DE102012219010B4

DE102012219010B4 - Optimierung einer Pulssequenz für eine Magnetresonanzanlage

Info

Publication number: DE102012219010B4
Application number: DE102012219010.4A
Authority: DE
Inventors: David Grodzki; Mathias Nittka
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2012-10-18
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2032-10-19
Also published as: US9696400B2; US20140111200A1; DE102012219010A1

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Pulssequenzoptimierungseinrichtung (26) zum Optimieren einer Pulssequenz für eine Magnetresonanzanlage (1) beschrieben. Die Pulssequenz umfasst wenigstens einen Refokussierungspuls (33; 41), einen Schichtselektionsgradientenpuls (35; 43; 51; 56) und einen Gradientenspoilerpuls (36, 37; 44; 52, 57). Es wird eine Pulsdauer (Δt) des Refokussierungspulses (33; 41) verkürzt und eine Pulsdauer (Δt) des Schichtselektionsgradientenpulses (35; 43; 51; 56) an die verkürzte Pulsdauer des Refokussierungspulses (33; 41) angepasst. Eine Amplitude (G0, Gopt) des Schichtselektionsgradientenpulses (35; 43; 51; 56) wird so vergrößert, dass die gleiche Schichtdicke (Δz) wie vor der Pulsdauerverkürzung des Refokussierungspulses selektiert wird. Eine Pulsform des Gradientenspoilerpulses (36, 37; 44; 52, 57) wird ohne Änderung eines Gesamtspoilermoments angepasst, wobei eine optimale verkürzte Pulsdauer des Refokussierungspulses dann erreicht ist, wenn bei der Anpassung der Pulsform des Gradientenspoilerpulses (36, 37; 44; 52, 57) eine maximale Amplitude des Gradientenspoilerpulses (36, 37; 44; 52, 57) gleichgesetzt werden kann mit der Amplitude des Schichtselektionsgradientenpulses und eine Flankensteilheit des Gradientenspoilerpulses minimiert ist. Darüber hinaus werden ein Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanzanlage (1) sowie eine Magnetresonanzanlage (1) mit einer solchen Pulssequenzoptimierungseinrichtung (26) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung einer Pulssequenz, die wenigstens einen Refokussierungspuls, einen Schichtselektionsgradientenpuls und einen Gradientenspoilerpuls umfasst, und für eine Magnetresonanzanlage geeignet ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanzanlage unter Nutzung einer solchen optimierten Pulssequenz sowie eine Pulssequenz-Optimierungseinrichtung für eine Magnetresonanzanlage, um dieses Verfahren durchzuführen.
In einer Magnetresonanzanlage, auch Magnetresonanztomographiesystem genannt, wird üblicherweise der zu untersuchende Körper mit Hilfe eines Grundfeldmagnetsystems einem relativ hohen Grundmagnetfeld, beispielsweise von 1,5, 3 oder 7 Tesla, ausgesetzt. Zusätzlich wird mit Hilfe eines Gradientensystems ein Magnetfeldgradient angelegt. Über ein Hochfrequenz-Sendesystem werden dann mittels geeigneter Antenneneinrichtungen hochfrequente Anregungssignale (HF-Signale) ausgesendet, was dazu führen soll, dass die Kernspins bestimmter, durch dieses Hochfrequenzfeld resonant angeregter Atome um einen definierten Flipwinkel gegenüber den Magnetfeldlinien des Grundmagnetfelds verkippt werden. Bei der Relaxation der Kernspins werden Hochfrequenzsignale, so genannte Magnetresonanzsignale, abgestrahlt, die mittels geeigneter Empfangsantennen empfangen und dann weiterverarbeitet werden. Aus den so akquirierten Rohdaten können schließlich die gewünschten Bilddaten rekonstruiert werden.
Für eine bestimmte Messung ist somit eine bestimmte Pulssequenz auszusenden, welche aus einer Folge von Hochfrequenzpulsen, insbesondere Anregungspulsen und Refokussierungspulsen sowie passend dazu koordiniert auszusendenden Gradientenpulsen in verschiedenen Raumrichtungen sowie passend gesetzten Auslesefenstern, während derer die induzierten Magnetresonanzsignale erfasst werden, besteht. Für die Bildgebung maßgeblich ist dabei insbesondere das Timing innerhalb der Sequenz, d. h. in welchen zeitlichen Abständen welche Pulse aufeinander folgen. Eine Vielzahl der Steuerparameter ist in der Regel in einem sogenannten Messprotokoll definiert, welches vorab erstellt wird und für eine bestimmte Messung beispielsweise aus einem Speicher abgerufen und ggf. vom Bediener vor Ort verändert werden kann, der zusätzliche Steuerparameter wie beispielsweise einen bestimmten Schichtabstand eines Stapels von auszumessenden Schichten, eine Schichtdicke etc. vorgeben kann. Auf Basis all dieser Steuerparameter wird dann eine Pulssequenz, die auch als Messsequenz bezeichnet wird, berechnet.
Die Gradientenpulse sind über ihre Gradientenamplitude, die Gradientenpulszeitdauer und ihre Flankensteilheit dG/dt, üblicherweise als „Slew Rate” bezeichnet, definiert. Eine weitere wichtige Gradientenpulsgröße ist das Gradientenpulsmoment, das durch das Integral der Amplitude über der Zeit definiert ist.
Während einer Pulssequenz werden die magnetischen Gradientenspulen, über die die Gradientenpulse ausgesandt werden, häufig umgeschaltet. Wirbelströme mit anderen Komponenten des Magnetresonanztomographen, insbesondere dem Hochfrequenzschirm, sind ein Grund für die bekannten Lärmerscheinungen während des Schaltens der Gradienten. Insbesondere trägt eine hohe Flankensteilheit zu der Lärmbelästigung bei. Daneben führen steile Flanken zu einem höheren Energieverbrauch und stellen zudem höhere Anforderungen an die Hardware. Die sich schnell ändernden Gradientenfelder führen zu Verzerrungen und Schwingungen in den Gradientenspulen und zur Übertragung dieser Energien an das Gehäuse.
Insbesondere um die Geräuschbelästigung zu reduzieren, wurden bereits verschiedene Lösungen beim Aufbau der Hardware vorgeschlagen, wie z. B. ein Vergießen oder Vakuumversiegeln der Gradientenspulen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, bereits bei der Berechnung der Pulssequenzen besonders auf den Gradientenverlauf zu achten. In der Praxis gibt es daher Geräte, die verschiedene sogenannte „Gradientenmoden” anbieten. Der Bediener kann hierbei nach Bedarf beispielsweise zwischen einem normalen Modus und einem besonders leisen Gradientenmodus wählen. In dem leisen Gradientenmodus wird eine maximale zulässige Flankensteilheit für die Gradientenpulse auf einen niedrigeren Wert gesetzt, was dazu führt, dass die Messung leiser ist als im normalen Modus. Ungünstigerweise führt dies aber in der Regel nicht nur dazu, dass die Messzeit insgesamt länger wird, sondern bewirkt auch, dass die Bildqualität, beispielsweise der Kontrast und/oder die Auflösung, reduziert wird. Bei einer solchen Begrenzung der globalen maximalen Slew Rate ist also immer ein Kompromiss zwischen der Reduzierung der Lautstärke, der Messzeit und der Bildqualität zu finden. So wirkt sich beispielsweise ein längeres Echospacing, also ein größerer Abstand zwischen den Echos negativ auf den Kontrast und die Bildschärfe aus.
Bei einer Anzahl von Pulssequenzen, die in der klinischen Magnetresonanztomographie (MRT) häufig verwendet werden, beispielsweise bei Spin-Echo-Sequenzen (SE-Sequenzen) oder bei Turbo-Spin-Echo-Sequenzen (TSE-Sequenzen), werden zusätzlich zu den für eine Ortskodierung notwendigen Gradientenpulsen sogenannte Gradientenspoilerpulse, kurz Spoiler, ausgespielt. Gradientenspoilerpulse, die in einigen Fällen, insbesondere wenn sie paarweise auftreten, auch Gradientencrusherpulse, kurz Crusher, genannt werden, werden unmittelbar vor und/oder nach den eigentlichen Gradientenpulsen von den gleichen Gradientenspulen ausgespielt und sorgen dafür, dass zum Beispiel ungewollte Free-Induction-Decay (FID) Signale unterdrückt werden. Die Spoiler oder Crusher müssen, damit sie die FID-Signale sicher unterdrücken, ein bestimmtes Spoiler- oder Crushermoment aufweisen. In der weiteren Beschreibung und in den Ansprüchen wird in der Regel von Spoilern oder Spoilerpulsen gesprochen, diese Bezeichnung schließt immer auch Crusher mit ein. Zur Unterscheidung werden im Rahmen dieser Anmeldung Spoilerpulse, die vor oder nach Schichtselektionsgradienten ausgespielt werden, als Gradientenspoiler bezeichnet, während Spoilerpulse, die vor oder nach Auslesegradienten ausgespielt werden, als Auslesespoiler bezeichnet werden.
Wie weiter oben bereits erwähnt, sind die Zeitvorgaben innerhalb einer Pulssequenz sehr strikt. Zudem sollte die Gesamtdauer einer Pulssequenz, die die Gesamtdauer einer MRT-Untersuchung bestimmt, möglichst gering gehalten werden. Für das Ausspielen der Spoiler steht daher nicht viel Zeit zur Verfügung. Zum Erreichen eines bestimmten Spoilermoments muss daher zwangsläufig die Spoileramplitude hoch sein, was zu einer hohen Flankensteilheit gerade der Spoilerpulse führt.
Ein großer Teil des Lärms bei MRT-Untersuchungen insbesondere bei der Verwendung von SE- oder TSE-Sequenzen resultiert daher aus den Spoilerpulsen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein geeignetes Optimierungsverfahren sowie eine entsprechende Pulssequenz-Optimierungseinrichtung zur Optimierung von Pulssequenzen, die wenigstens einen Refokussierungspuls, einen Schichtselektionsgradientenpuls und einen Gradientenspoilerpuls umfassen, zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird zum einen durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und zum anderen durch eine Pulssequenz-Optimierungseinrichtung nach Patentanspruch 10 gelöst.
Eingangsgröße des Verfahrens zum Optimieren einer Pulssequenz für eine Magnetresonanzanlage ist eine Pulssequenz, deren Parameter in an sich bekannter Weise bestimmt wurden. Die Pulssequenz bzw. ihre Parameter ergeben sich aus der zu lösenden Bildgebungsaufgabe. Die Pulssequenz umfasst wenigstens einen Refokussierungspuls, einen Schichtselektionsgradientenpuls und einen Gradientenspoilerpuls. Deren zeitliche Länge, Amplitude und Flankensteilheit sind jeweils bestimmt. Der Gradientenspoilerpuls oder Gradientenspoiler liegt zeitlich vor oder nach dem Schichtselektionsgradientenpuls. Die Pulssequenz wird auf eine Geräuschminderung hin optimiert. Dabei wird die Pulsdauer des Refokussierungspulses verkürzt. Ein Refokussierungspuls wird auch Rephasierungspuls genannt und dient dazu, die auseinanderlaufenden Phasen der von den angeregten Kernen abgestrahlten Signale wieder zu bündeln.
Eine Verkürzung der Pulsdauer bedeutet eine Vergrößerung der Bandbreite des Refokussierungspulses, da die Pulsdauer umgekehrt proportional zur Bandbreite ist. Die Verkürzung der Pulsdauer des Refokussierungspulses bedingt eine Verkürzung der Pulsdauer des Schichtselektionsgradientenpulses, da dieser an die verkürzte Pulsdauer des Refokussierungspulses angepasst wird. Der Schichtselektionsgradientenpuls dient zur Selektion der Schicht im Untersuchungsobjekt, auf die die Refokussierung wirken soll. Der Schichtselektionsgradientenpuls wird zeitgleich mit dem Refokussierungspuls ausgespielt, damit dieser nur auf die selektierte Schicht wirkt.
Die Amplitude des Schichtselektionsgradientenpulses wird so vergrößert, dass die gleiche Schichtdicke wie vor der Pulsdauerverkürzung des Refokussierungspulses selektiert wird. Die Optimierung soll keinen Einfluss auf die durch die Pulssequenz definierte Bilderfassung haben, also auch nicht auf die selektierte Schicht.
Die Pulsform des Gradientenspoilerpulses wird ohne Änderung des Gesamtspoilermoments an den verkürzten Schichtselektionsgradientenpuls angepasst. Durch die Verkürzung der Pulsdauern des Refokussierungspulses und des Schichtselektionsgradientenpulses steht mehr Zeit für den Spoilerpuls zur Verfügung, ohne dass die von der Eingangspulssequenz vorgegebenen Zeitvorgaben geändert werden, so dass eine Veränderung möglich ist. Das Gesamtspoilermoment ergibt sich aus der Summe aus dem Gradientenspoilermoment und einem Auslesespoilermoment. Die beiden Spoilermomentarten können zusammengefasst werden, da die Unterdrückung von FID-Signalen unabhängig davon zu erreichen ist, ob es sich um ein Gradientenspoilermoment oder ein Auslesespoilermoment handelt.
Eine optimale verkürzte Pulsdauer des Refokussierungspulses ist dann erreicht, wenn bei der Anpassung der Pulsform des Gradientenspoilerpulses die maximale Amplitude des Gradientenspoilerpulses gleichgesetzt werden kann mit der Amplitude des Schichtselektionsgradientenpulses und die Flankensteilheit des Gradientenspoilerpulses minimiert ist. Eine derartige Anpassung der Pulsform ist dann möglich, wenn einerseits die Amplitude des Schichtselektionsgradientenpulses genügend angehoben wurde, entsprechend der Bandweitenanhebung des Refokussierungspulses, und andererseits die Pulsdauer des Schichtselektionsgradientenpulses genügend verkürzt wurde, entsprechend der verkürzten Pulsdauer des Refokussierungspulses. Die Pulsform des Gradientenspoilers entspricht einer Dreiecksform, wenn die oben genannten Vorgaben erfüllt sind. Der Spoiler verschmilzt mit dem Schichtselektionsgradientenpuls. Im Fall eines Spoilerpaares vor und nach dem Schichtselektionsgradientenpulses, z. B. sogenannten Crushern, ergeben die drei Pulse zusammen einen trapezförmigen Puls.
Die Erfinder haben also erkannt, dass es möglich ist, die Flankensteilheit von Gradientenpulsen und insbesondere von Spoilerpulsen zu verringern und damit eine Geräuschreduzierung herbeizuführen, indem zunächst Parameter eines Refokussierungspulses bei Beibehaltung vorgegebener zeitlicher Pulsabstände verändert werden, um damit einen Spielraum für Veränderungen im Gradientenverlauf zu schaffen. Erfindungsgemäß wird ein Refokussierungspuls optimiert, der nicht ursächlich ist für die Geräuschbelästigung. Mit dieser Optimierung wurde eine Lautstärkeminderung um etwa 1 bis etwa 10 dBA gegenüber Pulssequenzen erzielt, deren Gradientenverlauf bereits im Hinblick auf eine Geräuschminimierung gestaltet wurde.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanzanlage wird nach dem zuvor beschriebenen Verfahren zunächst eine Pulssequenz optimiert und dann die Magnetresonanzanlage unter Nutzung der optimierten Pulssequenz betrieben. Während der Messung, d. h. wenn ein Patient in einem Patiententunnel der Anlage liegt, entstehen geringere Geräusche, ohne dass es Einbußen in der Bildqualität gibt und ohne dass sich die Messdauer verlängert.
Eine erfindungsgemäße Pulssequenzoptimierungsseinrichtung zum Optimieren einer Pulssequenz für eine Magnetresonanzanlage hat eine Eingangsschnittstelle zum Empfangen von Parametern, die die Pulssequenz bestimmen. Es handelt sich um eine Pulssequenz, die wenigstens einen Refokussierungspuls, einen Schichtselektionsgradientenpuls und einen Gradientenspoilerpuls umfasst. Es kann sich beispielsweise um eine SE- oder eine TSE-Sequenz handeln.
Die Pulssequenzoptimierungsseinrichtung hat ferner eine Refokussierungspulseinheit zum Bestimmen einer verkürzten Pulsdauer des Refokussierungspulses. Die Pulssequenzoptimierungsseinrichtung ist eingerichtet, die Pulsdauer des Refokussierungspulses zu verkürzen, nicht die zeitlichen Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen.
Die Pulssequenzoptimierungsseinrichtung umfasst auch eine Schichtselektionsgradientenpulseinheit zur Anpassung der Pulsdauer des Schichtselektionsgradientenpulses an die verkürzte Pulsdauer des Refokussierungspulses und zur Vergrößerung einer Amplitude des Schichtselektionsgradientenpulses. Der Schichtselektionsgradientenpuls wird zeitgleich mit dem Refokussierungspuls ausgespielt, um die Schicht zu bestimmen, in der eine Refokussierung erfolgt. Wird der Refokussierungspuls zeitlich verkürzt, so wird auch der Schichtselektionspuls verkürzt. Die Verkürzung des Refokussierungspulses bedeutet eine Erhöhung seiner Bandbreite. Die Erhöhung der Bandbreite bedeutet, dass die Amplitude des Schichtselektionspulses erhöht werden muss, damit die gleiche Schichtdicke wie vor der Pulsdauerverkürzung des Refokussierungspulses selektiert wird.
Die Pulssequenzoptimierungsseinrichtung weist ferner eine Gradientenspoilerpulseinheit zur Anpassung der Pulsform des Gradientenspoilerpulses auf. Die Pulsformanpassung erfolgt ohne eine Änderung des Gesamtspoilermoments, also des Integrals der Pulsamplitude über der Zeit oder anschaulich ohne eine Veränderung der Fläche unter der Pulsamplitude, im Fall des Gesamtspoilermoments ohne eine Veränderung der Summe aus der Fläche unter der Auslesespoileramplitude und der Fläche unter der Gradientenspoileramplitude.
Eine optimale verkürzte Pulsdauer des Refokussierungspulses ist dann erreicht, wenn bei der Anpassung der Pulsform des Gradientenspoilerpulses eine maximale Amplitude des Gradientenspoilerpulses gleichgesetzt werden kann mit der Amplitude des Schichtselektionsgradientenpulses und die Flankensteilheit des Gradientenspoilerpulses minimiert ist. Die Amplitude des Schichtselektionsgradientenpulses wird wegen der Erhöhung der Bandbreite des Refokussierungspulses erhöht. Gleichzeitig steht durch die zeitliche Verkürzung des Schichtselektionsgradientenpulses mehr Zeit für den Gradientenspoilerpuls zur Verfügung. Seine Amplitude kann daher verringert werden bei gleichzeitiger (zeitlicher) Verbreiterung des Pulses. Im Optimalfall nimmt der Puls eine Dreiecksform an, es gibt nur noch eine steigende Flanke oder Rampe, also weder einen flachen Amplitudenverlauf noch eine fallende Rampe.
Wesentliche Teile der Pulssequenzoptimierungsseinrichtung können in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. Dies betrifft insbesondere die Refokussierungspulseinheit, die Schichtselektionsgradientenpulseinheit und die Gradientenspoilerpulseinheit. Bei der Eingangs-Schnittstelle kann es sich beispielsweise um eine Schnittstelle handeln, um Daten zu einer Pulssequenz aus einem Datenspeicher über ein Netz oder innerhalb einer Steuereinrichtung einer Magnetresonanzanlage zu übernehmen. Die Schnittstelle kann zumindest teilweise in Form von Software ausgebildet sein und eventuell auf Hardware-Schnittstellen eines vorhandenen Rechners zurückgreifen.
Die Erfindung umfasst somit auch ein Computerprogramm, welches direkt in einen Speicher einer Pulssequenzoptimierungseinrichtung ladbar ist, mit Programmcode-Abschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in der Pulssequenzoptimierungsseinrichtung ausgeführt wird. Eine solche softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass bisherige Einrichtungen, die zur Ermittlung von Pulssequenzen verwendet werden (beispielsweise geeignete Rechner in Rechenzentren der Magnetresonanzsystem-Hersteller), durch Implementierung des Programms in geeigneter Weise modifiziert werden können, um in der erfindungsgemäßen Weise Pulssequenzen zu optimieren, die mit einer geringeren Lautstarke verbunden sind.
Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten besonders vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung, wobei insbesondere auch die Ansprüche einer Kategorie analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können.
In einer Variante wird die Pulsform des Gradientenspoilerpulses ohne Änderung des Gradientenspoilermoments angepasst. Das hat den Vorteil, dass für die Optimierung lediglich der Gradientenspoiler beachtet werden muss, der Auslesespoiler kann dabei unberücksichtigt bleiben.
In einer anderen Variante, wenn das Gesamtspoilermoment konstant gehalten wird, ergibt sich andererseits ein größerer Freiheitsgrad. Das Gradientenspoilermoment kann verändert werden, um beispielsweise eine optimale Pulsform zu erreichen, und die Differenz zum ursprünglichen Gradientenspoilermoment wird dem Auslesespoilermoment zugeschlagen.
Die verkürzte Pulsdauer des Refokussierungspulses kann durch eine Streckung des Refokussierungspulses in Amplitudenrichtung erreicht werden. Damit wird die grundsätzliche, von der ursprünglichen Pulssequenz vorgegebene Pulsform des Refokussierungspulses nicht berührt. Die Streckung des Refokussierungspulses in Amplitudenrichtung führt zu einer verkürzten Pulsdauer.
In einer anderen Variante kann die verkürzte Pulsdauer auch durch eine Veränderung der Pulsform des Refokussierungspulses erreicht werden. Hiermit ist zwar ein etwas erhöhter Rechenaufwand verbunden, andererseits erlaubt dies eine flexiblere Änderung zur Verkürzung der Pulsdauer.
Das erfindungsgemäße Verfahren in seinen verschiedenen Ausgestaltungen kann beispielsweise bei einer Spinechosequenz oder einer Turbo-Spinechosequenz angewandt werden. Die Optimierung des Gradientenverlaufes über eine Optimierung der Pulsdauer des Refokussierungspulses lässt dabei einen Echoabstand zwischen den einzelnen Spinechos der (Turbo-)Spinechosequenzen unverändert.
Im Fall einer (Turbo-)Spinechosequenz kann die Optimierung für wenigstens eine Mehrzahl der Refokussierungspulse vorgenommen werden. Die Optimierung kann auch für sämtliche Refokussierungspulse der Pulssequenz vorgenommen werden. Damit wird die Anzahl steiler Flanken deutlich reduziert, jede steile Flanke bewirkt beim Schalten der entsprechenden Spule Geräusche.
Die Verkürzung der Pulsdauer des Refokussierungspulses geht einher mit einer Erhöhung der Bandbreite des Refokussierungspulses. Eine Erhöhung der Bandbreite führt zu einer Steigerung der Hochfrequenzamplituden, was wiederum die SAR-Belastung des Patienten erhöht (SAR – Specific Absorption Rate, Maß für die Absorption von elektromagnetischen Feldern in biologischem Gewebe). Das Verfahren kann daher derart weitergebildet werden, dass eine minimale erlaubte Pulsdauer des Refokussierungspulses ermittelt wird, bei der eine für die Pulssequenz vorgegebene maximale SAR-Limitierung nicht überschritten wird. Die so ermittelte minimale erlaubte Pulsdauer des Refokussierungspulses darf bei der Optimierung dann nicht unterschritten werden. Diese Vorgabe kann beispielsweise durch einen iterativen Optimierungsvorgang eingehalten werden. Es wird also zunächst eine optimale verkürzte Pulsdauer des Refokussierungspulses ermittelt, bei dem die Spoilerpulsform optimal ist, und wenn dabei die maximale SAR-Limitierung überschritten wurde, wird sukzessive der Spoilerpuls wieder verändert, d. h. seine Rampe steiler gemacht und die Amplitude erhöht, bis der SAR-Wert unter der maximal erlaubten SAR-Limitierung liegt. Der Iterationsprozess kann alternativ auch bei Erreichen der minimal erlaubten Pulsdauer abgebrochen werden.
Die Verkürzung des Refokussierungspulses oder der Refokussierungspulse lässt nicht nur mehr Zeit für die Gradientenspoilerpulse, sondern auch für die Auslesespoilerpulse und für die Phasenkodierpulse. Es ist daher möglich, zusätzlich zu der Veränderung der Gradientenspoilerpulse und möglicherweise des Auslesespoilerpulses zur Konstanthaltung des Gesamtspoilermoments, die Flankensteilheit des Auslesespoilerpulses bzw. der Auslesespoilerpulse und/oder der Phasenkodierpulse ebenfalls zu verringern. Es sei noch einmal daran erinnert, dass die Flankensteilheit häufig auch als „Slew Rate” bezeichnet wird. Sowohl die Auslesespoilerpulse als auch die Phasenkodierpulse tragen zu der Geräuschentwicklung in einer Magnetresonanzanlage bei. Werden diese Flanken ebenfalls flacher gestaltet, so kommt es daher zu einer weiteren Geräuschreduktion. Diese kann in einem Bereich von etwa 1 bis etwa 10 dBA liegen.
Eine Veränderung der Flankensteilheit der Gradientenspoilerpulse, der Auslesespoilerpulse und/oder der Phasenkodierpulse führt zu einer Verschiebung des Frequenzspektrums. Ist die Flanke flacher, so sind tiefere Frequenzen zu erwarten. Es ist dabei möglich, dass diese tieferen Frequenzen auf eine akustische Resonanzfrequenz der Magnetresonanzanlage treffen, so dass die erwartete Geräuschreduktion nicht in vollem Umfang eintritt. In einer Weiterbildung des Verfahrens wird, wenn wenigstens eine akustische Resonanzfrequenz der Magnetresonanzanlage innerhalb eines Frequenzspektrums des angepassten Gradientenspoilerpulses liegt, die Pulsdauer des Refokussierungspulses oder der Refokussierungspulse von der optimalen verkürzten Pulsdauer weg verändert. Diese Veränderung hat zur Folge, dass sich das Frequenzspektrum verschiebt und die akustische Resonanzfrequenz außerhalb des Frequenzspektrums liegt. Die erzielte Geräuschminderung ist dann größer als mit der eigentlich optimalen verkürzten Pulsdauer, obwohl die Flankensteilheit wieder zunimmt. Es ist möglich, dieses Verändern der Pulsdauer zum Vermeiden einer akustischen Resonanzfrequenz in einem iterativen Prozess zu bestimmen.
Das Verfahren kann dahingehend weitergebildet sein, dass zunächst das Frequenzspektrum des angepassten Gradientenspoilerpulses und/oder des angepassten Auslesespoilerpulses und/oder eines angepassten Phasenkodierpulses bestimmt wird. In einem weiteren Schritt wird dieses Frequenzspektrum mit wenigstens einer akustischen Resonanzfrequenz der Magnetresonanzanlage verglichen. Fällt die akustische Resonanzfrequenz in das bestimmte Frequenzspektrum, kann, wie oben beschrieben, die Pulsdauer des Refokussierungspulses verändert werden und die Spoilerpulse und/oder Phasenkodierpulse an die veränderte Pulsdauer angepasst werden, d. h. ihre Flanken wieder steiler ausgeführt werden. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass eine optimierte Pulssequenz nicht zwingend die optimale verkürzte Pulsdauer des Refokussierungspulses aufweist. Die optimierte Pulssequenz soll die geringste Geräuschbelastung hervorrufen und sie soll eine SAR-Limitierung nicht überschreiten.
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 Darstellung einer Turbospinechosequenz, auf die das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden kann,
3 eine schematische Darstellung einzelner Pulse einer Pulssequenz, auf die das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden kann,
4 eine schematische Darstellung eines Schichtselektionsgradientenpulses mit Gradientenspoilerpulsen in nicht angepasster und in erfindungsgemäß angepasster Form,
5 einen Graphen zum Zusammenhang zwischen Refokussierungspulsbandbreite und Schichtdicke,
6 einen Schichtselektionsgradientenpuls mit Gradientenspoilerpulsen, die suboptimal angepasst sind,
7 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
8 ein komplexeres Ablaufdiagramm einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In 1 ist grob schematisch eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage 1 dargestellt. Sie umfasst zum einen den eigentlichen Magnetresonanzscanner 2 mit einem darin befindlichen Untersuchungsraum 8 bzw. Patiententunnel. Eine Liege 7 ist in diesen Patiententunnel 8 hineinfahrbar, so dass ein darauf liegender Patient O oder Proband während einer Untersuchung an einer bestimmten Position innerhalb des Magnetresonanzscanners 2 relativ zu dem darin angeordneten Magnetsystem und Hochfrequenzsystem gelagert werden kann bzw. auch während einer Messung zwischen verschiedenen Positionen verfahrbar ist.
Wesentliche Komponenten des Magnetresonanzscanners 2 sind ein Grundfeldmagnet 3, ein Gradientensystem 4 mit Magnetfeldgradientenspulen zur Erzeugung von Magnetfeldgradienten in x-, y- und z- Richtung sowie eine Ganzkörper-Hochfrequenzspule 5. Die Magnetfeldgradientenspulen in x-, y- und z-Richtung sind unabhängig voneinander ansteuerbar, so dass durch eine vorgegebene Kombination Gradienten in beliebigen logischen Raumrichtungen, beispielsweise in Schichtselektionsrichtung, in Phasenkodierrichtung und/oder in Ausleserichtung angelegt werden können, wobei diese Richtungen i. d. R. von der gewählten Schichtorientierung abhängen. Der Empfang von im Untersuchungsobjekt O induzierten Magnetresonanzsignalen kann über die Ganzkörperspule 5 erfolgen, mit der in der Regel auch die Hochfrequenzsignale zur Induzierung der Magnetresonanzsignale ausgesendet werden. Üblicherweise werden diese Signale aber mit einer Lokalspulenanordnung 6 mit beispielsweise auf oder unter den Patient O gelegten Lokalspulen (von denen hier nur eine dargestellt ist) empfangen. Alle diese Komponenten sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt und daher in der 1 nur grob schematisch dargestellt.
Die Komponenten des Magnetresonanzscanners 2 sind von einer Steuereinrichtung 10 ansteuerbar. Dabei kann es sich um einen Steuerrechner handeln, welcher auch aus einer Vielzahl von – gegebenenfalls auch räumlich getrennten und über geeignete Kabel oder dergleichen untereinander verbundenen – Einzelrechnern bestehen kann. Über eine Terminalschnittstelle 17 ist diese Steuereinrichtung 10 mit einem Terminal 20 verbunden, über das ein Bediener die gesamte Anlage 1 ansteuern kann. Im vorliegenden Fall ist dieses Terminal 20 als Rechner mit Tastatur, einem oder mehreren Bildschirmen sowie weiteren Eingabegeräten wie beispielsweise Maus oder dergleichen ausgestattet, so dass dem Bediener eine grafische Benutzeroberfläche zur Verfügung steht.
Die Steuereinrichtung 10 weist u. a. eine Gradienten-Steuereinheit 11 auf, die wiederum aus mehreren Teilkomponenten bestehen kann. Über diese Gradienten-Steuereinheit 11 werden die einzelnen Gradientenspulen gemäß einer Gradientenpulssequenz GS mit Steuersignalen beschaltet. Hierbei handelt es sich wie oben beschrieben um Gradientenpulse, die während einer Messung an genau vorgesehenen zeitlichen Positionen und mit einem genau vorgegebenen zeitlichen Verlauf gesetzt werden. Gradientenpulse umfassen Schichtselektionsgradientenpulse, Auslesepulse, Phasenkodierpulse und Spoiler.
Die Steuereinrichtung 10 weist außerdem eine Hochfrequenz-Sendeeinheit 12 auf, um in die Ganzkörper-Hochfrequenzspule 5 jeweils Hochfrequenzpulse gemäß einer vorgegebenen Hochfrequenzpulssequenz HFS der Pulssequenz MS einzuspeisen. Die Hochfrequenzpulssequenz HFS umfasst auch die oben erwähnten Refokussierungspulse. Der Empfang der Magnetresonanzsignale geschieht dann mit Hilfe der Lokalspulenanordnung 6, und die davon empfangenen Rohdaten RD werden von einer HF-Empfangseinheit 13 ausgelesen und verarbeitet. Die Magnetresonanzsignale werden in digitaler Form als Rohdaten RD an eine Rekonstruktionseinheit 14 übergeben, die daraus die Bilddaten BD rekonstruiert und diese in einem Speicher 16 hinterlegt und/oder über die Schnittstelle 17 an das Terminal 20 übergibt, so dass der Bediener sie betrachten kann. Die Bilddaten BD können auch über ein Netzwerk NW an anderen Stellen gespeichert und/oder angezeigt und ausgewertet werden. Alternativ kann auch eine Hochfrequenzpulssequenz über die Lokalspulenanordnung ausgesendet werden und/oder die Magnetresonanzsignale können von der Ganzkörper-Hochfrequenzspule empfangen werden (nicht dargestellt).
Über eine weitere Schnittstelle 18 werden Steuerbefehle an andere Komponenten des Magnetresonanzscanners 2, wie z. B. die Liege 7 oder den Grundfeldmagnet 3 übermittelt, oder Messwerte bzw. andere Informationen übernommen.
Die Gradienten-Steuereinheit 11, die HF-Sendeeinheit 12 und die HF-Empfangseinheit 13 werden jeweils koordiniert durch eine Messsteuereinheit 15 angesteuert. Diese sorgt durch entsprechende Befehle dafür, dass die gewünschten Gradientenpulssequenzen GS und Hochfrequenzpulssequenzen HFS ausgesendet werden. Außerdem muss dafür gesorgt werden, dass zum passenden Zeitpunkt die Magnetresonanzsignale an den Lokalspulen der Lokalspulenanordnung 6 durch die HF-Empfangseinheit 13 ausgelesen und weiterverarbeitet werden. Ebenso steuert die Messsteuereinheit 15 die Schnittstelle 18 an.
Der grundlegende Ablauf einer solchen Magnetresonanzmessung und die genannten Komponenten zur Ansteuerung sind dem Fachmann aber bekannt, so dass sie hier im Detail nicht weiter besprochen werden. Im Übrigen kann ein solcher Magnetresonanzscanner 2 sowie die zugehörige Steuereinrichtung noch eine Vielzahl weiterer Komponenten aufweisen, die hier ebenfalls nicht im Detail erläutert werden. Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der Magnetresonanzscanner 2 auch anders aufgebaut sein kann, beispielsweise mit einem seitlich offenen Patientenraum, oder als kleinerer Scanner, in dem nur ein Körperteil positioniert werden kann.
Um eine Messung zu starten, kann ein Bediener über das Terminal üblicherweise ein für diese Messung vorgesehenes Steuerprotokoll P aus einem Speicher 16 auswählen, in dem eine Vielzahl von Steuerprotokollen P für verschiedene Messungen hinterlegt sind. Dieses Steuerprotokoll P enthält u. a. verschiedene Steuerparameter SP, TE für die jeweilige Messung. Zu diesen Steuerparametern SP zählen bestimmte Grundvorgaben für die gewünschte Pulssequenz, beispielsweise, ob es sich um eine Spinechosequenz, eine Turbo-Spinechosequenz etc. handelt. Weiterhin zählen hierzu Steuerparameter bezüglich der durch die einzelnen Hochfrequenzpulse zu erreichenden Magnetisierungen, Vorgaben über eine zur Aufnahme von Rohdaten abzufahrende k-Raum-Gradiententrajektorie sowie darüber hinaus Schichtdicken, Schichtabstände, Anzahl der Schichten, die Echozeit TE in einer Spinechosequenz etc.
Mit Hilfe des Terminals 20 kann der Bediener einen Teil dieser Steuerparameter verändern, um ein individuelles Steuerprotokoll für eine aktuell gewünschte Messung zu erstellen. Hierzu werden veränderbare Steuerparameter beispielsweise auf einer graphischen Benutzeroberfläche des Terminals zur Änderung angeboten. Im Übrigen kann der Bediener auch über ein Netzwerk NW Steuerprotokolle, beispielsweise von einem Hersteller der Magnetresonanzanlage, abrufen und diese dann ggf. modifizieren und nutzen.
Basierend auf den Steuerparametern SP einschließlich der gewählten Zeitparameter TE, wird dann eine Messsequenz MS oder Pulssequenz ermittelt, mit der schließlich die eigentliche Ansteuerung der übrigen Komponenten durch die Messsteuereinheit 15 erfolgt. Die Pulssequenz MS kann in einer Pulssequenz-Ermittlungseinrichtung 22 berechnet werden, die hier als Teil des Terminals 20 dargestellt ist und beispielsweise in Form von Softwarekomponenten auf dem Rechner dieses Terminals 20 realisiert sein kann. Prinzipiell kann die Pulssequenz-Ermittlungseinrichtung 22 aber auch Teil der Steuereinrichtung 10 selber sein, insbesondere der Messsteuereinheit 15. Ebenso könnte die Pulssequenz-Ermittlungseinrichtung aber auch auf einem separaten Rechensystem realisiert sein, welches beispielsweise über das Netzwerk NW mit der Magnetresonanzanlage verbunden ist.
Die Pulssequenz-Ermittlungseinrichtung umfasst eine Eingangs-Schnittstelle 23 zur Übernahme der Steuerparameter SP, TE. Die Steuerparameter SP, TE werden an eine Pulssequenz-Berechnungseinheit 25 übergeben, die eine Pulssequenz ermittelt. Eine erfindungsgemäße Pulssequenzoptimierungsseinrichtung 26 kann in die Pulssequenz-Ermittlungseinrichtung 22 integriert sein oder als separater Block ausgeführt sein. Sie empfängt das Ausgangssignal der Pulssequenz-Berechnungseinheit 25 als Eingangssignal.
Die Pulssequenzoptimierungsseinrichtung 26 umfasst eine Refokussierungspulseinheit 27, eine Schichtselektionsgradientenpulseinheit 28 und eine Gradientenspoilerpulseinheit 29, in denen die erfindungsgemäße Optimierung vorgenommen wird. Die Einheiten 27, 28 und 29 sind untereinander verbunden. Für eine iterative Bestimmung der optimierten Pulssequenz kann eine Rückführung von Daten von jeder Einheit zu jeder Einheit stattfinden. In 1 ist in nicht beschränkender Weise nur eine Rückkopplung von der Gradientenspoilerpulseinheit 29 zur Refokussierungspulseinheit 27 dargestellt. Die Pulssequenzoptimierungsseinrichtung 26 umfasst ferner eine Eingangschnitt-stelle 30, über die die von der Pulssequenz-Berechnungseinheit 25 berechnete Pulssequenz empfangen wird.
Die optimierte Pulssequenz kann über eine Pulssequenz-Schnittstelle 24 wieder ausgegeben werden und beispielsweise in dem in 1 dargestellten Fall über die Terminalschnittstelle 17 an die Messsteuereinheit 15 übergeben werden, so dass dann vollautomatisch die Messung abläuft. Parameter der optimierten Pulssequenz können am Terminal dem Benutzer angezeigt werden und so vom ihm angenommen oder abgelehnt werden. Die Optimierung kann aber auch vollautomatisch ablaufen, ohne dass der Benutzer Kenntnis davon erhält oder zumindest keine Details über einzelne Parameteränderungen mitgeteilt bekommt. Das ist möglich, da sich die Pulsoptimierung hier nur auf die Geräuschentwicklung auswirkt aber keinen Einfluss auf die Bildqualität hat. Wie bereits oben erwähnt, wird üblicherweise für eine Messung nicht nur eine Pulssequenz, sondern eine Abfolge solcher Pulssequenzen erzeugt, die dann nacheinander abgearbeitet werden, um so die erforderlichen Rohdaten RD für die gewünschten Bilddaten BD zu akquirieren.
2 zeigt in einem Graphen 30 Hochfrequenzpulse, deren Amplitude A über der Zeit t jeweils in willkürlichen Einheiten (w. E.) dargestellt ist. In einem Graphen 31 sind darunter dazugehörige Schichtselektionsgradientenpulse ebenfalls mit ihrer Amplitude über der Zeit jeweils in willkürlichen Einheiten dargestellt.
Die Hochfrequenzpulsfolge umfasst einen Anregungspuls 32, der so berechnet ist, dass er bestimmte Atomkernspins um einen bestimmten Flipwinkel auslenkt. Der Anregungspuls ist von der erfindungsgemäßen Optimierung nicht betroffen. Anschließend an den Anregungspuls 32 folgen Refokussierungs- oder auch Rephasierungspulse 33, die eine Rephasierung der auseinanderlaufenden Kernspins in an sich bekannter Weise bewirken. Die Refokussierungspulse 33 haben jeweils eine Amplitude A₀ und eine Pulsdauer Δt₀.
Damit der Anregungspuls 32 und die Refokussierungspulse 33 auf eine bestimmte, selektierte Schicht wirken, werden gleichzeitig Schichtselektionsgradientenpulse 34 ausgespielt. Auf die Schichtselektionsgradientenpulse 34, die während des Anregungspulses 32 ausgespielt werden, wird hier nicht näher eingegangen, da sie für das Verständnis der Erfindung unerheblich sind. An dieser Stelle greift auch nicht die Optimierung ein.
Die Refokussierungspulse 33 sind jeweils begleitet von gleichzeitig ausgespielten Schichtselektionsgradientenpulsen 35. Die Schichtselektionsgradientenpulse 35 haben die gleiche Pulsdauer Δt₀ wie die Refokussierungspulse 33. Der erste Schichtselektionsgradientenpuls 35, der zeitgleich mit dem ersten Refokussierungspuls 33 ausgespielt wird, weist einen Gradientenspoilerpuls 36 auf. Die zeitlich nachfolgenden Schichtselektionsgradientenpulse 35 weisen jeweils vor und nach dem Puls einen Gradientenspoilerpuls 37 auf. Diese Gradientenspoilerpulspaare 37 können auch als Crusher-Pulse bezeichnet werden. Zum Abschluss, wenn kein Refokussierungspuls mehr ausgespielt wird, folgt ein letzter Spoilerpuls 38. Das erfindungsgemäße Verfahren wirkt auf die Gradientenspoilerpulse 36 und 37.
Anhand von 3 sollen im Folgenden die zeitlichen Zusammenhänge zwischen den einzelnen Pulsfolgen einschließlich der in 2 nicht gezeigten Auslesegradienten und Phasenkodiergradienten erläutert werden. 3 zeigt in stark schematisierter Weise eine Pulssequenz, auf die das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden kann. Im Graphen 40 ist ein Hochfrequenzpuls 41 mit seiner Amplitude über der Zeit in willkürlichen Einheiten aufgetragen. Der Hochfrequenzpuls 41 soll ein Refokussierungspuls sein, entsprechend beispielsweise den Refokussierungspulsen 33 in 2. In einem Graphen 42 ist darunter ein Amplitudenverlauf über der Zeit des Schichtselektionsgradienten aufgezeigt. Die Darstellung erfolgt wieder in willkürlichen Einheiten. Ein Schichtselektionsgradientenpuls 43 mit einem Moment S ist flankiert von zwei Gradientenspoilern 44 mit einem Spoilermoment von jeweils C.
Im Graphen 45 ist in willkürlichen Einheiten die Amplitude über der Zeit eines Auslesegradienten aufgetragen. Ein Auslesegradientenpuls 46 mit einem Auslesegradientenmoment A ist flankiert von zwei Auslesespoilern 47 mit einem Auslesespoilermoment von jeweils D.
Im Graphen 48 ist der Amplitudenverlauf eines Phasenkodiergradienten über der Zeit ebenfalls in willkürlichen Einheiten aufgetragen. Ein Phasenkodiergradientenpuls 49 sorgt für eine Ortskodierung in Phasenkodierrichtung.
Der Refokussierungspuls 41 beginnt zu einem Zeitpunkt t₁ und endet zu einem Zeitpunkt t₂. Die Differenz Δt = t₂ – t₁ bezeichnet die Pulsdauer des Refokussierungspulses 41, die erfindungsgemäß optimiert wird. Zeitgleich mit dem Refokussierungspuls 41 wird der Schichtselektionsgradientenpuls 43 ausgespielt, d. h. der Schichtselektionsgradientenpuls 43 beginnt ebenfalls zum Zeitpunkt t₁ und endet zum Zeitpunkt t₂. Er sorgt dafür, dass der Refokussierungspuls 41 auf eine selektierte Schicht wirkt. Anschließend gibt es ein Auslesefenster von der Zeit t₃ bis zu der Zeit t₄, in der der Auslesegradientenpuls 46 ausgespielt wird. Vor dem Auslesegradientenpuls 46 und nach dem Schichtselektionsgradientenpuls 43 wird der Phasenkodiergradient 49 ausgespielt, der damit zum Zeitpunkt t₂ beginnt und zum Zeitpunkt t₃ endet. Nicht eingezeichnet in 3 ist ein gegebenenfalls nachfolgender Refokussierungspuls, der zu einem Zeitpunkt t₅ nach dem abschließenden Auslesespoilerpuls 47 ausgespielt wird.
Der Abstand zwischen zwei Refokussierungspulsen ist der Echoabstand, das sog. Echospacing ESP. Dieser Echoabstand kann erfindungsgemäß unverändert bleiben. Auch eine Echozeit kann vom Benutzer abhängig von seiner Bildgebungsaufgabe frei gewählt werden. Die Spoilerpulse, d. h. sowohl die Schichtselektionsgradientenspoilerpulse 44 als auch die Auslesespoilerpulse 47 dienen dazu, FID-Signale zu unterdrücken. Hierzu müssen sie ein bestimmtes Gesamtspoilermoment C + D haben. Die Zeitdauer der Spoilerpulse ist durch das Ende des Refokussierungspulses zum Zeitpunkt t₂ und den zeitlichen Beginn des Auslesefensters, d. h. des Auslesegradientenpulses 46, zum Zeitpunkt t₃ vorgegeben. Die zeitliche Lage des Auslesefensters wird durch die Echozeit bestimmt. Um das Spoilermoment erreichen zu können, das die FID-Signale unterdrückt, sind die Amplituden der Spoilerpulse hoch, wie in 2 deutlicher zu sehen ist, da die zur Verfügung stehende Zeit eng begrenzt ist. Will man den Echoabstand und/oder die Echozeit nicht verändern, so gibt es kaum Spielraum für eine Veränderung der Spoilerpulse. Hier setzt die Erfindung an.
4 zeigt im Graphen 50 ein Detail aus 3. Ein Schichtselektionsgradientenpuls 51, der den Schichtselektionsgradientenpulsen 35 aus 2 und dem Schichtselektionsgradientenpuls 43 aus 3 entsprechen kann, ist mit seinen Gradientenspoilerpulsen 52 (entsprechend Gradientenspoilern 37 und Gradientenspoilern 44) mit seiner Amplitude über der Zeit in willkürlichen Einheiten aufgetragen. Der Schichtselektionsgradientenpuls 51 beginnt zu einer Zeit t₁ und endet zu einer Zeit t₂, seine Pulsdauer ist Δt. Die Amplitude des Schichtselektionsgradientenpulses 51 ist G₀. Eine Gesamtzeitdauer T_G ist vorgegeben durch die Echozeit bzw. den Echoabstand. Die Spoiler- oder Crusher-Pulse 52 haben jeweils eine Zeitdauer T_C, die sich ergibt aus T_C = (T_G – Δt) ÷ 2 (1)
Zur sicheren Unterdrückung von FID-Signalen ist die in 4 schraffiert dargestellte Fläche der Crusher-Pulse 52 vorgegeben. Mit einer vorgegebenen Zeitdauer T_C ist somit eine Amplitude S₀ für die Crusher-Pulse 52 vorgegeben. Die Anstiegszeit ist kurz, d. h. eine Flanke 53 ist sehr steil, die Slew Rate ΔS₀/dt ist hoch.
Ein in 4 unter dem Graphen 50 liegender Graph 55 zeigt einen erfindungsgemäß optimierten Gradientenverlauf mit einer optimierten Pulsdauer für den Schichtselektionsgradienten. In Graph 55 ist die Amplitude eines Schichtselektionsgradientenpulses 56 und flankierender Gradientenspoilerpulse 57 über der Zeit in willkürlichen Einheiten aufgetragen. Die Gesamtdauer T_G für das Ausspielen von Schichtselektionsgradientenpuls 56 und den Gradientenspoilerpulsen 57 ist gegenüber dem Graphen 50 unverändert. Der Echoabstand der Refokussierungspulse und das Auslesefenster haben sich nicht verändert. Der Schichtselektionsgradientenpuls 56 hat die Länge Δt_opt und eine Amplitude G_opt. Die Länge Δt_opt ergibt sich aus der verkürzten Länge des dazugehörigen Refokussierungspulses, wie im Zusammenhang mit 3 erläutert. Dadurch, dass Δt_opt kleiner ist als Δt, steht für die Spoilerpulse 57 mehr Zeit t_Copt zur Verfügung. Das vorgegebene Spoilermoment C, d. h. der vorgegebene Flächeninhalt der schraffierten Fläche, die durch die Spoilerpulsamplitude und die Zeitachse begrenzt ist und durch die ursprünglichen Spoilerpulse 52 gegeben ist, kann jetzt in einer dreieckigen Fläche erreicht werden. Die Flanke 58 ist wesentlich flacher als die Flanke 53, die Slew Rate ΔS/dt ist niedriger. Eine Amplitude S_opt der Spoilerpulse 57 ist dadurch kleiner als die Amplitude So der Spoilerpulse 52 und gleich groß wie die Amplitude G_opt des Schichtselektionsgradientenpulses 56.
Wie in Graph 55 (4) ersichtlich, ist der Schichtselektionsgradient 56 nicht nur in seiner Zeitdauer gemäß der verkürzten Zeitdauer des Refokussierungspulses zeitlich verkürzt worden, sondern die Amplitude G_opt ist gegenüber dem unveränderten Schichtselektionsgradienten erhöht worden. Der Zusammenhang zwischen der zeitlichen Verkürzung und der vergrößerten Amplitude soll nachfolgend anhand der 5 erläutert werden.
5 zeigt die Schichtselektion in einem Graphen 60, in dem eine Bandbreite ω des Refokussierungspulses in willkürlichen Einheiten über einer Schichtkoordinate z in willkürlichen Einheiten aufgetragen ist. Es soll, vorgegeben von einer gewünschten Bildaufnahme und der ursprünglichen Pulssequenz, eine Schicht von z₁ bis z₂ mit einer Schichtdicke Δz selektiert werden. Die ursprüngliche Bandbreite des Refokussierungspulses soll Δω1 gewesen sein. Durch die zeitliche Verkürzung des Refokussierungspulses auf eine optimale Pulsdauer ist die Bandbreite des Refokussierungspulses angehoben worden. Die optimierte Bandbreite sei Δω2. Mit der ursprünglichen Bandbreite Δω1 und einer ursprünglichen Schichtselektionsgradientenstärke G₀, wie in einer Geraden 61 dargestellt, wurde die Schicht von z₁ bis z₂ mit der Dicke Δz selektiert. Mit einer verbreiterten Bandbreite Δω2 muss die Gradientenstärke auf G_opt angehoben werden, wie in einer Geraden 62 dargestellt, damit auch mit der Bandbreite Δω2 weiterhin die gleiche Schichtdicke Δz selektiert wird. Würde die Amplitude des Schichtselektionsgradienten bei G₀, d. h. der Geraden 61, bleiben, so würde eine deutlich größere Schichtdicke selektiert. Dieser Zusammenhang zwischen Gradientenstärke und Schichtdicke ist allgemein bekannt und sollte hier nur noch einmal kurz zum besseren Verständnis erläutert werden.
Das Gradientenspoilermoment C ist abhängig von der Schichtdicke Δz. Da die Schichtdicke unverändert bleibt, an der Pulssequenz sollen ja für die Bildaufnahme selbst keine Parameter geändert werden, bleibt auch das Gradientenspoilermoment C bei der Optimierung gleich. Pulsdauer Δt und Gradientenstärke G ändern sich. Im optimierten Fall gemäß Graph 55 ist das Gradientenspoilermoment C wegen der Dreiecksform also gegeben durch C = 1 / 2G·T_C = 1 / 4G·(T_G – Δt) (2)
Die Pulsbandbreite ω hängt wie oben erläutert mit der Pulsdauer Δt zusammen, bei SINC-förmigen Pulsen gilt beispielsweise für die Bandbreite ω: ω = 1,21 ÷ Δt (3)
Es muss also für die gegebene Schichtdicke Δz gelten: Δz = ω ÷ (γ·G) (4) mit γ = gyromagnetisches Verhältnis.
Daraus folgt bei SINC-förmigen Refokussierungspulsen die optimale Refokussierungspulsbandbreite ω_opt: ω_opt = (4·C – 1,21 ÷ (γ·Δz)) ÷ T_G (5)
Auch für Refokussierungspulse mit einer anderen Form ist ein fester Zusammenhang zwischen Refokussierungspulsbandbreite ω_opt, der Schichtdicke Δz und dem Spoilmoment C gegeben. Der häufig verwendete SINC-Puls ist hier nur exemplarisch angegeben. Die optimale Bandbreite ist also abhängig von dem für die Unterdrückung der FID-Signale notwendigen Spoilermoment und der Gesamtdauer T_G.
In einigen Fällen kann abhängig von der verwendeten Magnetresonanzanlage mit dem optimalen Gradientenverlauf gemäß Graph 55 (4) keine optimale Geräuschminimierung erreicht werden, weil gerade bei diesem Gradientenpulsverlauf eine akustische Resonanzfrequenz der Magnetresonanzanlage angeregt wird. Die optimierte Pulssequenz kann daher in einem Beispiel auch einen Schichtselektionsgradientenverlauf aufweisen, wie er in 6 in einem Graphen 70 dargestellt ist.
Im Graph 70 ist wiederum die Amplitude der Gradientenpulse über der Zeit, jeweils in willkürlichen Einheiten, aufgetragen. Ein Schichtselektionsgradientenpuls 71 hat eine Amplitude G₁, die größer ist als die Amplitude G₀, und größer als die Amplitude G_opt. Die Pulsdauer Δt1 ist kürzer als die optimale Pulsdauer Δt_opt und kürzer als die ursprüngliche Zeitdauer Δt. Das heißt, dass auch der Refokussierungspuls eine Pulsdauer Δt hat, die kürzer ist als die optimale Pulsdauer Δt_opt. Das bedeutet wiederum, dass die Bandbreite ω des Refokussierungspulses größer ist als die ursprüngliche Bandbreite ω und größer als die optimale Bandbreite ω_opt. Die Spoilerpulse 72 haben eine maximale Amplitude, die gleich ist der Amplitude G₁ des Schichtselektionsgradientenpulses. Es wird also wieder eine Trapezform des Gesamtpulses erreicht. Dafür sind die Amplituden der Spoilerpulse 72 größer als in dem in Graph 55 dargestellten Fall. Die Spoilerpulse 72 müssen daher zeitlich verkürzt sein, damit das gleiche Spoilermoment erhalten bleibt. Die Gesamtpulsdauer von Spoilerpuls, Schichtselektionsgradientenpuls und zweitem Spoilerpuls ist T_Puls. T_Puls ist kleiner als die Gesamtzeit T_G, d. h. die zur Verfügung stehende Gesamtzeit wird nicht ausgenutzt. Der in Graph 70 dargestellte Gradientenverlauf ist nicht der optimale Verlauf, da die Flanken 73 der Spoilerpulse 72 steiler sind als die Flanken 58 der Spoilerpulse 57, also prinzipiell eine höhere Geräuschbelastung hervorrufen. Aus den oben erläuterten Gründen kann Graph 70 dennoch die optimierte Pulssequenz sein, um eine akustische Resonanz zu vermeiden.
7 zeigt einen Ablaufplan einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Eingangsgröße am Start S des Verfahrens ist eine Pulssequenz, die für eine bestimmte Bildgebungsaufgabe berechnet wurde. In einem Schritt I wird eine Pulsdauer des Refokussierungspulses verkürzt. In einem Schritt II wird die Pulsdauer eines Schichtselektionsgradientenpulses an die verkürzte Pulsdauer des Refokussierungspulses angepasst. Die Anpassung erfolgt unter der Vorgabe, dass der Schichtselektionsgradientenpuls gleichzeitig mit dem Refokussierungspuls und während des Refokussierungspulses ausgespielt werden muss. In einem Schritt III wird eine Amplitude des Schichtselektionsgradientenpulses so vergrößert, dass die gleiche Schichtdicke wie vor der Pulsdauerverkürzung des Refokussierungspulses selektiert wird. Dieser Zusammenhang ist oben mit Bezug auf 5 näher erläutert worden. Die verkürzte Pulsdauer des Refokussierungspulses geht einher mit einer vergrößerten Bandbreite des Refokussierungspulses und erfordert damit eine Erhöhung der Amplitude des Schichtselektionsgradienten. Ergebnis E des Verfahrens ist eine Pulssequenz, deren Pulsform des Gradientenspoilerpulses ohne eine Änderung des Gesamtspoilermoments angepasst wurde, so dass eine optimale verkürzte Pulsdauer des Refokussierungspulses erreicht ist. Dabei ist die Anpassung der Pulsform des Gradientenspoilerpulses so erfolgt, dass eine maximale Amplitude des Gradientenspoilerpulses gleichgesetzt werden kann mit der Amplitude des Schichtselektionsgradientenpulses und die Flankensteilheit des Gradientenspoilerpulses minimiert ist.
8 zeigt eine etwas komplexere Ausführungsform des Verfahrens, bei dem auch eine mögliche vorgegebene SAR-Limitierung beachtet wird, und bei der akustische Resonanzfrequenzen der Magnetresonanzanlage eine Verschiebung des Frequenzspektrums der Gradientenspoilerpulse erforderlich machen, so dass die angestrebte optimale Pulsform des Gradientenspoilerpulses in der optimierten Pulssequenz nicht verwendet wird.
Das Verfahren, wie in 8 in einem Ablaufplan dargstellt, beginnt wieder an einem Startpunkt S mit einer vorgegebenen Pulssequenz, die wenigstens einen Refokussierungspuls, einen Schichtselektionsgradientenpuls und einen Gradientenspoilerpuls umfasst. Es kann sich um eine SE- oder TSE-Sequenz handeln, oder um eine andere Pulssequenz, auf die die Vorgaben zutreffen. In einem Schritt I wird wiederum eine verkürzte Pulsdauer des Refokussierungspulses, einhergehend mit einer vergrößerten Bandbreite ω des Refokussierungspulses bestimmt. In einem Schritt II wird die Pulsdauer des Schichtselektionsgradientenpulses an die verkürzte Pulsdauer des Refokussierungspulses angepasst. In einem Schritt III wird eine Amplitude des Schichtselektionsgradientenpulses so vergrößert, dass die gleiche Schichtdicke wie vor der Pulsdauerverkürzung des Refokussierungspulses selektiert wird. In einem Schritt IV wird die Pulsform eines Auslesespoilerpulses überprüft und zur Erreichung der optimalen Pulsform werden Gradientenspoilermoment und Auslesespoilermoment zusammen betrachtet und ggf. das Gradientenspoilermoment verändert unter Beibehaltung des Gesamtspoilermoments. Das heißt, ein Teil des Gradientenspoilermoments kann vom Auslesespoilermoment übernommen werden, das Gradientenspoilermoment verringert sich, wenn sich das Auslesespoilermoment vergrößert und umgekehrt.
Die Schritte I bis III und IV werden in einem iterativen Prozess durchlaufen. Das heißt, nachdem eine erste Verkürzung der Pulsdauer des Refokussierungspulses angesetzt wurde, werden Schritt II und Schritt III abgearbeitet, ggf. mit Schritt IV. Anschließend wird das Ergebnis wieder in Schritt I eingespeist, wenn das optimale Ergebnis noch nicht erreicht wurde, und wiederum eine Verkürzung der Pulsdauer vorgenommen. In dem Rückschleifpfad kann ein Schritt VIII vorgenommen werden, in dem die akustische Resonanzfrequenz des Magnetresonanzsystems berücksichtigt wird. In dem Schritt VIII wird ein Frequenzspektrum der aktuell optimierten Pulssequenz betrachtet und mit der akustischen Resonanzfrequenz verglichen. Liegt die akustische Resonanzfrequenz im Frequenzspektrum der Pulssequenz, so erfolgt eine entsprechende Mitteilung an Block I und die Pulsdauer bzw. die Bandbreite des Refokussierungspulses werden entsprechend geändert.
Optional kann in einem Schritt V eine minimale erlaubte Pulsdauer des Refokussierungspulses ermittelt werden, bei der eine für die Pulssequenz vorgegebene maximale SAR-Limitierung nicht überschritten wird. Die minimale erlaubte Pulsdauer des Refokussierungspulses wird in Block I eingespeist und im Schritt I berücksichtigt. Das kann beispielsweise heißen, dass ein Iterationsvorgang abgebrochen wird, wenn die minimale erlaubte Pulsdauer erreicht wird, selbst wenn noch keine optimale Pulsform des Gradientenspoilerpulses erreicht ist.
Ist im Schritt III, ggf. nach mehreren Iterationsdurchläufen, die optimale Pulsform erreicht, so kann in einem Schritt VI der Auslesespoilerpuls an die verkürzte Pulsdauer des Refokussierungspulses angepasst werden. Das heißt, wie in 3 ersichtlich, dass für den Auslesespoilerpuls, der zwischen dem Zeitpunkt t₂ und dem Zeitpunkt t₃ liegt, mehr Zeit zur Verfügung steht, da der Zeitpunkt t₂ durch die Verkürzung der Pulsdauer des Refokussierungspulses 41 in die Nähe der Zeit t₁ gerückt ist. Das heißt, die Differenz t₃ – t₂ ist größer geworden. Bei Aufrechterhaltung des Auslesespoilermoments kann die Amplitude des Auslesespoilermoments abgesenkt werden und damit kann auch für den Auslesespoiler die Flankensteilheit verringert werden. Entsprechendes gilt für den Phasenkodiergradienten 49 in 3, der in einem Schritt VII in 8 ebenfalls an die im Optimierungsprozess gefundene verkürzte Pulsdauer des Refokussierungspulses 41 angepasst werden kann. Auch der Phasenkodiergradient 49 wird zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃ ausgespielt. Wenn t₂ früher liegt, ist die Differenz t₃ – t₂ größer und der Phasenkodiergradientenverlauf kann flacher gestaltet werden, auch hier sinkt die Slew Rate. Jede Gradienten-Slew-Rate, unabhängig, ob es sich um den Schichtselektionsgradienten, den Auslesegradienten oder den Phasenkodiergradienten handelt, trägt zur Geräuschbelästigung bei. Es ist also wünschenswert, jegliche Flanke flacher zu gestalten.
Das Verfahren, wie in 8 dargestellt, endet an einem Punkt E mit einer optimierten Pulssequenz.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den zuvor beschriebenen detaillierten Verfahren und Aufbauten um Ausführungsbeispiele handelt und dass das Grundprinzip auch in weiten Bereichen vom Fachmann variiert werden kann, ohne die Idee der Erfindung zu verlassen. Insbesondere wird noch einmal betont, dass sich das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur an Spin-Echo-Verfahren und Turbo-Spin-Echo-Sequenzen sondern auch an anderen Sequenzen anwenden lässt. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein” bzw. „eine” nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit” nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.

Claims

Verfahren zum Optimieren einer Pulssequenz für eine Magnetresonanzanlage (1), wobei die Pulssequenz wenigstens einen Refokussierungspuls (33; 41), einen Schichtselektionsgradientenpuls (35; 43; 51; 56) und einen Gradientenspoilerpuls (36, 37; 44; 52, 57) umfasst, wobei die Pulsdauer (Δt) des Refokussierungspulses (33; 41) verkürzt wird, die Pulsdauer (Δt) des Schichtselektionsgradientenpulses (35; 43; 51; 56) an die verkürzte Pulsdauer des Refokussierungspulses (33; 41) angepasst wird, die Amplitude (G₀, G_opt) des Schichtselektionsgradientenpulses (35; 43; 51; 56) so vergrößert wird, dass die gleiche Schichtdicke (Δz) wie vor der Pulsdauerverkürzung des Refokussierungspulses selektiert wird, und die Pulsform des Gradientenspoilerpulses (36, 37; 44; 52, 57) ohne Änderung des Gesamtspoilermoments angepasst wird, wobei eine optimale verkürzte Pulsdauer des Refokussierungspulses dann erreicht ist, wenn bei der Anpassung der Pulsform des Gradientenspoilerpulses (36, 37; 44; 52, 57) die maximale Amplitude des Gradientenspoilerpulses (36, 37; 44; 52, 57) gleichgesetzt werden kann mit der Amplitude des Schichtselektionsgradientenpulses und die Flankensteilheit des Gradientenspoilerpulses minimiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Pulsform des Gradientenspoilerpulses (36, 37; 44; 52, 57) ohne Änderung des Gradientenspoilermoments (C) angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die verkürzte Pulsdauer des Refokussierungspulses (33; 41) durch eine Streckung des Refokussierungspulses (33; 41) in Amplitudenrichtung erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei es sich bei der Pulssequenz um eine Spinechosequenz oder um eine Turbospinechosequenz handelt, und die Optimierung einen Echoabstand unverändert lässt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine Optimierung für wenigstens eine Mehrzahl von Refokussierungspulsen (33; 41) vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine minimale erlaubte Pulsdauer des Refokussierungspulses (33; 41) ermittelt wird, bei der eine für die Pulssequenz vorgegebene maximale SAR-Limitierung nicht überschritten wird, und die minimale erlaubte Pulsdauer des Refokussierungspulses bei der Optimierung nicht unterschritten wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Flankensteilheit eines Auslesespoilerpulses (47) und/oder eines Phasenkodierpulses (49) in Anpassung an die verkürzte Pulsdauer des Refokussierungspulses (33; 41) verringert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend Verändern der Pulsdauer des Refokussierungspulses (33; 41) abweichend von der optimalen verkürzten Pulsdauer, wenn wenigstens eine akustische Resonanzfrequenz der Magnetresonanzanlage (1) innerhalb eines Frequenzspektrums des angepassten Gradientenspoilerpulses (36, 37; 44; 52, 57) liegt, so dass sich das Frequenzspektrum verschiebt und die akustische Resonanzfrequenz außerhalb des Frequenzspektrums liegt.
Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanzanlage (1), bei dem zunächst in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eine Pulssequenz optimiert und dann die Magnetresonanzanlage (1) unter Nutzung der optimierten Pulssequenz betrieben wird.
Pulssequenzoptimierungsseinrichtung (26) zum Optimieren einer Pulssequenz für eine Magnetresonanzanlage (1), wobei die Pulssequenz wenigstens einen Refokussierungspuls (33; 41), einen Schichtselektionsgradientenpuls (35; 43; 51; 56) und einen Gradientenspoilerpuls (36, 37; 44; 52, 57) umfasst, umfassend eine Eingangsschnittstelle (30) zum Empfangen von die Pulssequenz bestimmenden Parametern, eine Refokussierungspulseinheit (27) zum Bestimmen einer verkürzten Pulsdauer (Δt) des Refokussierungspulses (33; 41), eine Schichtselektionsgradientenpulseinheit (28) zur Anpassung der Pulsdauer des Schichtselektionsgradientenpulses (35; 43; 51; 56) an die verkürzte Pulsdauer des Refokussierungspulses, zur Vergrößerung der Amplitude des Schichtselektionsgradientenpulses, so dass die gleiche Schichtdicke (Δz) wie vor der Pulsdauerverkürzung des Refokussierungspulses selektiert wird, und eine Gradientenspoilerpulseinheit (29) zur Anpassung der Pulsform des Gradientenspoilerpulses (36, 37; 44; 52, 57) ohne Änderung des Gesamtspoilermoments, wobei eine optimale verkürzte Pulsdauer des Refokussierungspulses (33; 41) dann erreicht ist, wenn bei der Anpassung der Pulsform des Gradientenspoilerpulses (36, 37; 44; 52, 57) die maximale Amplitude des Gradientenspoilerpulses gleichgesetzt werden kann mit der Amplitude des Schichtselektionsgradientenpulses (35; 43; 51; 56) und die Flankensteilheit des Gradientenspoilerpulses minimiert ist.
Magnetresonanzanlage (1) mit einem Hochfrequenz-Sendesystem, mit einem Gradientensystem (4) und einer Steuereinrichtung (15), welche ausgebildet ist, um zur Durchführung einer gewünschten Messung auf Basis einer vorgegeben Pulssequenz das Hochfrequenz-Sendesystem und das Gradientensystem (4) anzusteuern, wobei eine Pulssequenzoptimierungseinrichtung (26) nach Anspruch 10 vorgesehen ist, um eine optimierte Pulssequenz zu ermitteln und diese an die Steuereinrichtung (15) zu übergeben.
Computerprogramm, welches direkt in einen Speicher einer Pulssequenzoptimierungseinrichtung (26) ladbar ist, mit Programmcodeabschnitten, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen, wenn das Programm in der Pulssequenzoptimierungseinrichtung (26) ausgeführt wird.