulen erzeugt werden.
Außerdem werden mit einer Hochfrequenzantenne HF-Pulse einer definierten Feldstärke in das Untersuchungsvolumen eingestrahlt, in dem sich das Untersuchungsobjekt befindet. Die magnetische Flussdichte dieser HF-Pulse wird üblicherweise mit B₁ bezeichnet. Das pulsförmige Hochfrequenzfeld wird daher im Allgemeinen auch kurz B₁-Feld genannt. Mittels dieser HF-Pulse werden die Kernspins der Atome im Untersuchungsobjekt derart angeregt, dass sie um einen sogenannten “Anregungsflipwinkel” (im Folgenden auch kurz “Flipwinkel” genannt) aus ihrer Gleichgewichtslage, welche parallel zum Grundmagnetfeld B₀ verläuft, ausgelenkt werden. Die Kernspins präzedieren dann um die Richtung des Grundmagnetfelds B₀. In anderen Worten heißt das, dass die resonant angeregten Atome ortsaufgelöst um einen definierten Flipwinkel gegenüber den Magnetfeldlinien des Grundmagnetfelds verkippt werden. Eine Anregung, d.h. ein Verkippen, ist nur möglich, wenn das B₁-Feld in Resonanz mit den anzuregenden Atomen, im Allgemeinen Wasserstoffatomen, ist.
Diese Magnetresonanzanregung (MR-Anregung) mittels magnetischer Hochfrequenzpulse bzw. die resultierende Flipwinkelverteilung wird im Folgenden auch als „Kernmagnetisierung“ oder kurz „Magnetisierung“ bezeichnet. Nach der Anregung relaxieren die Kernspins wieder, sie kehren in ihre Ausgangslage ausgerichtet am B₀-Feld zurück. Bei der Relaxation der Kernspins werden Hochfrequenzsignale, so genannte Magnetresonanzsignale, abgestrahlt, die mittels geeigneter Empfangsantennen empfangen und dann weiterverarbeitet werden.
Bei den Empfangsantennen kann es sich entweder um die gleichen Antennen, mit denen auch die Hochfrequenzpulse ausgestrahlt werden, oder um separate Empfangsantennen handeln. Die Aussendung der Hochfrequenzsignale zur Kernspin-Magnetisierung erfolgt meist mittels einer sogenannten „Ganzkörperspule“ oder „Bodycoil“. Ein typischer Aufbau einer Ganzkörperspule ist eine Käfigantenne (Birdcage-Antenne), welche aus mehreren Sendestäben besteht, die – parallel zur Längsachse verlaufend – um einen Patientenraum des Tomographen herum angeordnet sind, in dem sich ein Patient bei der Untersuchung befindet. Stirnseitig sind die Antennenstäbe jeweils ringförmig kapazitiv miteinander verbunden. Inzwischen werden aber auch immer öfter körpernahe Lokalspulen zur Aussendung von MR-Anregungssignalen verwendet. Der Empfang der Magnetresonanzsignale erfolgt i.d.R. mit den Lokalspulen, in manchen Fällen aber auch alternativ oder zusätzlich mit der Bodycoil.
Die Magnetresonanzbilder des Untersuchungsobjekts werden schließlich auf Basis der empfangenen Magnetresonanzsignale erstellt. Jeder Bildpunkt im Magnetresonanzbild ist dabei einem kleinen Körpervolumen, einem sogenannten “Voxel”, zugeordnet und jeder Helligkeits- oder Intensitätswert der Bildpunkte ist mit der aus diesem Voxel empfangenen Signalamplitude des Magnetresonanzsignals verknüpft. Der Zusammenhang zwischen einem resonant eingestrahlten HF-Puls mit der Feldstärke B₁ und dem damit erreichten Flipwinkel α ist dabei durch die Gleichung
gegeben, wobei γ das gyromagnetische Verhältnis, welches für die meisten Kernspinuntersuchungen als feststehende Materialkonstante angesehen werden kann, und τ die Einwirkdauer des Hochfrequenzpulses ist. Die Gleichung (1) setzt eine konstante Phase von B1(t) voraus, also ein reelles B1. Der durch einen ausgesendeten HF-Puls erreichte Flipwinkel und somit die Stärke des Magnetresonanzsignals hängen folglich außer von der Dauer des HF-Pulses auch von der Stärke des eingestrahlten B₁-Feldes ab. Örtliche Schwankungen in der Feldstärke des anregenden B₁-Feldes führen daher zu unerwünschten Variationen im empfangenen Magnetresonanzsignal, die das Messergebnis verfälschen können.
Neuere Magnetresonanzsysteme weisen individuelle Sendeantennen mit getrennten Sendekanälen auf. Beispielsweise kann die Bodycoil in Umfangrichtung aufgetrennt sein, so dass 4, 6 oder 8 Teilantennen entstehen. Eine andere Anzahl von Teilantennen oder eine Auftrennung in Längsrichtung ist natürlich auch denkbar. Es ist dann möglich, einzelne Sendekanäle mit individuellen HF-Signalen zu belegen. Hierzu wird ein sogenannter Mehrkanal-Puls ausgesendet, der, wie eingangs beschrieben, aus mehreren individuellen Hochfrequenz-Pulsen besteht, die parallel über die verschiedenen unabhängigen Hochfrequenz-Sendekanäle ausgesendet werden können. Ein solcher Mehrkanal-Pulszug, wegen der parallelen Aussendung der einzelnen Pulse auch als „pTX-Puls“ bezeichnet, kann beispielsweise als Anregungs-, Refokussierungs- und/oder Inversionspuls verwendet werden. Ein Antennensystem mit mehreren unabhängig ansteuerbaren Antennenkomponenten bzw. Sendekanälen wird oft auch als „Transmit-Array“ bezeichnet, egal, ob es sich um eine Ganzkörperantenne oder um eine körpernahe Antennenanordnung handelt.
Solche pTX-Pulse bzw. daraus aufgebaute Pulszüge werden üblicherweise vorab für eine bestimmte geplante Messung ermittelt, d. h. es wird festgelegt, mit welcher Pulsform und Phase die Pulse auf den einzelnen Sendekanälen auszusenden sind. Üblicherweise wird hierzu zunächst eine Send-k-Raum-Gradiententrajektorie vogegeben, das heißt die Orte im k-Raum, die angefahren werden sollen. Der k-Raum ist der Ortsfrequenzraum.
Für die Planung der HF-Pulse gibt der Anwender eine Ziel-Magnetisierung vor, beispielsweise eine gewünschte ortsaufgelöste Flipwinkelverteilung, die innerhalb der Ziel-Funktion als Soll-Wert eingesetzt wird. Es werden dann die passenden HF-Pulse für die einzelnen Kanäle berechnet, so dass die Ziel-Magnetisierung möglichst gut erreicht wird. Grundlage hierfür ist die Blochgleichung dM / dt = γ·M × B (2) die den Magnetisierungsaufbau durch einen Magnetisierungsvektor M in einem Magnetfeld B beschreibt. γ ist wieder das gyromagnetische Verhältnis des anzuregenden Kerns.
In der Regel erfolgt die Berechnung der Pulsform so, dass ein Puls mit einer bestimmten Länge in eine Anzahl von sehr kurzen Zeitschritten diskretisiert wird. Typisch sind hier Zeitschritte von 1 bis 10 µs Dauer, d. h. dass ein Puls von beispielsweise 10 bis 20 ms über 1000 Zeitschritte enthält. Für kleine Flipwinkel ergibt sich aus der Blochgleichung ein lineares Gleichungssystem A·b = m_des (3)
Dabei steht m_des für den Vektor der räumlich diskretisierten Zielmagnetisierung, der Vektor b für die zeitliche Diskretisierung der HF-Pulse und A ist eine Matrix, welche die linearen Beziehungen enthält, die sich aus der Diskretisierung der linearisierten Lösung der Blochgleichungen zwischen dem Vektor m_des und dem Vektor b ergeben. Die Lösung dieses Gleichungssystems liefert für jeden der Zeitschritte einen komplexen Pulswert mit einem Real- und Imaginärteil, welche die Spannungsamplitude und die Phase des Pulses für die Ansteuerung des Magnetresonanzsystems repräsentieren.
Eine Magnetisierung kann entweder räumlich unselektiv in einem ganzen Einzugsbereich einer Spule angeregt werden oder es kann eine Schicht aus dem Einzugsbereich der Spule durch frequenzselektive Hochfrequenz-Pulse in Kombination mit einem linearen Feldgradienten angeregt werden. Dabei überträgt der Feldgradient die limitierte spektrale Bandbreite des Hochfrequenz-Pulses in eine einfache, räumlich eindimensionale, selektive Anregung. Das ist möglich, da eine Anregung nur bei einer Resonanz zwischen Hochfrequenz-Puls und anzuregendem Atom erfolgt. Die Präzessionsfrequenz oder Larmorfrequenz, mit der ein Spin präzediert und mit der die Anregung erfolgen muss, hängt vom äußeren Magnetfeld ab. Der Feldgradient dient dazu, das äußere Magnetfeld und damit die Larmorfrequenz ortsabhängig zu verändern. Damit werden die Hochfrequenz-Pulse ortsselektiv.
Unter anderem für eine Beschleunigung der Bildgebung ist es wünschenswert, nur selektiv den räumlichen Bereich anzuregen, der bildlich erfasst werden soll. Es ist bekannt, für eine zwei- oder dreidimensionale selektive Anregung den k-Raum mittels eines Feldgradienten zu durchlaufen. Diese selektive Anregung ist analog zum Vorgang des Aufnehmens eines Bildes und bei Pauly et al. „k-space analyses of small-tip-angle excitation" NRN, 81: 43–56, 1989 nachzulesen.
Diese Methode zur räumlich selektiven Anregung führt typischerweise zu sehr langen Hochfrequenz-Pulsen, was zu Artefakten in der angeregten Struktur führen kann. Eine weitere Limitierung dieser Methode ist die pro Anregung oder erzeugten Flipwinkel deponierte Leistung, d. h. die Anregungseffizienz.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Pulssequenz bereitzustellen, die mit kürzeren Hochfrequenz-Pulsen eine räumlich selektive Anregung einer Magnetisierung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird zum einen durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und zum anderen durch eine Steuervorrichtung gemäß Patentanspruch 9 gelöst. Die Aufgabe wird ferner durch eine Steuersequenzermittlungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 11 gelöst.
Erfindungsgemäß wird eine Pulssequenz ausgespielt, die einen ersten schichtselektiven Anregungspuls umfasst, der eine erste Schicht mit einer ersten Magnetisierung anregt. Nach Ausspielen des ersten schichtselektiven Anregungspulses sind damit im Einzugsbereich der Sendespule oder Sendespulen die Kernspins der Atome in dieser Schicht aus ihrer Gleichgewichtslage ausgelenkt, d. h. gegenüber dem Grundmagnetfeld verkippt. Es sollte klar sein, dass hier und im Weiteren mit den Atomen nur die Atome gemeint sind, die auf die Magnetresonanz reagieren, in der Regel Wasserstoffatome. Es ist für den Fachmann auch selbstverständlich, dass es sich bei der Magnetisierung um einen statistischen Prozess handelt, die Kernspins der Schicht sind statistisch gesehen im Mittel in der verkippten Lage, wobei die Lage relativ zur Richtung des Grundmagnetfeldes üblicherweise durch den mittleren Flipwinkel des Kernspins angegeben wird. Eine erste Magnetisierung bedeutet eine Verkippung um eine bestimmte erste Drehachse und einen Flipwinkel einer bestimmten ersten Größe.
Ein zweiter schichtselektiver Anregungspuls regt eine zweite Schicht mit einer zweiten Magnetisierung an, die so ausgelegt ist, dass sie die erste Magnetisierung im Wesentlichen unbeeinflusst lässt. Eine zweite Magnetisierung bedeutet eine Verkippung um eine bestimmte zweite Drehachse und einen Flipwinkel einer bestimmten zweiten Größe. Die zweite Schicht ist von der ersten Schicht verschieden. Eine Nichtbeeinflussung der ersten Magnetisierung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die zweite Drehachse so gewählt ist, dass sie im Wesentlichen parallel ist zu der Lage der Kernspins nach der Verkippung.
Es folgt ein dritter schichtselektiver Anregungspuls, der die erste Schicht mit einer die erste Magnetisierung im Wesentlichen aufhebenden dritten Magnetisierung anregt. Der dritte schichtselektive Anregungspuls klappt damit die Kernspins, die vom ersten schichtselektiven Anregungspuls aus der Gleichgewichtslage herausgekippt wurden, wieder in die Gleichgewichtslage zurück. Dieses Zurückkippen erfolgt deutlich vor der Relaxation, die die Kernspins allein in die Gleichgewichtslage zurückkippen lässt.
Die Pulssequenz umfasst einen vierten schichtselektiven Anregungspuls, der die zweite Schicht mit einer die zweite Magnetisierung im Wesentlichen aufhebenden zweiten Magnetisierung anregt. Auch hier gilt wie für den dritten schichtselektiven Anregungspuls, dass die Hochfrequenzkomponente so gewählt ist, dass die ausgelenkten Kernspins wieder in ihre Gleichgewichtslage, welche parallel zum Grundmagnetfeld B₀ verläuft, zurückgekippt werden. In der Gleichgewichtslage sind die Kernspins parallel zu den Feldlinien des Grundmagnetfeldes ausgerichtet. Dabei betrifft der vierte schichtselektive Anregungspuls die Kernspins der zweiten Schicht.
Erfindungsgemäß schneiden sich die erste und die zweite Schicht. Die Überschneidung der ersten Schicht und der zweiten Schicht hat zur Folge, dass beim Ausspielen des zweiten schichtselektiven Anregungspulses die Kernspins der Atome in dem Überschneidungsbereich bereits durch den ersten schichtselektiven Anregungspuls ausgelenkt sind und der zweite schichtselektive Anregungspuls keine Auswirkung auf diese Kernspins hat, da die zweite Magnetisierung, bzw. der die zweite Magnetisierung hervorrufende Hochfrequenzpuls so ausgelegt ist, dass er die erste Magnetisierung, d.h. die Lage der Kernspins im Bereich der ersten Magnetisierung, unbeeinflusst lässt.
Nach Ausspielen des ersten und des zweiten schichtselektiven Anregungspulses sind also alle Kernspins der Atome in der ersten und der zweiten Schicht gleich ausgelenkt, d. h. um den gleichen Betrag des Flipwinkels verkippt, es ist die gleiche Hochfrequenz-Energie deponiert. Das gilt auch für die Kernspins im Überschneidungsbereich.
Nach dem Ausspielen des dritten schichtselektiven Anregungspulses sind alle Kernspins der Atome in der ersten Schicht wieder in den Ruhezustand oder die Gleichgewichtslage zurückgekippt. Das gilt auch für die Kernspins derjenigen Atome, die sich im Überschneidungsbereich zwischen erster und zweiter Schicht befinden.
Das Ausspielen des vierten schichtselektiven Anregungspulses bewirkt nun, dass die Kernspins in der zweiten Schicht, soweit sie sich nicht im Überschneidungsbereich mit der ersten Schicht befinden, in die Gleichgewichtslage zurückgekippt werden. Die Spins in dem Überschneidungsbereich sind jedoch bereits in der Gleichgewichtslage und nicht mehr im Bereich der zweiten Magnetisierung. Auf sie wirken die Hochfrequenz-Pulse des vierten schichtselektiven Anregungspulses dergestalt, dass sie aus der Gleichgewichtslage ausgelenkt werden.
Damit zeigt sich nach dem vollständigen Ausspielen der gesamten Pulssequenz eine Magnetisierung nur im Überschneidungsbereich aus erster und zweiter Schicht. Der Überschneidungsbereich definiert den Anregungsbereich (field of excitation – FOX), welcher nach Ausspielen der vollständigen Pulssequenz magnetisiert ist. In allen anderen Bereichen der ersten und der zweiten Schicht haben der dritte und der vierte schichtselektive Anregungspuls die Spins jeweils wieder in die Gleichgewichtslage zurückgekippt.
Der Fachmann versteht, dass alle vier Anregungspulse in einer Zeit ausgespielt sein müssen, die deutlich unter der Relaxationszeit der Spins liegt. Nur dann ist gewährleistet, dass die Spins noch angeregt, d. h. noch ausgekippt oder ausgelenkt, sind und damit in die Gleichgewichtslage aktiv zurückgekippt werden können. Die Pulssequenz regt also selektiv einen definierten Bereich an und zwar den Überschneidungsbereich aus erster und zweiter Schicht.
Nach einer Anregung durch einen Hochfrequenzpuls laufen die einzelnen Kernspins phasenmäßig auseinander. Damit die einzelnen Kernspins nach dem Verkippen noch nicht auseinandergelaufen sind, hat die Pulssequenz bestehend aus den vier Anregungspulsen vorzugweise eine gesamte Zeitdauer von unter etwa 20 bis 30 ms.
Die erste und die zweite Schicht können orthogonal aufeinander stehen. Dann ist der Überschneidungsbereich ein Quader bzw. ein Stab ohne Längenbegrenzung, da die Selektion in zwei Dimensionen erfolgt. Eine tatsächliche Begrenzung erfolgt durch die endliche Ausdehnung des Untersuchungsobjekts und durch den endlichen Wirkungsbereich der Sendespule bzw. Sendespulen.
Eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung zur Ansteuerung eines Magnetresonanzsystems mit wenigstens einem Hochfrequenz-Sendekanal ist so ausgelegt, dass sie ein Ansteuersignal an wenigstens einen Hochfrequenz-Sendekanal ausgibt, an den sie gekoppelt ist. Das Ansteuersignal bewirkt, dass ein erster schichtselektiver Anregungspuls ausgegeben wird, der eine erste Schicht mit einer ersten Magnetisierung anregt, und dass ein zweiter schichtselektiver Anregungspuls ausgegeben wird, der eine zweite Schicht mit einer zweiten Magnetisierung anregt, die so ausgelegt ist, dass sie die erste Magnetisierung im Wesentlichen unbeeinflusst lässt. Die Steuervorrichtung ist ferner so ausgelegt, dass anschließend ein dritter schichtselektiver Anregungspuls ausgegeben wird, der die erste Schicht mit einer die erste Magnetisierung im Wesentlichen aufhebenden dritten Magnetisierung anregt, und dass dann ein vierter schichtselektiver Anregungspuls ausgegeben wird, der die zweite Schicht mit einer die zweite Magnetisierung im Wesentlichen aufhebenden vierten Magnetisierung anregt. Die erste und die zweite Schicht überschneiden sich.
Die Erfindung stellt ferner eine Steuersequenzermittlungsvorrichtung zur Verfügung zur Ermittlung einer Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz, welche eine Pulssequenz umfasst. Die Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung hat eine Eingangs-Schnittstelle zur Erfassung einer Ziel-Magnetisierung. Sie weist ferner eine HF-Puls-Optimierungseinheit auf, die so ausgebildet ist, dass sie auf Basis einer vorgegebenen Ziel-Magnetisierung und einer nach Anzahl der Pulse und Form der Pulse vorgegebenen Pulssequenz in einem Hochfrequenz-Puls-Optimierungsverfahren Amplituden und Phasen der Pulse berechnet. Die Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung umfasst ferner eine Steuersequenzausgabe-Schnittstelle. Die Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung ist derart ausgebildet, dass sie in dem HF-Puls-Optimierungsverfahren ein Modell der Bloch-Gleichungen verwendet, und als Ziel-Magnetisierung eine räumliche Form eines gewünschten Anregungsvolumens vorgegeben ist. Das gewünschte Anregungsvolumen ist definiert durch den Überschneidungsbereich der selektiv angeregten Schichten. Dieser räumliche Bereich wird als Ziel-Magnetisierung zusammen mit der gewünschten Magnetisierung, d. h. dem gewünschten Flipwinkel, einem Optimierungsalgorithmus übergeben. Das Optimierungsverfahren arbeitet mit einem Algorithmus, der die oben angegebene Bloch-Gleichung bis auf Relaxationseffekte exakt modelliert. Das Verfahren verwendet also die nichtlineare Bloch-Gleichung im Gegensatz zu den auf dem linearen Fourier-Konzept aufbauenden Verfahren, die den k-Raum durchlaufen. Die Magnetisierung aufgrund der Hochfrequenz-Pulse und der Gradienten für die Schichtselektivität folgt einer Dynamik, die durch die Bloch-Gleichung gegeben ist. Die Magnetisierung bewegt sich damit auf der sogenannten Bloch-Kugel.
In dem Hochfrequenz-Puls-Optimierungsverfahren wird mit einer Methode zur Minimierung nicht-linearer Gleichungssysteme das folgende Minimierungsproblem gelöst:
Ein Großteil der zuvor genannten Komponenten der Steuervorrichtung und auch der Steuersequenzermittlungsvorrichtung, können ganz oder teilweise in Form von Softwaremodulen in einem Prozessor der Steuervorrichtung realisiert werden. Dies ist insoweit vorteilhaft, da durch eine Softwareinstallation auch bereits vorhandene Steuervorrichtungen und Steuersequenzermittlungsvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nachgerüstet werden können. Die Erfindung umfasst daher auch ein Computerprogrammprodukt, welches direkt in einem Prozessor einer programmierbaren Steuervorrichtung einer medizintechnischen bildgebenden Anlage, beispielsweise eines Magnetresonanzsystems ladbar ist mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in der Steuervorrichtung ausgeführt wird.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können.
Vorzugsweise setzt sich ein schichtselektiver Anregungspuls zusammen aus einem Hochfrequenz-Puls, dessen Form eine Schichtdicke der angeregten Schicht und eine Abgrenzungsgenauigkeit oder Kantenschärfe zwischen der angeregten Schicht und einem nicht angeregten Bereich vorgibt, und einem Gradientensignal, das eine Schichtebene vorgibt. Durch Wahl der Form des Hochfrequenz-Pulses ist eine gute Begrenzung der Schicht erreichbar. Das Gradientensignal, insbesondere die Steigung des Gradientensignals, gibt in Kombination mit dem Hochfrequenz-Puls die Schichtebene vor.
Magnetresonanzsysteme haben Gradientenspulen in x-, y- und z-Richtung. Durch ein Zusammenschalten verschiedener Gradientenspulen ist ein Gradientensignal in jeder beliebigen Raumrichtung möglich. In Kombination mit einem Hochfrequenz-Puls ist damit eine selektive Anregung einer Schicht möglich, die beliebig im Raum liegt und eine wählbare Schichtdicke aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Hochfrequenz-Puls ein sinc-Puls. Sinc-Pulse haben den Vorteil einer guten Kantenschärfe, d. h. einer hohen Selektivität.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird nach dem vierten schichtselektiven Anregungspuls ein Refokussierungspuls für eine dritte Schicht ausgespielt, die sich mit der ersten Schicht und der zweiten Schicht überschneidet. Refokussierungspulse sind ebenso bekannt wie die Tatsache, dass nur ein angeregter Spin refokussiert werden kann. Der Refokussierungspuls in einer dritten Schicht wirkt sich also nur auf den verbliebenen magnetisierten Bereich aus und schneidet aus diesem in einer dritten Richtung wiederum einen Bereich aus. Damit wirkt die Anregung selektiv in drei Raumrichtungen. Es ist eine 3D-Magnetisierung möglich.
Vorzugsweise umfassen die schichtselektiven Anregungspulse Hochfrequenz-Pulse, die jeweils eine Amplitude und eine Phase aufweisen. Amplitude und Phase werden dabei so optimiert, dass nach Ausspielen der Pulssequenz eine Differenz zwischen einer gesamten angeregten Magnetisierung und einer Magnetisierung im Überschneidungsbereich der ersten und zweiten bzw. der ersten, zweiten und dritten Schicht minimiert wird. Wird die Differenz zwischen der gesamten angeregten Magnetisierung und der Magnetisierung im Überschneidungsbereich zu null, so bedeutet dies, dass nur noch der angeregte Zielbereich magnetisiert ist. Dann haben der dritte schichtselektive Anregungspuls und der vierte schichtselektive Anregungspuls die erste Magnetisierung vollkommen aufgehoben, d. h. die Spins sind außerhalb des Überschneidungsbereich wieder im Gleichgewichtszustand. Erschwert wird diese Neutralisierung dadurch, dass die Magnetisierung abhängig ist von Schwankungen im lokalen Magnetfeld, d. h. sowohl von Schwankungen im Grundmagnetfeld B₀ als auch von Schwankungen im hochfrequenten Magnetfeld B₁abhängt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird vor der Optimierung eine tatsächliche Verteilung eines B₁-Feldes bestimmt bzw. die tatsächliche Verteilung des B₁-Feldes ist bereits bekannt, und die Optimierung berücksichtigt die B₁-Verteilung. Sogenannte B₁-Karten machen eine Aussage über die Selektivität der Hochfrequenzantenne oder -antennen. Antennen sind keine idealen Strahler. Sie haben eine bestimmte Richtcharakteristik oder Abstrahlcharakteristik, die die B₁-Feldverteilung bestimmt.
In einer Weiterbildung wird vor der Optimierung auch eine tatsächliche Verteilung eines B₀-Feldes bestimmt oder diese Verteilung des B₀-Feldes ist bereits aus vorangegangenen Messungen bekannt. Die Optimierung berücksichtigt dann die B₀-Verteilung.
Das Minimierungsproblem gemäß Gleichung (4) benötigt eine Angabe der Magnetisierung in Abhängigkeit von der Amplitude und der Phase M(A, phi). Nach der Bloch-Gleichung (2) ergibt sich M aus dem gyromagnetischen Verhältnis und dem magnetischen Feld B. Das magnetische Feld B geht hier ein über die Gleichung:

k: ist dabei ein Index für verschiedene Sendekanäle,
B_1,k: ist das indizierte B₁-Feld, d. h. das B₁-Feld der k-ten Antenne,
A_k: ist die komplexe Amplitude über den k-ten Hochfrequenz-Puls der Pulssequenz, und
∆B₀: berücksichtigt die B₀-Karten.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren in einem Magnetresonanzsystem angewandt, das eine Sende-Antennenanordnung aufweist, die eine Mehrzahl von unabhängigen Hochfrequenz-Sendekanälen umfasst. Wenigstens zwei der Hochfrequenz-Sendekanäle spielen parallel unabhängige Pulssequenzen aus, die jeweils erste, zweite, dritte und vierte schichtselektive Anregungspulse umfassen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch mit einer Einzelantenne möglich. Die Verwendung eines Antennen-Arrays, d. h. einer Sendeantennen-Anordnung mit mehreren Einzelantennen, führt jedoch zu einer deutlichen Qualitätserhöhung, d. h. zu einer besseren Selektivität bei der Bestimmung des anzuregenden Volumens.
Bevorzugt berücksichtigt die erfindungsgemäße Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung beim HF-Puls-Optimierungsverfahren eine B₁-Karte eines Hochfrequenz-Sendekanals oder B₁-Karten einer Mehrzahl für eine Aussendung der Pulssequenz zu verwendende Hochfrequenz-Sendekanäle. Damit wird die Selektivität und die Eigenart jeder einzelnen Sendeantenne berücksichtigt und die Abstimmung kann feiner erfolgen. Ziel ist es in jedem Fall, mit dem dritten und dem vierten schichtselektiven Anregungspuls eine möglichst vollständige Rückführung der angeregten Spins in den Gleichgewichtszustand zu erreichen.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Magnetresonanzsystems,
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Pulssequenz,
3 einen schematischen Querschnitt durch ein Untersuchungsobjekt mit einer nach einem ersten Anregungspuls magnetisierten Schicht,
4 einen schematischen Querschnitt durch ein Untersuchungsobjekt mit einer nach einem zweiten Anregungspuls magnetisierten Schicht,
5 einen schematischen Querschnitt durch ein Untersuchungsobjekt mit einer nach einem dritten Anregungspuls magnetisierten Schicht,
6 einen schematischen Querschnitt durch ein Untersuchungsobjekt mit einer nach einem vierten Anregungspuls magnetisierten Bereich,
7 einen schematischen Querschnitt durch ein Untersuchungsobjekt mit einem nach einem vierten Anregungspuls magnetisierten Bereich bei einer anderen Schichtorientierung,
8 eine schematische Darstellung von B1-Karten für vier verschiedene Hochfrequenz-Sendespulen,
9 eine schematische Darstellung von virtuellen B1-Karten für eine Hochfrequenz-Sendespule,
10 eine schematische Darstellung der Bloch-Kugel.
1 zeigt eine schematische Blockdarstellung eines Magnetresonanztomographiesystems 100 auch kurz Magnetresonanzsystem genannt. Ein zentrales Teil des Magnetresonanztomographiesystems 100 ist ein üblicher Scanner 101, in dem in einem Messraum 102 (üblicherweise auch „Patiententunnel“ genannt) ein in 1 nicht dargestellter Patient oder Proband für eine Untersuchung auf einer Liege 103 positionierbar ist.
Der Scanner 101 weist ein Grundmagnetfeldsystem auf, um im Messraum 102 ein Grundmagnetfeld anzulegen, sowie ein Gradientenspulensystem 113, über das eine Pulsfolge von Magnetfeldgradientenpulsen gemäß einem vorgegebenen Messprotokoll ausgegeben werden kann. Passend dazu können über eine Hochfrequenz-Sendeantennenanordnung 104a bis 104d Hochfrequenzpulse zur Anregung von Kernspins in einem zu untersuchenden Bereich des Untersuchungsobjekts ausgesendet werden. Bei der Antennenanordnung 104a bis 104d kann es sich beispielsweise, wie hier dargestellt, um eine Bodycoil handeln oder um eine lokale Sendespulenanordnung. In der hier dargestellten Ausführungsform ist die Bodycoil als Käfigantenne ausgebildet und in vier Einzelantennen aufgetrennt. Eine derartige Sendeantennenanordnung mit mehreren Einzelantennen 104a, 104b, 104c und 104d, die parallel Hochfrequenzsendepulse aussenden können, wird auch Antennenarray genannt.
Von der Antennenanordnung 104a bis 104d können auch die Magnetresonanzsignale, welche durch eine Relaxation der angeregten Kernspins entstehen, aufgefangen werden. Hierfür können aber auch getrennte Antennen vorgesehen sein.
Angesteuert wird der Scanner 101 von einer Steuervorrichtung 106 des Magnetresonanzsystems 100. Diese weist verschiedene Schnittstellen auf. Hierzu zählt unter anderem eine Hochfrequenzsendeschnittstelle 108, über die gewünschte Hochfrequenzpulse über wenigstens einen Hochfrequenzsendekanal in die Antennenanordnung 104a bis 104d eingespeist werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind vier Hochfrequenz-Sendekanäle 112a bis 112d vorgesehen, die jeweils an eine der Sendeantennen 104a bis 104d gekoppelt sind.
Eine Gradientensendeschnittstelle 114 der Steuervorrichtung 106 ist mit der Gradientenspulenanordnung 113 im Scanner 101 verbunden. Über die Gradientensendeschnittstelle 114 werden Gradientensignale in die Gradientenspulenanordnung 113 eingespeist. Die Gradientensignale bewirken eine örtlich begrenzte Änderung des Grundmagnetfeldes. Die Gradientenspulenanordnung 113 umfasst hierfür eine Gradientenspule für ein Gradientenfeld in x-Richtung, eine Gradientenspule für ein Gradientenfeld in y-Richtung und eine Gradientenspule für ein Gradientenfeld in z-Richtung, wobei üblicherweise die z-Richtung in Längsrichtung des Patiententunnels 102 weist. Derartige Gradientenspulenanordnungen sind bekannt und müssen daher nicht näher erläutert werden. Sie ermöglichen eine örtliche Magnetfeldänderung in jede beliebige Raumrichtung.
Außerdem weist die Steuervorrichtung 106 eine Magnetresonanzsignal-Empfangsschnittstelle 107 auf, die von der zum Empfang verwendeten Antennenanordnung die Magnetresonanzsignale als Rohdaten übernimmt, verarbeitet und dann an eine Rekonstruktionseinheit 109 übergibt, welche in üblicher Weise auf Basis der Rohdaten die Bilddaten rekonstruiert. Die Bildrekonstruktion ist nicht wichtig für das Verständnis der vorliegenden Erfindung und wird daher hier nicht näher erläutert.
An die Steuervorrichtung 106 ist ein Terminal 110 angeschlossen, über welches ein Bediener die Steuervorrichtung 106 und somit das gesamte Magnetresonanztomographiesystem 100 bedienen kann.
Über weitere Schnittstellen können andere Komponenten des Scanners 101, beispielsweise das Grundfeldmagnetsystem, die Liege 103 etc. von der Steuervorrichtung 106 angesteuert werden. All diese Komponenten sind dem Fachmann aber bekannt und daher in 1 nicht näher dargestellt. Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass das Magnetresonanztomographiesystem noch eine Vielzahl weiterer Komponenten, wie zum Beispiel Schnittstellen an bestimmte Netzwerke, aufweisen kann, die dem Fachmann ebenso wie die grundsätzliche Funktionsweise eines Magnetresonanztomographiesystems bekannt sind und daher nicht weiter erläutert werden müssen.
Die Steuervorrichtung 106 weist ferner eine Steuersequenzermittlungsvorrichtung 111 mit einer HF-Puls-Optimierungseinheit 115 auf. Die Steuersequenzermittlungsvorrichtung 111 ist im Ausführungsbeispiel Teil der Steuervorrichtung 106, sie kann aber auch getrennt von der Steuervorrichtung und auch getrennt vom Magnetresonanzsystem 100 ausgeführt sein.
Die Steuersequenzermittlungsvorrichtung 111 hat eine Eingangsschnittstelle 116, in die beispielsweise über das Terminal 110 Vorgaben wie eine Ziel-Magnetisierung eingegeben werden können. Die Steuersequenzermittlungsvorrichtung 111 hat ferner eine Steuersequenzausgabe-Schnittstelle 117, an der Daten bezüglich Amplitude und Phase der auszugebenden HF-Pulse an die Hochfrequenzsendeschnittstelle 108 ausgegeben werden können.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Pulssequenz, wie sie erfindungsgemäß zur Ansteuerung des Magnetresonanzsystems 100 dient. In einem Graphen 1 ist eine Spannung über der Zeit in willkürlichen Einheiten aufgetragen und Hüllkurven von Hochfrequenz-Pulsen, wie sie an die Sendeantennen 104a bis 104d ausgegeben werden, eingezeichnet. Die Pulssequenz umfasst einen ersten Hochfrequenz-Puls 11, einen zweiten Hochfrequenz-Puls 12, einen dritten Hochfrequenz-Puls 13 sowie einen vierten Hochfrequenz-Puls 14. Die Pulse 11, 12, 13 und 14 einer Sequenz werden zeitlich nacheinander an einer Antenne ausgespielt. Bei einer Hochfrequenz-Sendespulenanordnung 104a bis 104d, wie in 1 dargestellt, wird an jeder Spule eine Pulssequenz, umfassend vier Hochfrequenz-Pulse, ausgespielt.
Die Hochfrequenz-Pulse werden gleichzeitig mit Gradientensignalen ausgespielt, die in den darunter liegenden Graphen 2 und 3 dargestellt sind. Im Graph 2 ist wiederum eine Spannung über der Zeit in willkürlichen Einheiten dargestellt. Im Ausführungsbeispiel werden die Gradientensignale 21 und 23 über die Gradientenspulen, die ein Gradientenfeld in x-Richtung erzeugen, ausgespielt. Während des Hochfrequenz-Pulses 11 liegt das Gradientensignal 21 an der x-Gradientenspulenanordnung an. Während des Hochfrequenz-Pulses 12 liegt kein Gradientensignal in x-Richtung an. Während des Hochfrequenz-Pulses 13 liegt ein Gradientensignal 23 an den x-Gradientenspulen an. Während des Ausspielens des Hochfrequenz-Pulses 14 gibt es kein Gradientensignal in x-Richtung.
In einem Graph 3 ist die Spannung über der Zeit in willkürlichen Einheiten aufgetragen. Im Graph 3 sind die Gradientensignale in y-Richtung angegeben. Während des Ausspielens des Hochfrequenz-Pulses 12 liegt in y-Richtung ein Gradientensignal 32 an und während des Ausspielens des Hochfrequenz-Pulses 14 liegt ein Gradientensignal 34 an. Während des Ausspielens der Hochfrequenz-Pulse 12 und 14 gibt es keine Gradientensignale in y-Richtung.
Kurze Gradientenpulse 20 und 30 in den zeitlichen Zwischenräumen zwischen den einzelnen Hochfrequenzpulsen sind sogenannte Rewinder-Pulse, um ins k-Raumzentrum zurückzukehren.
Rewinder-Pulse werden benötigt, um den folgenden HF Puls oder einen Signalauslesezug in einem definierten Zustand zu beginnen. Ein Rewinder-Puls rephasiert ein Signal welches zuvor von einem Schichtselektionsgradienten dephasiert wurde.
Insgesamt bildet während einer Zeitspanne ∆t₁ der Hochfrequenz-Puls 11 zusammen mit dem Gradientensignal 21 einen ersten schichtselektiven Anregungspuls in x-Richtung. Der Hochfrequenz-Puls 12 bildet zusammen mit dem Gradientensignal 32 während der Zeitspanne ∆t₂ einen zweiten schichtselektiven Anregungspuls in y-Richtung. Der Hochfrequenz-Puls 13 bildet zusammen mit dem Gradientensignal 23 während der Zeitspanne ∆t₃ einen dritten schichtselektiven Anregungspuls in x-Richtung. Der Hochfrequenz-Puls 14 bildet zusammen mit dem Gradientensignal 34 während der Zeitspanne ∆t₄ einen vierten schichtselektiven Anregungspuls in y-Richtung.
Die Länge der schichtselektiven Anregungspulse ist typischerweise zwischen 1 und 3 ms, kann aber in speziellen Fällen auch größer oder kleiner sein.
Anhand der 3 bis 6 sollen nachfolgend die Auswirkungen einer ausgespielten Pulssequenz gemäß 2 näher betrachtet werden. In den 3 bis 6 ist jeweils ein Querschnitt durch einen Untersuchungskörper 40 dargestellt. Zur Erläuterung der Wirkungsweise kann es sich bei dem Untersuchungsobjekt um ein kugelförmiges Phantom handeln, selbstverständlich kann dieser Querschnitt ein Querschnitt durch einen menschlichen Körper darstellen. Der Untersuchungskörper 40 soll sich im Patiententunnel 102 des Scanners 101 befinden. Aufgrund des dort anliegenden Grundmagnetfeldes sind die Kernspins im Untersuchungskörper 40 in z-Richtung ausgerichtet. In den 3 bis 6 ist die z-Richtung senkrecht zur Zeichenblattebene. In z-Richtung orientierte Kernspins 42 sind durch Punkte rein schematisch angedeutet.
3 zeigt einen Magnetisierungszustand des Untersuchungskörpers 40 nach dem Ausspielen des ersten Hochfrequenz-Pulses 11 zusammen mit dem Gradientensignal 21. Das Gradientensignal 21 bewirkt eine Selektion in x-Richtung. Der Hochfrequenz-Puls 11 ist so gewählt, dass ein Flipwinkel von 90° erreicht wird. Aus dem Zusammenspiel aus Gradientensignal 21 und Hochfrequenz-Puls 11 ergibt sich eine Schichtdicke d. Die Form des Hochfrequenz-Pulses bestimmt eine sogenannte Kantenschärfe, das heißt den Übergangsbereich zwischen einem magnetisierten Bereich und einem nichtmagnetisierten Bereich. Für eine gute Kantenschärfe kann der Hochfrequenz-Puls 11 ein sinc-Puls sein. Es wird hier eine Schicht 41 magnetisiert, die in 3 als schraffierter Bereich dargestellt ist.
Der durch Hochfrequenz-Puls 11 und Gradientensignal 21 gebildete schichtselektive Anregungspuls in x-Richtung hat damit die Kernspins innerhalb der Schicht 41 um 90° aus der Ruhelage ausgelenkt. Der Hochfrequenz-Puls 11 hat eine Phase von 0°. Die Phase definiert hierbei die Richtung der Drehachse und damit die Richtung des B1 Feld Vektors. Hierbei ist willkürlich 0° Phase mit einer Drehachse in die y-Richtung identifiziert. Entsprechend zeigt die Drehachse bei 90° Phase dann in die x-Richtung und bei 180° Phase in die y-Richtung.
Damit weist der B1 Feld Vektor in y-Richtung. Durch diese Drehung um die y-Achse erfolgt eine Magnetisierung in x-Richtung. Die Kernspins 43 sind in der magnetisierten Schicht 41 in x-Richtung orientiert, wie durch Pfeile angedeutet.
Anhand der in 10 abgebildeten Bloch-Kugel, die eine Darstellung der Bloch-Gleichung ermöglicht, soll die erfolgte Kippung oder Verdrehung der Kernspins noch mal erläutert werden. Die Bloch-Kugel 60 ist in 10 als Kreis dargestellt, auf der Bloch-Kugel erfolgen die Bewegungen der Kernspins beim Verkippen. Es ist zu beachten, dass in 10 die z-Achse über der x-Achse dargestellt ist, es ist also eine andere Darstellung als in 3 bis 7 gewählt. Ein Kernspin 61 ist in der Ruhelage, bzw. in der Gleichgewichtslage, das heißt, er ist aufgrund des äußeren Grundmagnetfeldes B₀ in z-Richtung ausgerichtet. Das Anlegen des ersten schichtselektiven Anregungspulses 11, 21 bewirkt eine Drehung um die y-Achse, die in 10 senkrecht auf der Zeichenebene steht. Ein 90°-Flipwinkel bewirkt dann eine Drehung in eine Kernspin Position 62 in x-Richtung.
4 zeigt den Zustand des Untersuchungskörpers 40 nach Ausspielen des zweiten Hochfrequenz-Pulses 12 gleichzeitig mit dem Gradientensignal 32. Der so gebildete zweite schichtselektive Anregungspuls in y-Richtung hat eine Schicht 44 magnetisiert, die als schraffierter Bereich gezeigt ist. Für das Zusammenwirken von Gradientensignal 32 und Hochfrequenz-Puls 12 gilt das oben in Bezug auf 3 Gesagte.
Der zweite schichtselektive Anregungspuls 12, 32 ist ebenfalls für einen Flipwinkel von 90° ausgelegt. Er hat im Gegensatz zum ersten schichtselektiven Anregungspuls eine Phase von 90° und bewirkt dadurch eine Drehung der Kernspins um eine Drehachse in x-Richtung. Damit werden die Kernspins 46 in der Schicht 44, die gemäß 3 noch in z-Richtung ausgerichtet waren, in y-Richtung verdreht, was durch Pfeile angedeutet ist. In einem Bereich 45, der den Überschneidungsbereich aus der Schicht 41 und der Schicht 44 bezeichnet, werden die Kernspins von dem Anregungspuls 12, 32 nicht beeinflusst, da sie in x-Richtung ausgerichtet sind. Das kann man sich wiederum anhand der 10 klar machen. Der in x-Richtung ausgerichtete Kernspin 62 ändert bei einer Drehung um die x-Achse seine Position und Ausrichtung nicht.
In 4 sind also alle Kernspins im schraffierten Bereich um 90° aus der Ruheposition ausgelenkt. Während die Kernspins 43 in der Schicht 41 einschließlich des Überschneidungsbereiches 45 in x-Richtung zeigen, zeigen die Kernspins 46 in der Schicht 44 mit Ausnahme des Überschneidungsbereiches 45 in y-Richtung. Außerhalb der schraffierten Bereiche, das heißt außerhalb der Schichten 41 und 44 sind die Spins 42 in Ruheposition entlang der z-Achse, was durch Punkte angedeutet ist. Der Auslenkungswinkel von 90° ist in allen schraffierten Bereichen gleich.
Die Kernspins 43, 46 in den Schichten 41 und 44 sind aus ihrer Gleichgewichtslage ausgelenkt, sie sind verkippt. Wesentlich für das Verständnis der Erfindung ist der Überschneidungsbereich 45, der sowohl durch den schichtselektiven Anregungspuls 11, 21 in x-Richtung als auch durch den schichtselektiven Anregungspuls 12, 32 in y-Richtung erfasst wird. Da nach dem Ausspielen des ersten schichtselektiven Anregungspulses die Kernspins 43 bereits ausgelenkt sind, und zwar in Richtung der x-Achse, welche für den zweiten schichtselektiven Anregungspuls die Drehachse bildet, ist der zweite schichtselektive Anregungspuls auf diese Kernspins ohne Auswirkung. Der Überschneidungsbereich 45 ist also nicht etwa „doppelt magnetisiert“, sondern die Kernspins in diesem Bereich haben die gleiche Verkippung um 90°, wie die Kernspins in den Bereichen 41 und 44. Damit haben sie die gleiche Hochfrequenzenergie aufgenommen.
An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, dass die Pulssequenz aus 2 nur in zwei Raumrichtungen selektiv ist. Die Darstellung in den 3 bis 6 zeigt einen Querschnitt. Die magnetisierten Bereiche erstrecken sich jeweils in z-Richtung, die Richtung, die aus der Zeichnungsebene herausragt.
5 zeigt einen Magnetisierungszustand des Untersuchungsobjekts 40 nach dem Ausspielen des dritten schichtselektiven Anregungspulses, bestehend aus dem Hochfrequenz-Puls 13 und dem Gradientensignal 23. Das Gradientensignal 23 ist so gewählt, dass die gleiche Schicht wie beim Ausspielen des ersten schichtselektiven Anregungspulses selektiert wird. Die Stärke, d. h. die Amplitude der Hochfrequenz-Pulse 11, 12, 13 und 14, ist jeweils so gewählt, dass der gleiche Flipwinkel, im Ausführungsbeispiel ein 90°-Flipwinkel, erreicht wird. Die Hochfrequenz-Pulse unterscheiden sich jedoch in ihrer Phase.
Der Hochfrequenz-Puls 13 hat eine Phase von 180°. Diese Phase bewirkt, dass die Drehachse in die negative y-Richtung zeigt. Die Kernspins, die nach Ausspielen des zweiten schichtselektiven Anregungspulses in x-Richtung zeigen, werden um 90° zurückgedreht, da die Drehachse in die negative y-Richtung zeigt. Da es sich bei dem dritten Anregungspuls um einen schichtselektiven Anregungspuls in x-Richtung handelt, werden die Kernspins 43 der Schicht 41, einschließlich des Überschneidungsbereichs 45 wieder in die z-Richtung zurückgedreht, was durch Punkte angedeutet ist. Sie befinden sich damit in der Ausgangslage, und die Schicht 41 weist keine Magnetisierung mehr auf.
6 zeigt die Magnetisierung im Untersuchungsobjekt 40 nach dem Ausspielen des vierten schichtselektiven Anregungspulses. Der Hochfrequenz-Puls 14 ist so gewählt, dass ein Flipwinkel von 90° erreicht wird. Die Phase des Hochfrequenz-Pulses 14 beträgt – 90°. Das bedeutet eine Drehachse in negativer x-Richtung. Die in der Schicht 44 mit Ausnahme des Überschneidungsbereichs 45 nach dem Ausspielen des dritten schichtselektiven Anregungspulses in y-Richtung zeigenden Kernspins 46 werden um die x-Achse um 90°, d. h. in die Ruhelage, gedreht. Die sich im Überschneidungsbereich 45 bereits in der Ruhelage befindenden Kernspins werden durch die Drehung jedoch auf 90° gedreht.
Im Ergebnis sind nach Ausspielen aller vier Pulse die Kernspins in den Schichten 41 und 44 mit Ausnahme des Überschneidungsbereichs 45 in Ruheposition. Im Überschneidungsbereich 45 der zwei Schichten 41 und 44 ist eine selektive Magnetisierung erreicht.
Nach Ausspielen einer erfindungsgemäßen Pulssequenz ist damit eine Magnetisierung nur im gewünschten Anregungsbereich gegeben.
7 zeigt ebenfalls einen Querschnitt durch das Untersuchungsobjekt 40. Dargestellt ist der angeregte Überschneidungsbereich 45 nach dem Ausspielen einer vollständigen Pulssequenz. Im Gegensatz zu den 3 bis 6 wurden andere Schichten selektiert. Insbesondere stehen die Schichten 41 und 44 nicht senkrecht aufeinander. Damit hat der Überschneidungsbereich keinen rechtwinkligen Querschnitt. Die Wahl der Schichten kann an das Untersuchungsobjekt, d. h. an das gewünschte FOX, frei angepasst werden. Im Ausführungsbeispiel der 7 schließen die Schichten 41 und 44 einen Winkel α ein. Entscheidend ist lediglich, dass es einen Überschneidungsbereich der beiden Schichten gibt.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichte Selektivität hängt zum einen von der Auswahl des schichtselektiven Anregungspulses, insbesondere der Form des Hochfrequenz-Pulses, ab. Es ist bekannt, dass sich hierfür Sinc-Pulse besonders gut eignen. Die erreichbare Selektivität ist aber auch stark von Inhomogenitäten im B₀- und B₁-Feld beeinflusst. Sie ist um so besser, je vollständiger durch den dritten und der vierten schichtselektive Anregungspuls ein Zurückkippen der Kernspins in die Ausgangslage erreicht wird. Hierfür ist eine HF-Puls-Optimierungseinheit vorgesehen, mit der ein Minimierungsproblem gelöst wird. Vorgegeben wird als Ziel-Magnetisierung die gewünschte Magnetisierung in dem gewünschten FOX 45. Wie anhand der 3 bis 6 erläutert, ist die grundsätzliche Pulsreihenfolge innerhalb der Pulssequenz vorgegeben. Eine optimierte Bestimmung der Amplitude und Phase der Hochfrequenz-Pulse kann Inhomogenitäten im B₁- und B₀-Feld berücksichtigen. Hierfür wird in der HF-Puls-Optimierungseinheit das B₁-Feld anhand von B₁-Karten berücksichtigt.
8 zeigt derartige B₁-Karten 51, 52, 53 und 54. Ein Kreis 50 zeigt die Begrenzung des Untersuchungsobjektes 40. Die Karte 51 zeigt das B₁-Feld, das durch die Antenne 104d hervorgerufen wird, die Karte 52 zeigt das B₁-Feld, hervorgerufen durch Antenne 104c, die Karte 53 zeigt das B₁-Feld, wie es von der Sendeantenne 104b hervorgerufen wird und die Karte 54 zeigt das B₁-Feld, hervorgerufen durch die Antenne 104a. Linien 55 deuten dabei den Verlauf der Feldlinien an. B₁-Karten als solche sind bekannt, sie erlauben eine Aussage über die Richtcharakteristik und die Strahleigenschaften der Sendeantennen.
Ist der Zielbereich, d. h. das FOX, bestimmt, werden aus den B₁-Karten 51 bis 54 sog. virtuelle B₁-Karten erstellt. Beispielhaft ist in 9 eine virtuelle B₁-Karte 56 dargestellt, die aus der B₁-Karte 52 für die Antenne 104c erstellt wurde. Diese virtuelle B₁-Karte dient für einen schichtselektiven Puls in x-Richtung, d. h. nur der Feldanteil, der in die selektierte Schicht fällt, ist dargestellt. Entsprechend gilt die virtuelle B₁-Karte 57 ebenfalls für die Antenne 104c und ist ebenfalls aus der B₁-Karte 52 hervorgegangen. Im Unterschied zur virtuellen B₁-Karte 56 ist die virtuelle B₁-Karte 57 für den Fall der schichtselektiven Anregung in y-Richtung.
Der nicht-lineare Optimierungsprozess berechnet Amplitude und Phase jedes Pulses für jeden einzelnen Kanal gemäß der Gleichung (4). Durch das Festlegen eines anzuregenden Bereiches und einer gewünschten Kantenschärfe oder Selektivität und einer Anzahl der Pulse unter Berücksichtigung der Pulssequenzgesamtdauer ist das Gleichungssystem vollständig definiert. Die erreichten einfachen und kurzen Pulse 11 bis 14 sind wenig anfällig für Artefakte. Die Kantenschärfe wird durch die Hochfrequenz-Pulsform definiert und kann leicht auf Kosten von SAR (Spezifische Absorptionsrate) verbessert oder zugunsten von SAR verschlechtert werden.
Für das Optimierungsprogramm kann ein Levenberg-Marquardt-Solver für nicht-lineare Gleichungssysteme genutzt werden.
Die Abfolge der Gradientenrichtungen kann gewechselt werden. Insbesondere kann in der Optimierungseinheit berechnet werden, welche Reihenfolge die geringste Abweichung zum Ziel liefert.
Auch wenn das Ausführungsbeispiel anhand von einer Pulssequenz mit vier Pulsen erläutert wurde, ist das nicht einschränkend zu verstehen. Eine größere Anzahl von Pulsen erhöht die Selektivität, da mehr Einstellmöglichkeiten, d. h. mehr Freiheitsgrade, gegeben sind. Ein Nachteil kann sein, dass die Gesamtdauer der Pulssequenz damit länger wird, womit ein größerer Einfluss durch zeitliche Inhomogenitäten des B₀-Feldes und des B₁-Feldes, beispielsweise durch Patientenbewegung, gegeben ist.
Auch die Angabe eines Flipwinkels von 90° ist nicht einschränkend zu verstehen. Andere Flipwinkel sind möglich, es muss nur eine Abstimmung zwischen Drehachsen und Flipwinkeln gegeben sein, damit der dritte und vierte Anregungspuls, und möglicherweise weitere Anregungspulse, die Kernspins außerhalb des FOX wieder in die Gleichgewichtslage zurückdrehen.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen angeregten Schichten und Pulsfolgen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließen die Begriff „Einheit“ und „Modul“ nicht aus, dass die betreffenden Komponenten aus mehreren zusammenwirkenden Teil-Komponenten bestehen, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
Bezugszeichenliste

1: Graph
2: Graph
3: Graph
11: Hochfrequenz-Puls
12: Hochfrequenz-Puls
13: Hochfrequenz-Puls
14: Hochfrequenz-Puls
20: Gradientenpuls
21: Gradientensignal
23: Gradientensignal
30: Gradientenpuls
32: Gradientensignal
34: Gradientensignal
40: Untersuchungskörper
41: Schicht
42: Kernspin
43: Kernspin
44: Schicht
45: Überschneidungsbereich
46: Kernspin
50: Kreis
51: B₁-Karte
52: B₁-Karte
53: B₁-Karte
54: B₁-Karte
55: Feldlinien
56: virtuelle B₁-Karte
57: virtuelle B₁-Karte
60: Bloch-Kugel
61: Kernspin
62: Kernspin Position
100: Magnetresonanztomographiesystems
101: Scanner
102: Messraum
103: Liege
104a: Hochfrequenz-Sendeantennenanordnung
104b: Hochfrequenz-Sendeantennenanordnung
104c: Hochfrequenz-Sendeantennenanordnung
104d: Hochfrequenz-Sendeantennenanordnung
106: Steuervorrichtung
107: Magnetresonanzsignal-Empfangsschnittstelle
108: Hochfrequenzsendeschnittstelle
109: Rekonstruktionseinheit
110: Terminal
111: Steuersequenzermittlungsvorrichtung
112a: Hochfrequenz-Sendekanäle
112b: Hochfrequenz-Sendekanäle
112c: Hochfrequenz-Sendekanäle
112d: Hochfrequenz-Sendekanäle
113: Gradientenspulensystem
114: Gradientensendeschnittstelle
115: HF-Puls-Optimierungseinheit
116: Eingangsschnittstelle
117: Steuersequenzausgabe-Schnittstelle
∆t₁: Zeitspanne
∆t₂: Zeitspanne
∆t₃: Zeitspanne
∆t₄: Zeitspanne
d: Schichtdicke
t: Zeit
U: Spannung
x: x-Achse
y: y-Achse
z: z-Achse

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

Pauly et al. „k-space analyses of small-tip-angle excitation“ NRN, 81: 43–56, 1989 [0015]

Claims

Verfahren zur Ansteuerung eines Magnetresonanzsystems (100), wobei eine Pulssequenz ausgespielt wird, die zumindest folgende Pulse umfasst: – ein erster schichtselektiver Anregungspuls (11, 21), der eine erste Schicht (41) mit einer ersten Magnetisierung anregt; – ein zweiter schichtselektiver Anregungspuls (12, 32), der eine zweite Schicht (44) mit einer zweiten Magnetisierung anregt, die so ausgelegt ist, dass sie die erste Magnetisierung im Wesentlichen unbeeinflusst lässt; – ein dritter schichtselektiver Anregungspuls (13, 23), der die erste Schicht (41) mit einer die erste Magnetisierung im Wesentlichen aufhebenden dritten Magnetisierung anregt; – ein vierter schichtselektiver Anregungspuls (14, 34), der die zweite Schicht (44) mit einer vierten Magnetisierung anregt, die die zweite Magnetisierung im Wesentlichen aufhebt; wobei sich die erste Schicht (41) und die zweite Schicht (44) überschneiden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich ein schichtselektiver Anregungspuls zusammensetzt aus einem Hochfrequenzpuls (11, 12, 13, 14), dessen Form eine Schichtdicke der angeregten Schicht und eine Abgrenzungsgenauigkeit (Kantenschärfe) zwischen der angeregten Schicht und einem nicht angeregten Bereich vorgibt, und einem Gradientensignal (21, 23, 32, 34), das eine Schichtebene vorgibt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Hochfrequenzpuls (11, 12, 13, 14) ein sinc-Puls ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei nach dem vierten schichtselektiven Anregungspuls (14, 34) ein Refokussierungspuls für eine dritte Schicht ausgespielt wird, die sich mit der ersten Schicht (41) und der zweiten Schicht (44) überschneidet.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die schichtselektiven Anregungspulse Hochfrequenzpulse (11, 12, 13, 14) umfassen, die jeweils eine Amplitude und eine Phase aufweisen, und Amplitude und Phase so optimiert werden, dass nach Ausspielen der Pulssequenz eine Differenz zwischen einer gesamten angeregten Magnetisierung und einer Magnetisierung im Überschneidungsbereich (45) der ersten Schicht (41) und zweiten Schicht (44), bzw. der ersten, zweiten und dritten Schicht minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei vor der Optimierung eine tatsächliche Verteilung eines B₁-Feldes bestimmt ist oder wird und die Optimierung die B₁-Verteilung berücksichtigt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei vor der Optimierung eine tatsächliche Verteilung eines B₀-Feldes bestimmt ist oder wird und die Optimierung die B₀-Verteilung berücksichtigt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Magnetresonanzsystem (100) eine Sende-Antennenanordnung, die eine Mehrzahl von unabhängigen Hochfrequenz-Sendekanälen (112a, 112b, 112c, 112d) umfasst, aufweist, und wenigstens zwei der Hochfrequenz-Sendekanäle unabhängige Pulssequenzen umfassend erste, zweite, dritte und vierte schichtselektiver Anregungspuls parallel ausspielen.
Steuervorrichtung (106) zur Ansteuerung eines Magnetresonanzsystems (100) mit wenigstens einem Hochfrequenz-Sendekanal (112a, 112b, 112c, 112d), wobei die Steuervorrichtung (106) mit dem wenigstens einen Hochfrequenz-Sendekanal gekoppelt ist und ausgelegt ist, um an den wenigstens einen Hochfrequenz-Sendekanal (112a, 112b, 112c, 112d) ein Ansteuersignal auszugeben, so dass ein erster schichtselektiver Anregungspuls (11, 21), der eine erste Schicht (41) mit einer ersten Magnetisierung anregt, ausgegeben wird; dann ein zweiter schichtselektiver Anregungspuls (12, 32) ausgegeben wird, der eine zweite Schicht (44) mit einer zweiten Magnetisierung anregt, die so ausgelegt ist, dass sie die erste Magnetisierung im Wesentlichen unbeeinflusst lässt; dann ein dritter schichtselektiver Anregungspuls (13, 23) ausgegeben wird, der die erste Schicht (41) mit einer die erste Magnetisierung im Wesentlichen aufhebenden dritten Magnetisierung anregt; und dann ein vierter schichtselektiver Anregungspuls (14, 34) ausgegeben wird, der die zweite Schicht (44) mit einer die erste Magnetisierung im Wesentlichen aufhebenden vierten Magnetisierung anregt, wobei sich die erste Schicht (41) und die zweite Schicht (44) überschneiden.
Magnetresonanztomographiesystem (100) mit einer Steuervorrichtung (106) nach Anspruch 9.
Steuersequenzermittlungsvorrichtung (111) zur Ermittlung einer Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz, welche eine Pulssequenz umfasst, mit einer Eingangs-Schnittstelle (116) zur Erfassung einer Ziel-Magnetisierung, einer HF-Puls-Optimierungseinheit (115), die so ausgebildet ist, dass sie auf Basis einer vorgegebenen Ziel-Magnetisierung und einer nach Anzahl der Pulse und Form der Pulse vorgegebenen Pulssequenz in einem HF-Puls-Optimierungsverfahren Amplituden und Phasen der Pulse berechnet, und einer Steuersequenzausgabe-Schnittstelle (117), wobei die Steuersequenzermittlungsvorrichtung (111) derart ausgebildet ist, dass sie in dem HF-Puls-Optimierungsverfahren ein Modell der Bloch-Gleichungen verwendet, und als Ziel-Magnetisierung eine räumliche Form eines gewünschten Anregungsvolumens vorgegeben ist.
Steuersequenzermittlungsvorrichtung (111) nach Anspruch 11, wobei das HF-Puls-Optimierungsverfahren eine B1 Karte eines oder einer Mehrzahl für eine Aussendung der Pulssequenz zu verwendenden Hochfrequenz-Sendekanäle (112a, 112b, 112c, 112d) berücksichtigt.
Computerprogrammprodukt, welches direkt in einen Prozessor einer programmierbaren Steuervorrichtung (106) eines Magnetresonanzsystems (100) ladbar ist, mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen, wenn das Programm in der Steuervorrichtung (106) ausgeführt wird.