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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Schärfe von Bilddaten eines Magnetresonanzgeräts, ein entsprechendes Computerprogrammprodukt, das die Ausführung eines derartigen Verfahrens ermöglicht, sowie eine Magnetresonanzgerät hierfür.
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Die Magnetresonanztomographie ist ein Untersuchungsverfahren, das eine hochauflösende Abbildung von Schichten einer zu untersuchenden Person ermöglicht. Verschiedene Gewebearten, insbesondere auch Weichteilgewebe, lassen sich mit diesem Verfahren mit hohem Kontrast abbilden. Die Größe des Gesichtsfeldes des Magnetresonanzgeräts, die Abstände zwischen den Schichten, das Signal-Rausch-Verhältnis und die Auflösung der aufgenommenen Bilder sind nur einige der für eine gute Bildqualität ausschlaggebende Parameter. Werden diese Bilder aus einem Kippwinkel heraus aufgenommen, wie es bei der View Angle Tilting(VAT)-Methode (Cho et al., ”Total inhomogeneity correction including chemical shifts and susceptibility by view angle tilting”, Med. Phys. 15, 7, 1988) oder dem ebenfalls schon länger bekannten Wideband MRI-Verfahren (John B. Weaver, ”Simultaneous Multislice Acquisition of MR Images”, Magn. Reson. in Medicine 8, 275–284, 1988) der Fall ist, so entsteht aufgrund dieser Verkippung eine ungewollte Unschärfe in den zugrundeliegenden Aufnahmen.
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Aus
US 2009/0278538 A1 ist ein Verfahren zur Reduzierung von Unschärfen in von Magnetresonanzgeräten erzeugten Bilddaten durch Reduktion des Gesichtsfeldes des Magnetresonanzgeräts, Vergrößerung des Schichtabstandes, Verkleinerung der Pixelbreite oder Vergrößerung der Pixelgröße bekannt, das unter anderem in einer Verkleinerung des Signal-Rausch-Verhältnisses oder in einer Verringerung der effektiven Auflösung resultiert.
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Ferner ist ein Verfahren bekannt (Sinyeob Ahn & Xiaoping P. Hu, ”View Angle Tilting Echo Planar Imaging for Distortion Correction”, Magn. Reson. in Medicine 68, 1211–1219, 2012), das eine Korrektur einer Bildverzerrung beschreibt, die bei der Erstellung von Bilddaten mittels eines Magnetresonanzgeräts auftreten kann. Im Rahmen dieser Korrektur können weitere Bildunschärfen entstehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Korrektur der Unschärfe, wie sie durch Aufnahme von Bildern aus einem Kippwinkel heraus resultiert, bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Diese Aufgabe wird ferner durch ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 11, durch ein computerlesbares Speichermedium nach Anspruch 12, sowie durch ein Magnetresonanzgerät nach Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
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Nachstehend wird die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe in Bezug auf das beanspruchte Verfahren beschrieben. Hierbei erwähnte Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen sind ebenso auch auf die anderen beanspruchten Gegenstände zu übertragen und umgekehrt. Mit anderen Worten: es können die gegenständlichen Ansprüche, die beispielsweise auf ein Gerät gerichtet sind, auch mit den Merkmalen, die in Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben oder beansprucht sind, weitergebildet sein. Die entsprechenden funktionalen Merkmale des Verfahrens werden dabei durch entsprechende gegenständliche Module, insbesondere durch Hardware-Module, ausgebildet.
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Die Erfindung nutzt ein Modell, um die Bildunschärfe, die aus der Aufnahme des Bildes aus einem Kippwinkel heraus resultiert, zu beschreiben und mithilfe eines Faltungskerns zu korrigieren. Dabei werden die für die Bildgebung benutzten Systemparameter, wie z. B. die Pixelgröße, die Schichtdicke oder die Amplitude des Frequenzkodiergradienten und Schichtselektionsgradienten nicht verändert.
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Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Grad der Bildunschärfe mithilfe einer Punktspreizfunktion beschrieben. Diese kann vorgegeben sein, sodass die Berechnung in Echtzeit entfällt.
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In einer weiteren Ausführungsform werden die Parameter für die Beschreibung des Grades der Bildunschärfe aus den Parametern des Scanvorgangs des Magnetresonanzgeräts bestimmt. Dies ermöglicht eine Korrektur der Unschärfe im Signalraum, bevor die eigentliche Bildrekonstruktion stattfindet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kommt bei der Korrektur des Grades der Bildunschärfe ein Projektionsmodell zum Einsatz.
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Erfindungsgemäß ist es auch möglich, die Parameter für die Beschreibung des Grades der Bildunschärfe aus einer Phantommessung zu bestimmen. Dabei werden Bilder von dünnen, z. B. mit Wasser gefüllten Röhren mit und ohne Kippwinkel aufgenommen und daraus der Faltungskern bestimmt. Durch eine derartige Kalibrierung ist es möglich, zusätzliche Randbedingungen wie Inhomogenitäten des Schichterregungsprofils zu berücksichtigen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bestimmte Bereiche des Faltungskerns vorbelegt. Dies erlaubt, mögliche Probleme, wie sie bei der Aufnahme metallischer Gegenstände entstehen, zu vermeiden. Bei der üblichen Vorgehensweise kompensiert dort ein zusätzlicher Gradient Verschiebungen um den metallischen Gegenstand während des Auslesevorgangs mit Verschiebungen in der Ebene der Schichtselektion und die komplette Schicht wird effektiv aus einem Kippwinkel aufgenommen, da eine Selektion mit dieser Kompensationsmethode nicht möglich ist. Innerhalb dieser Regionen erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren jedoch eine selektive Besetzung des Faltungskerns.
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Des Weiteren beschreibt die vorliegende Erfindung ein Computerprogrammprodukt, insbesondere ein Computerprogramm oder eine Software, welche man in einen Speicher einer programmierbaren Steuerung bzw. einer Recheneinheit eines Magnetresonanzgeräts laden kann. Mit diesem Computerprogrammprodukt können alle oder verschiedene vorab beschriebene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Computerprogrammprodukt in der Steuerung oder Steuereinrichtung des Magnetresonanzgeräts läuft. Dabei benötigt das Computerprogrammprodukt eventuell Programmmittel, z. B. Bibliotheken und Hilfsfunktionen, um die entsprechenden Ausführungsformen des Verfahrens zu realisieren. Mit anderen Worten soll mit dem auf das Computerprogrammprodukt gerichteten Anspruch insbesondere ein Computerprogramm oder eine Software unter Schutz gestellt werden, mit welcher eine der oben beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden kann bzw. welche diese Ausführungsform ausführt. Dabei kann es sich bei der Software um einen Quellcode, der noch compiliert und gebunden oder der nur interpretiert werden muss, oder um einen ausführbaren Softwarecode handeln, der zur Ausführung nur noch in die entsprechende Recheneinheit zu laden ist.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein computerlesbares Speichermedium, z. B. eine DVD, ein Magnetband oder einen USB-Stick, auf welchem elektronisch lesbare Steuerinformationen, insbesondere Software gespeichert ist. Wenn diese Steuerinformationen von dem Datenträger gelesen und in eine Steuerung bzw. Recheneinheit eines Magnetresonanzgeräts gespeichert werden, können alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen des vorab beschriebenen Verfahrens durchgeführt werden.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts und des erfindungsgemäßen computerlesbaren Speichermediums sowie des erfindungsgemäßen Magnetresonanzgeräts entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche vorab im Detail ausgeführt sind, weshalb hier auf eine Wiederholung verzichtet wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Magnetresonanzgerätes,
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2 eine schematische Darstellung des Wideband MRI-Verfahrens,
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3 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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4 eine schematische Darstellung einer Bildaufnahme aus einem herkömmlichen Betrachtungswinkel und aus einem Kippwinkel,
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5 ein Beispiel zur Berechnung eines Faltungskerns,
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6 ein zweites Beispiel zur Berechnung eines Faltungskerns,
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7 ein drittes Beispiel zur Berechnung eines Faltungskerns,
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8 ein viertes Beispiel zur Berechnung eines Faltungskerns und
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9 ein fünftes Beispiel zur Berechnung eines Faltungskerns.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Magnetresonanzgerätes 9 (eines Magnetresonanz-Bildgebungs- bzw. Kernspintomographiegeräts). Dabei erzeugt ein Grundfeldmagnet 10 ein zeitlich konstantes starkes Magnetfeld zur Polarisation bzw. Ausrichtung der Kernspins in einem Untersuchungsbereich eines Objekts 11, wie z. B. eines zu untersuchenden Teils eines menschlichen Körpers, welcher auf einem Tisch 12 liegend zur Untersuchung in das Magnetresonanzgerät 9 geschoben wird. Die für die Kernspinresonanzmessung erforderliche hohe Homogenität des Grundmagnetfelds ist in einem typischerweise kugelförmigen Messvolumen M definiert, in welchem die zu untersuchenden Teile des menschlichen Körpers geschoben werden. Zur Unterstützung der Homogenitätsanforderungen und insbesondere zur Eliminierung zeitlich invariabler Einflüsse werden an geeigneter Stelle so genannte Shim-Bleche aus ferromagnetischem Material angebracht. Zeitlich variable Einflüsse werden durch Shim-Spulen 13 eliminiert, wenn sie nicht erwünscht sind.
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In den Grundfeldmagneten 10 ist ein zylinderförmiges Gradientenfeldsystem 14 eingesetzt, welches aus drei Teilwicklungen besteht. Jede Teilwicklung wird von einem Verstärker mit Strom zur Erzeugung eines linearen (auch zeitlich veränderbaren) Gradientenfeldes in die jeweilige Richtung des kartesischen Koordinatensystems versorgt. Die erste Teilwicklung des Gradientenfeldsystems 14 erzeugt dabei einen Gradienten Gx in X-Richtung, die zweite Teilwicklung einen Gradienten Gy in Y-Richtung und die dritte Teilwicklung einen Gradienten Gz in Z-Richtung. Der Verstärker umfasst einen Digital-Analog-Wandler, welcher von einer Sequenzsteuerung 15 zum zeitrichtigen Erzeugen von Gradientenpulsen angesteuert wird.
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Innerhalb des Gradientenfeldsystems 14 befindet sich mindestens eine Hochfrequenzantenne 16, welche die von einem Hochfrequenzleistungsverstärker abgegebenen Hochfrequenzpulse in ein magnetisches Wechselfeld zur Anregung der Kerne und Ausrichtung der Kernspins des zu untersuchenden Objekts 11 bzw. des zu untersuchenden Bereiches des Objekts 11 umsetzt. Jede Hochfrequenzantenne 16 besteht aus einer oder mehreren HF-Sendespulen und mehreren HF-Empfangsspulen bzw. HF-Empfangsantennen in Form einer ringförmigen vorzugsweise linearen oder matrixförmigen Anordnung von Komponentenspulen. Von den HF-Empfangsspulen der jeweiligen Hochfrequenzantenne 16 wird auch das von den präzedierenden Kernspins ausgehende Wechselfeld, d. h. in der Regel die von einer Pulssequenz aus einem oder mehreren Hochfrequenzpulsen und einem oder mehreren Gradientenpulsen hervorgerufenen Kernspinechosignale, in eine Spannung (Messsignal) umgesetzt, welche über einen Verstärker 17 einem Hochfrequenz-Empfangskanal 18 eines Hochfrequenzsystems 19 zugeführt wird. Das Hochfrequenzsystem 19 umfasst weiterhin einen Sendekanal 20, in welchem die Hochfrequenzpulse für die Anregung der magnetischen Kernresonanz erzeugt werden. Dabei werden die jeweiligen Hochfrequenzpulse aufgrund einer vom Geräterechner 21 vorgegebenen Pulssequenz in der Sequenzsteuerung 15 digital als Folge komplexer Zahlen dargestellt. Diese Zahlenfolge wird als Real- und als Imaginärteil über jeweils einen Eingang 22 einem Digital-Analog-Wandler DAC im Hochfrequenzsystem 19 und von diesem einem Sendekanal 20 zugeführt. Im Sendekanal 20 werden die Pulssequenzen einem Hochfrequenz-Trägersignal aufmoduliert, dessen Basisfrequenz der Resonanzfrequenz der Kernspins im Messvolumen entspricht.
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Die Umschaltung von Sende- auf Empfangsbetrieb erfolgt über eine Sende-/Empfangsweiche 23. Die HF-Sendespulen der Hochfrequenzantenne 16 strahlt die Hochfrequenzpulse zur Anregung der Kernspins in das Messvolumen M ein und resultierende Echosignale werden über die HF-Empfangsspulen abgetastet. Die entsprechend gewonnenen Kernresonanzsignale werden im Empfangskanal 24 (erster Demodulator) des Hochfrequenzsystems 19 phasenempfindlich auf eine Zwischenfrequenz demoduliert und im Analog-Digital-Wandler (ADC) digitalisiert. Dieses Signal wird noch auf die Frequenz Null demoduliert. Die Demodulation auf die Frequenz Null und die Trennung in Real- und Imaginärteil findet nach der Digitalisierung in der digitalen Domäne in einem zweiten Demodulator 18 statt, der mit einem Ausgang 32 verbunden ist.
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Durch einen Bildrechner 25 wird aus den dergestalt gewonnenen Messdaten ein MR-Bild rekonstruiert. Die Verwaltung der Messdaten, der Bilddaten und der Steuerprogramme erfolgt über den Geräterechner 21. Aufgrund einer Vorgabe mit Steuerprogrammen kontrolliert die Sequenzsteuerung 15 die Erzeugung der jeweils gewünschten Pulssequenzen und das entsprechende Abtasten des k-Raumes. Insbesondere steuert die Sequenzsteuerung 15 dabei das zeitrichtige Schalten der Gradienten, das Aussenden der Hochfrequenzpulse mit definierter Phasenamplitude sowie den Empfang der Kernresonanzsignale. Die Zeitbasis für das Hochfrequenzsystem 19 und die Sequenzsteuerung 15 wird von einem Synthesizer 26 zur Verfügung gestellt. Die Auswahl entsprechender Steuerprogramme zur Erzeugung eines MR-Bildes, welche z. B. auf einer DVD 27 gespeichert sind, sowie die Darstellung des erzeugten MR-Bildes erfolgt über ein Terminal 28, welches eine Tastatur 29, eine Maus 30 und einen Bildschirm 31 umfasst.
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2 ist eine schematische Darstellung des Wideband MRI-Verfahrens. Der Frequenzkodierungsgradient Gx und der Schichtselektionsgradient Gz sind beim Auslesen gleichzeitig aktiv. Diese gleichzeitige Aktivität zweier die Frequenz kodierender Gradienten führt zum einen dazu, dass die Signale aller aktiven Schichten in disjunkte Frequenzbänder mit den mittleren Frequenzen f01 bis f04 aufgeteilt werden und zum anderen dazu, dass das Pixel-Empfindlichkeitsprofil proportional zu dem Verhältnis der Stärken der beiden Gradienten gekippt wird, also proportional zu Gz/Gx. Der Kippwinkel sollte, um zu große Unschärfen im Bild zu vermeiden, 45° nicht übersteigen, das bedeutet, dass der Schichtselektionsgradient Gz nicht stärker als der Frequenzkodierungsgradient Gx sein sollte.
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Um ein Überlappen der Schichten S1 bis S4 und Alias-Störungen in der Frequenzdomäne zu vermeiden, sollte der Schichtselektionsgradient Gz ferner groß genug sein, um die mittleren Resonanzfrequenzen f0i benachbarter Schichten über einen Frequenzbereich der Größe von mindestens des Frequenzbandes Bx zu verschieben, d. h. es sollte die Bedingung Gz dZ > Gx FOVx erfüllt sein, wobei df ~ Gz dZ und dZ ~ Gx FOVx.
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3 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Verfahrensschritt 1 wird der Scanvorgang gestartet und während des Verfahrensschritts 2 werden die Bilddaten aus den Messsignalen des Magnetresonanzgeräts 9 erstellt. Im Verfahrensschritt 3 wird das zu den Bilddaten gehörige Bild rekonstruiert. Dies geschieht mit einem Bildrechner 25. Die Verwaltung der Messdaten, der Bilddaten und der Steuerprogramme erfolgt über den Geräterechner 21. Im Verfahrensschritt 4 erfolgt eine Abfrage an einen Benutzer, ob die Unschärfe in dem rekonstruierten Bild zu groß ist. Ist dies nicht der Fall (Weg N), so ist der Scanvorgang mit Verfahrensschritt 8 abgeschlossen. Ist dies der Fall (Weg Y), so wird im Verfahrensschritt 5 der Faltungskern geschätzt oder kalibriert (eine Vorabkalibrierung erfolgt im Verfahrensschritt 6) und die Unschärfe somit schließlich korrigiert (Verfahrensschritt 6), der Scanvorgang ist abgeschlossen (Verfahrensschritt 8).
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4 ist eine schematische Darstellung einer Bildaufnahme aus einem herkömmlichen Betrachtungswinkel und aus einem Kippwinkel. Dabei ist XOY die Ebene, in der das aufgenommene Bild liegt, dZ der Schichtabstand, der entlang der Z-Achse gemessen wird, die Richtung der Frequenzkodierung wird entlang der X-Achse festgelegt.
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Bei der Bildaufnahme aus einem herkömmlichen Betrachtungswinkel befinden sich alle oszillierenden Spins um die Frequenz fi herum in einem Rechteck oder Voxel an der Position i mit dem Wert des Voxels ai entlang der X-Achse mit den entsprechenden Ausdehnungen dx, dy und dz in alle Raumrichtungen.
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Bei der Bildaufnahme aus einem Kippwinkel befinden sich alle oszillierenden Spins um die Frequenz fi herum in einem Parallelepiped oder verkippten Voxel an der Position i mit dem Wert des Voxels bi entlang der X-Achse.
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5 zeigt ein Beispiel zur Berechnung des Faltungskerns, d. h. für die Berechnung der Werte der verkippten Voxel an der Position i mit dem Wert b
i entlang der X-Achse in Abhängigkeit von den Werten der ursprünglichen Voxel an der Position i mit dem Wert a
i entlang der X-Achse. Die Gleichung resultiert aus einem optischen Projektionsmodell. In dem vorliegenden Fall lautet z. B. der Eintrag für b
3:
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Dabei wird der Faltungskern allgemein durch
beschrieben, wobei
b der Vektor aller Voxelwerte b
i im verkippten Bild und
a der Vektor aller Voxelwerte a
i im nicht verkippten Bild darstellt. Die Matrix
K resultiert aus einer invarianten Verschiebung des Faltungskerns. Für die Lösung der Gleichung (
a =
K –1 b) muss
K invertiert werden. Ist
K schlecht konditioniert, so ist ihr Inverses allerdings instabil und kleine Störungen führen zu einem großen Fehler in der Lösung. Anstelle von
K –1 kann in diesem Fall die pseudoinverse Matrix
K + berechnet werden. Diese lässt sich beispielsweise als Moore-Penrose-Matrix
K + = (
K'K)
–1 K' darstellen. Eine andere Methode zur Darstellung von
K + ist die Tikhonov Regularisierung mit
K + = (
K'K + λ
I)
–1K'. Eine alternative Methode ist ferner die Einzelwertzerlegung mit
K = Udiag[σi]V T, σk = 0, k = 1...def(K), -
Zeigt ein System zusätzlich Rauschen im Bild und/oder in den Signalen, so muss das Gleichungssystem
gelöst werden, wobei n ein unbekannter Rauschterm ist. Dies wird z. B. mit der Li-Norm-Regularsierung gelöst. Dabei ist â = arg min{||b
n – Ka||
2 + β L1(a)}, wobei L1 die Summe der Absolutwerte und β ein Regularisierungsterm ist.
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6 zeigt ein weiteres Beispiel zur Berechnung des Faltungskerns, d. h. für die Berechnung der Werte der verkippten Voxel an der Position i mit dem Wert b
i entlang der X-Achse in Abhängigkeit von den Werten der ursprünglichen Voxel an der Position i mit dem Wert a
i entlang der X-Achse. Die Gleichung resultiert aus einem optischen Projektionsmodell. In dem vorliegenden Fall lautet z. B. der Eintrag für b
3:
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7 zeigt ein weiteres Beispiel zur Berechnung des Faltungskerns, d. h. für die Berechnung der Werte der verkippten Voxel an der Position i mit dem Wert b
i entlang der X-Achse in Abhängigkeit von den Werten der ursprünglichen Voxel an der Position i mit dem Wert a
i entlang der X-Achse. Die Gleichung resultiert aus einem optischen Projektionsmodell. In dem vorliegenden Fall lautet z. B. der Eintrag für b
4:
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8 zeigt ein weiteres Beispiel zur Berechnung des Faltungskerns, d. h. für die Berechnung der Werte der verkippten Voxel an der Position i mit dem Wert bi entlang der X-Achse in Abhängigkeit von den Werten der ursprünglichen Voxel an der Position i mit dem Wert ai entlang der X-Achse. Die Gleichung resultiert aus einem optischen Projektionsmodell. In dem vorliegenden Fall lautet z. B. der Eintrag für b2:
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9 zeigt ein weiteres Beispiel zur Berechnung des Faltungskerns, d. h. für die Berechnung der Werte der verkippten Voxel an der Position i mit dem Wert b
i entlang der X-Achse in Abhängigkeit von den Werten der ursprünglichen Voxel an der Position i mit dem Wert a
i entlang der X-Achse. Die Gleichung resultiert aus einem optischen Projektionsmodell und unter der Berücksichtigung von k-Beiträgen benachbarter Voxel durch ein nicht-ideales oder reales Schichtempfindlichkeitsprofil. In dem vorliegenden Fall lautet z. B. der Eintrag für b
5:
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne die Idee der Erfindung zu verlassen.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren, ein Computerprogrammprodukt und ein computerlesbares Speichermedium zur Bearbeitung von Bilddaten eines Magnetresonanzgeräts, sowie ein Magnetresonanzgerät. Dabei erfolgt nach der Rekonstruktion des zu den Bilddaten gehörigen Bildes ein Beschreiben des Grades der Bildunschärfe in dem Bild, die aus der Aufnahme des Bildes aus einem Kippwinkel resultiert. Diese Bildunschärfe wird mithilfe eines Faltungskerns korrigiert.
