DE102012220462B4

DE102012220462B4 - Verfahren und Vorrichtung zur SAR Reduktion mittels B0 spezifischer HF Anregung

Info

Publication number: DE102012220462B4
Application number: DE102012220462.8A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Fautz; Rene Gumbrecht
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2023-12-28
Anticipated expiration: 2032-11-10
Also published as: US9709643B2; DE102012220462A1; US20140132262A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung eines Hochfrequenz-Pulses mittels eines Magnetresonanz-Tomographens (1) für die Anregung von Kernspins in einem vorbestimmten Messvolumen (30) für eine Magnetresonanz-Tomographie, wobei der Magnetresonanz-Tomograph (1) eine Versorgungseinheit (20) und eine Magneteinheit (10) zur Erzeugung eines Magnetfeldes B aufweist, welches in dem Messvolumen (30) eine räumliche Variation BV aufweist, und wobei die Versorgungseinheit (20) eine Steuerung (21) und eine Hochfrequenz-Pulserzeugungseinheit (23) umfasst, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:- Ermitteln (S10; S11, S12) einer räumlichen Variation einer Magnetfeldstärke des Magnetfeldes B in dem Messvolumen (30) durch die Steuerung (21);- Festlegen (S20) einer spektralen Frequenzverteilung des Hochfrequenz-Pulses unter der Randbedingung eines im wesentlichen minimalen Energiegehalts des Hochfrequenz-Pulses durch die Steuerung (21), wobei der Hochfrequenz-Puls mit der spektralen Frequenzverteilung ausgelegt ist, Kernspins der Probe in dem Magnetfeld B in dem Messvolumen (30) um einen vorbestimmten Flipwinkel θ mit einer vorbestimmten Varianz des Flipwinkels Δθ anzuregen und- Erzeugen (S30) des Hochfrequenz-Pulses mit der festgelegten spektralen Frequenzverteilung durch die Hochfrequenz-Pulserzeugungseinheit (23).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Hochfrequenz-Pulses für die Anregung von Kernspins einer vorbestimmten Schicht einer Probe für eine Magnetresonanz-Tomographie sowie einen Magnetresonanz-Tomographen zur Ausführung des Verfahrens.
Aus dem Stand der Technik ist die Magnetresonanz-Tomographie als bildgebendes Verfahren bekannt, bei dem die Wasserstoff-Dichte und -Bindungsverhältnisse in einem Untersuchungsobjekt anhand einer Anregung der Kernspins der Protonen im Kern des Wasserstoffs in einem äußeren Magnetfeld B mittels eines äu-ßeren Hochfrequenzsignals und eines daraufhin von dem Untersuchungsobjekt emittierten Hochfrequenz-Messsignals ermittelt und in eine bildliche Darstellung des Untersuchungsobjekts umgesetzt wird. Dabei können beispielsweise wasserhaltige Gewebe erfasst werden, aber auch andere Stoffe mit einem Kernspin ungleich Null.
Die Qualität des Hochfrequenz-Messsignals und der daraus erzeugten Bilder steigt dabei mit der Stärke des angelegten statischen äußeren Magnetfelds B, da mit zunehmendem Magnetfeld B der Energieabstand der Zustände des Protons im Magnetfeld zunimmt. Dies führt dazu, dass sich im thermischen Gleichgewicht ein Besetzungsunterschied und damit die Signalstärke vergrößert. Typische Feldmagneten für Magnetresonanz-Tomographie weisen heute Magnetfelder zwischen 1,5 T und 3 T auf, Geräte mit bis zu 7 T sind auch schon verfügbar.
Das zur Anregung der Kernspins erforderliche Hochfrequenzsignal wird mit der Larmorfrequenz, der Resonanzfrequenz der Kernspins im äußeren Magnetfeld eingestrahlt. Die Larmorfrequenz ist wiederum proportional zur Magnetfeldstärke B und die spezifische Absorptionsrate (SAR) der elektromagnetischen Strahlung im Körper ist wiederum proportional zum Quadrat der Frequenz f. Insgesamt ergibt sich für die spezifische Absorptionsrate $S A R \propto B^{2} θ^{2} Δ ƒ$
wobei θ der Flipwinkel ist, um den der Kernspin in seiner Ausrichtung zu kippen ist und Δf die Bandbreite des Anregungspulses. Die Bandbreite wird bestimmt durch die Variation des Magnetfeldes B in einem Messvolumen, für das eine Abbildung erfolgen soll. Darüber hinaus ist ein Sicherheitsspielraum in der Bandbreite vorzusehen, um Abweichungen des Magnetfeldes von der Soll-Feldstärke zu berücksichtigen, die beispielsweise durch den Körper des Patienten selbst oder der Umgebung des Magnetresonanz-Tomographen verursacht werden können. Wird der Sicherheitsspielraum in der Bandbreite zu gering ausgelegt, führt dies dazu, dass Kernspins nicht oder in versetzten Bereichen angeregt werden. Bei der Rekonstruktion der Abbildung führt dies dazu, dass diese Bereiche nicht oder an falschen Koordinaten abgebildet werden und so Artefakte in der Abbildung erzeugen.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2010 093 555 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Magnetresonanzaufnahmen. Die Vorrichtung markiert eine Flüssigkeit in einem Markierungsbereich, bevor die Flüssigkeit in einen Aufnahmebereich einströmt, dadurch dass Kernspins der Flüssigkeit mit einer Lamorfrequenz des Markierungsbereichsbereichs angeregt werden. Die Vorrichtung leitet die Lamorfrequenz des Markierungsbereichs aus einer Magnetfeldstärke ab, die für den Markierungsbereich ermittelt wird.
Aus der Offenlegungsschrift DE 103 30 926 A1 ist ein Verfahren zur Korrektur von BO-Feld-Abweichungen in der Magnetresonanz-Tomographie-Bildgebung bekannt. Dazu wird in dem Verfahren durch Messung von Phasenkorrekturscans eine Phasendifferenz bestimmt, daraus eine BO-Feldkarte ermittelt und die Messdaten mithilfe der berechneten BO-Feldkarte korrigiert.
Die Offenlegungsschrift WO 2012/138902 A1 offenbart ein Verfahren zur Kalibrierung eines Magnetfeldes einer Magnetresonanzvorrichtung, indem mittels Messungen an einem Objekt eine Radiofrequenzkarte für das Objekt ermittelt wird und danach Shim-Spulen derart angesteuert werden, dass Abweichungen des Magnetfeldes und damit der Radiofrequenzkarte korrigiert werden.
Für Magnetresonanz-Tomographen mit Magnetfeldern von 3T werden Spitzenpulsleistungen der Anregungspulse von 35 kW erreicht. Davon geht nur ein kleiner Teil der Leistung in die Anregung der Kernspins, während der größte Teil als Wärme im Körper der zu untersuchenden Person umgesetzt wird.
Ab einer gewissen Erwärmung besteht Gefahr für die Gesundheit der zu untersuchenden Person. So ist beispielsweise der Augapfel besonders empfindlich bezüglich einer Erwärmung und kann eingetrübt werden. Daher existieren länderspezifische Grenzwerte für eine maximal zulässige SAR. In Magnetresonanz-Tomographen mit 3T oder mehr ist es daher bereits erforderlich, die Leistung der Anregungspulse zu reduzieren oder die zeitlichen Abstände zwischen den Pulsen zu erhöhen, um einen zulässigen Mittelwert für die SAR einzuhalten. Die Folge ist, dass die Untersuchung länger dauert oder die Bildqualität bezüglich Auflösung oder Signal/Rauschabstand unter dem technisch erreichbaren bleibt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, einen Magnetresonanz-Tomographen und ein Verfahren zum Betrieb bereitzustellen, das eine Einhaltung der SAR Grenzwerte bei möglichst geringer Verschlechterung der Abbildung oder Verlängerung der Messzeiten ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erzeugung eines Hochfrequenz-Pulses für die Anregung von Kernspins einer vorbestimmten Schicht einer Probe für eine Magnetresonanz-Tomographie und einen erfindungsgemäßen Magnetresonanz-Tomographen zur Durchführung des Verfahrens gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Erzeugung eines Hochfrequenz-Pulses für die Anregung von Kernspins in einem vorbestimmten Messvolumen für eine Magnetresonanz-Tomographie. Die Magnetresonanz-Tomographie wird von einem Magnetresonanz-Tomographen durchgeführt, der eine Versorgungseinheit und eine Magneteinheit zur Erzeugung eines Magnetfeldes B aufweist, welches in dem Messvolumen eine Variation BV aufweist. Weiterhin umfasst die Versorgungseinheit eine Steuerung und eine Hochfrequenz-Pulserzeugungseinheit. Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Schritt des Ermittelns einer räumlichen Variation einer Magnetfeldstärke des Magnetfeldes B in dem Messvolumen durch die Steuerung auf. Weiterhin weist das Verfahren den Schritt des Festlegens einer spektralen Frequenzverteilung des Hochfrequenz-Pulses unter der Randbedingung eines im Wesentlichen minimalen Energiegehalts des Hochfrequenz-Pulses durch die Steuerung auf, wobei der Hochfrequenz-Puls mit der spektralen Frequenzverteilung ausgelegt ist, Kernspins der Probe in dem Magnetfeld B in dem Messvolumen um einem vorbestimmten Flipwinkel θ mit einer vorbestimmten Varianz des Flipwinkels Δθ anzuregen. Darüber hinaus umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt des Erzeugens des Hochfrequenz-Pulses mit der festgelegten spektralen Frequenzverteilung durch die Hochfrequenz-Pulserzeugungseinheit.
Auf vorteilhafte Weise ermöglicht es das Ermitteln der räumlichen Variation des Magnetfeldes B in dem Messvolumen, eine für jeden Ort des Messvolumens erforderliche Frequenz zur Anregung der Kernspins um einem vorbestimmten Flipwinkel θ mit einer vorbestimmten Varianz des Flipwinkels Δθ festzulegen und damit eine spektrale Frequenzverteilung des Hochfrequenz-Pulses zur Anregung. Dabei wird die spektrale Frequenzverteilung derart festgelegt, dass sie lediglich den zuvor bestimmten Frequenzbereich umfasst und damit der Hochfrequenz-Puls einen im Wesentlichen minimalen Energiegehalt aufweist. Dies ist vorteilhafterweise möglich, da die Festlegung des Frequenzbereichs auf ermittelten Information über die Magnetfeldvariation beruht und es deshalb nicht erforderlich ist, einen Sicherheitsspielraum für die Frequenzverteilung vorzusehen, der unbekannte Variationen des Magnetfeldes B abschätzt. Wie bereits dargestellt, ist wiederum die spezifische Absorptionsrate SAR proportional zur Bandbreite des Hochfrequenz-Pulses. Mit einer geringeren Bandbreite der spektralen Frequenzverteilung und einem im Wesentlichen minimalen Energiegehalt des Hochfrequenz-Pulses ist daher die SAR geringer, ohne die Qualität des Magnetresonanz-Signals für das Messvolumen zu verringern. Bei gleichem Grenzwert für die SAR ist es daher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, entweder die Leistung des Hochfrequenz-Pulses anzuheben und so die Signalqualität zu verbessern oder durch eine höhere Pulsrate die Erfassung der Magnetresonanz-Tomographie zu beschleunigen.
Die Aufgabe wird auch durch einen erfindungsgemäßen Magnetresonanz-Tomographen gelöst. Der erfindungsgemäße Magnetresonanz-Tomograph umfasst eine Magneteinheit zur Erzeugung eines Magnetfeldes B, welches in einem vorbestimmten Messvolumen eine Variation BV des Magnetfeldes B aufweist. Weiterhin umfasst der Magnetresonanz-Tomograph eine Versorgungseinheit, wobei die Versorgungseinheit eine Steuerung und eine Hochfrequenz-Pulserzeugungseinheit aufweist. Die Steuerung ist ausgelegt, eine räumliche Variation einer Magnetfeldstärke des Magnetfeldes B in dem Messvolumen zu ermitteln. Weiterhin ist die Steuerung dazu ausgelegt, eine spektralen Frequenzverteilung für einen Hochfrequenz-Puls unter der Randbedingung eines im Wesentlichen minimalen Energiegehalts des Hochfrequenz-Pulses zu bestimmen, sodass der Hochfrequenz-Puls geeignet ist, Kernspins der Probe in dem Magnetfeld B in dem Messvolumen um einem vorbestimmten Flipwinkel θ mit einer vorbestimmten Varianz des Flipwinkels Δθ anregen. Darüber hinaus ist die Hochfrequenz-Pulserzeugungseinheit dazu ausgelegt, den Hochfrequenz-Puls mit der spektralen Verteilung zu erzeugen.
Auf vorteilhafte Weise ist der erfindungsgemäße Magnetresonanz-Tomograph zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines Hochfrequenz-Pulses ausgelegt und weist daher die bereits für das Verfahren dargelegten Vorteile auf.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer Ausführungsform weist das Verfahren vor dem Schritt des Ermittelns einer räumlichen Variation BV einer Magnetfeldstärke des Magnetfeldes B die Schritte des Ermittelns einer räumlichen Variation einer Magnetfeldstärke eines Magnetfeldes B' in dem Messvolumen und der Korrektur des Magnetfeldes B' zu einem Magnetfeld B auf, sodass das Magnetfeld B in dem Messvolumen eine geringere räumliche Variation der Magnetfeldstärke aufweist als das Magnetfeld B'. Eine Korrektur kann beispielsweise durch Shimming mittels magnetischer Materialien im Magnetfeld B' oder durch mittels Spulen erzeugter zusätzlicher Magnetfelder erfolgen.
Durch die Korrektur des Magnetfeldes wird die Varianz des resultierenden Magnetfeldes B reduziert und damit die erforderliche spektrale Frequenzverteilung in der Bandbreite verringert, was auf vorteilhafte Weise zu einer kleineren SAR führt.
In einer Ausführungsform umfasst der Schritt des Ermittelns der Variation des Magnetfelds B eine Messung eines unkorrigierten Magnetfeldes B' und Berechnung eines aus dem unkorrigierten Magnetfeld B' und einem Korrekturfeld B'' resultierenden Magnetfeldes B.
Die Messung des unkorrigierten Magnetfeldes B' ermöglicht es, dessen Abweichung von einem homogenen Idealfeld zu bestimmen und daraus zu berechnen, wie ein Korrekturfeld eingestellt werden muss und welches resultierendes Magnetfeld B sich aus der Überlagerung des unkorrigierten Magnetfeldes B' und des Korrekturfeldes B'' ergibt. Mit dieser Information kann die spektrale Frequenzverteilung des Hochfrequenz-Pulses ermittelt werden und dabei vorteilhafter Weise auf einen Sicherheitsspielraum verzichtet werden, der zu einer größeren Bandbreite führt und den SAR-Wert erhöht.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst der Schritt des Ermittelns der Variation des Magnetfelds B eine Messung des korrigierten Magnetfeldes B.
Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise, auch in einer Rechnung nicht genau vorhersagbare Einflüsse in die Ermittlung der Variation zu berücksichtigen und so die spektrale Frequenzverteilung des Hochfrequenzpulses noch genauer anzupassen, was wiederum zu einem geringeren SAR Wert oder einer kürzeren Messzeit führt.
In einer Ausführungsform ist es dabei vorgesehen, dass das Ermitteln der Variation des Magnetfeldes B mittels einer Analyse einer spektralen Verteilung einer Resonanzlinie einer nicht ortsaufgelösten Referenzmessung in dem Messvolumen erfolgt.
Eine nicht ortsaufgelöste Referenzmessung erlaubt es, vorteilhafter Weise mit einer Messung innerhalb kurzer Zeit das gesamte Messvolumen zu erfassen. Dabei spiegelt sich die Variation des Magnetfeldes B in der Verteilung der Resonanzlinie wieder und ermöglicht es, daraus eine erforderliche spektrale Verteilung des Hochfrequenz-Pulses zu ermitteln, die die Anregung der Kernspins in dem gesamten Messvolumen erlaubt. Auch ist es denkbar, dass die Messung unter Anwesenheit des Patienten erfolgt, sodass vorteilhafter Weise alle Einflüsse des Patienten auf das Magnetfeld B berücksichtigt werden können.
In einer Ausführungsform erfolgt das Festlegen der spektralen Frequenzverteilung des Hochfrequenz-Pulses durch ein Festlegen der Dauer des Hochfrequenz-Pulses. Diese Art der Einstellung der spektralen Frequenzverteilung des Hochfrequenz-Pulses ist schaltungstechnisch besonders einfach zu realisieren.
In einer andern Ausführungsform erfolgt die Anregung der Kernspins durch den Hochfrequenz-Puls in dem Magnetfeld B, wobei das Magnetfeld B als eine Komponente ein Gradientenfeld BG aufweist. Das Festlegen der spektralen Frequenzverteilung des Hochfrequenz-Pulses erfolgt durch ein Festlegen eines zeitlichen Verlaufs einer Amplitude des Hochfrequenz-Pulses in Abhängigkeit von einem zeitlichen Verlauf einer Amplitude des Gradientenfeldes BG.
Durch die Einbeziehung des Gradientenfeldes wird ein zusätzlicher Freiheitsgrad gewonnen, der es beispielsweise auf vorteilhafte Weise ermöglicht, das Gradientenfeld und mit ihm die Amplitude des Hochfrequenz-Pulses in einem zeitlichen Intervall mit einer maximalen Amplitude des Hochfrequenz-Pulses zu reduzieren. Da gerade bei der maximalen Amplitude besonders viel Energie in die Probe übertragen wird, lässt sich so der SAR Wert besonders stark absenken.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Hochfrequenzpuls eine Mehrzahl von Teil-Pulsen auf und das Festlegen der spektralen Frequenzverteilung des Hochfrequenz-Pulses erfolgt durch ein Festlegen der Anzahl der Teil-Pulse. Eine Einstellung des Hochfrequenz-Pulses durch die Anzahl der Teilpulse ist schaltungstechnisch einfach zu realisieren.
Der Magnetresonanz-Tomograph zur Durchführung des Verfahrens teilt auf gleiche Weise die Vorzüge des Verfahrens, weshalb dies für die einzelnen Vorrichtungsansprüche an dieser Stelle nicht wiederholt wird.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemä-ßen Magnetresonanz-Tomographen;
2 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines Hochfrequenz-Pulses;
3 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines Hochfrequenz-Pulses;
4 einen erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Puls;
5 einen erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Puls;
6 einen erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Puls in zeitlichem Zusammenhang zu einem Gradientenfeld und
7 einen erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Puls.

In 1 ist ein erfindungsgemäßer Magnetresonanz-Tomograph 1 schematisch dargestellt. Der Magnetresonanz-Tomograph 1 weist zwei Einheiten 10, 20 auf.
Die Magneteinheit 10 weist einen Feldmagneten 11 auf, der ein statisches Magnetfeld B zur Ausrichtung von Kernspins von Proben bzw. Patienten 40 im Messvolumen 30 erzeugt. Üblicherweise handelt es sich bei dem Feldmagneten 11 um einen supraleitenden Magneten, der magnetische Felder mit einer magnetischen Flussdichte von bis zu 3T, bei neuesten Geräten sogar darüber, bereitstellen kann. Für geringere Feldstärken können jedoch auch Permanentmagnete oder Elektromagnete mit normalleitenden Spulen Verwendung finden.
Weiterhin weist die Magneteinheit 10 Gradientenspulen 12 auf, die dazu ausgelegt sind, zur räumlichen Differenzierung der erfassten Abbildungsbereiche in dem Messvolumen 30 dem Magnetfeld B variable Magnetfelder BG bzw. Gradientenfelder BG in drei Raumrichtungen zu überlagern. Die Gradientenspulen sind üblicherweise Spulen aus normalleitenden Drähten, die zueinander orthogonale Magnetfelder BG in dem Messvolumen 30 erzeugen können.
Die Magneteinheit 10 weist ebenfalls eine Körperspule 13 auf, die dazu ausgelegt ist, ein über eine Signalleitung zugeführtes Hochfrequenzsignal in das Messvolumen 30 abzustrahlen und von der Probe, d.h. vom Patient 40 emittierte Resonanzsignale zu empfangen und über die Signalleitung abzugeben. Es ist aber auch denkbar, dass die Körperspule 13 für das Aussenden des Hochfrequenzsignals und/oder das Empfangen durch lokale Spulen ersetzt wird, die in dem Messvolumen 30 nahe am Patient 40 angeordnet sind.
Eine Versorgungseinheit 20 versorgt die Magneteinheit 10 mit den verschiedenen Signalen für die Gradientenspulen 12 und die Körperspule 13 bzw. die lokalen Spulen und wertet die empfangenen Signale aus.
So weist die Versorgungseinheit 20 eine Gradientenansteuerung 22 auf, die dazu ausgelegt ist, die Gradientenspulen 12 über Zuleitungen mit variablen Strömen zu versorgen, welche zeitlich koordiniert die erwünschten Gradientenfelder BG in dem Messvolumen 30 bereitstellen.
Weiterhin weist die Versorgungseinheit 20 eine Hochfrequenz-Pulserzeugungseinheit 23 auf, die ausgelegt ist, einen Hochfrequenz-Puls mit einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf, Amplitude und spektraler Leistungsverteilung zu erzeugen. Der Puls wird durch einen Hochfrequenz-Leistungsverstärker 24 auf eine zur Anregung oder zum Kippen von Kernspins in der Probe 40 im Magnetfeld B bzw. in einem resultierenden Magnetfeld aus einer Überlagerung von B und Gradientenfeldern BG erforderliche Leistung verstärkt. Dabei können Leistungen im Bereich von Kilowatt erzeugt werden.
Die Versorgungseinheit 20 weist auch eine Hochfrequenz-Empfangseinheit 25 auf, die dazu ausgelegt ist, von der Körperspule 13 oder einer lokalen Spule empfangene und über eine Signalleitung der Hochfrequenz-Empfangseinheit 25 zugeführte Hochfrequenzsignale bezüglich Amplitude und Phase auszuwerten. Dabei handelt es sich insbesondere um Hochfrequenzsignale, welche Kernspins in der Probe 40 als Antwort auf die Anregung durch einen Hochfrequenz-Puls in dem Magnetfeld B bzw. in einem resultierenden Magnetfeld aus einer Überlagerung von B und Gradientenfeldern BG aussenden.
Weiterhin weist die Versorgungseinheit 20 eine Steuerung 21 auf, welche dazu ausgelegt ist, die zeitliche Koordination der Aktivitäten der Gradientenansteuerung 22, der Hochfrequenz-Pulserzeugungseinheit 23 und der Hochfrequenz-Empfangseinheit 25 vorzunehmen. Dazu ist die Steuerung 21 mit den anderen Einheiten 22, 23, 25 über einen Signalbus 26 verbunden und in Signalaustausch. Die Steuerung 21 ist dazu ausgelegt, von der Hochfrequenz-Empfangseinheit 25 ausgewertete Signale aus der Probe 40 entgegenzunehmen und zu verarbeiten sowie der Gradientenansteuerung 22 und der Hochfrequenz-Pulserzeugungseinheit 23 Puls- und Signalformen vorzugeben und zeitlich zu koordinieren. Insbesondere ist die Steuerung 21 dazu ausgelegt, die in 2 und 3 dargelegten Verfahren in Verbindung mit den Einheiten 22, 23, 24, 25 und der Magneteinheit 10 auszuführen.
2 stellt in einem Flussdiagramm eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines Hochfrequenz-Pulses dar.
In einem Schritt S10 ermittelt die Steuerung 21 eine Variation BV des Magnetfeldes B in dem Messvolumen 30, in dem die Probe 40 angeordnet ist. Dazu ermittelt die Steuerung 21 in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst die Abweichung des unkorrigierten Magnetfeldes B' durch eine Messung. Dies kann beispielsweise eine nicht ortsaufgelöste Magnetresonanz-Messung an einem Probekörper im Messvolumen 30 sein. Aus der gemessenen Magnetfeldverteilung von B' errechnet die Steuerung eine Korrektur des Feldes durch ein Korrekturfeld B''. Diese Korrekturfeld kann beispielsweise durch Korrekturfeldspulen(Shimming-Spulen) erzeugt werden, die durch die Steuerung 21 gemäß der errechneten Korrektur mit Strom zur Erzeugung des Korrekturfeldes B'' angesteuert werden. Es ist aber auch denkbar, dass das Magnetfeld von einem Bediener gemäß der errechneten Korrekturmaßnahmen durch an dem Feldmagneten 11 angeordnete Elemente aus magnetischem Material vorgenommen werden. Das resultierende Magnetfeld B entspricht dann unter Einwirkung des Korrekturfeldes B'' zumindest näherungsweise dem von der Steuerung 21 berechneten Magnetfeld und die Variation BV des Magnetfeldes B wird von der Steuerung durch die Differenz des Magnetfeldes B für die Orte im Messvolumen 30 zu einem Mittelwert des Magnetfeldes oder zu einem konstanten Sollwert bestimmt.
In einem Schritt S20 legt die Steuerung 21 eine spektrale Frequenzverteilung des Hochfrequenz-Pulses fest. Aus dem Schritt S10 ist der Steuerung 21 bereits eine Variation BV des Magnetfeldes B im Messvolumen 30 bekannt. Die Anregungsfrequenz, d.h. die Larmorfrequenz, für einen Kernspin in einem Magnetfeld B ist mit einem Proportionalitätsfaktor dfB zu dem Magnetfeld B proportional. Bei einer Magnetresonanz-Tomographie wird üblicherweise die Probe 40 in Schichten abgetastet, die idealerweise durch eine erste Ebene 31 und eine zweite Ebene 32 begrenzt sind, welche zueinander parallel sind. Eine derartige Schicht entspricht auch der bevorzugten Darstellung der Probe 40 in einem Schnittbild. Die Dicke der Schicht wird dabei durch ein Gradientenfeld BG, das dem Magnetfeld B überlagert wird, und der spektralen Frequenzverteilung des Hochfrequenz-Pulses bestimmt. Für eine Schicht der Dicke Dz senkrecht zur z-Achse ist dabei auch das Gradientenfeld BG in z-Richtung orientiert und weist eine konstante Änderung der Feldstärke dBz = dB/dz in z-Richtung auf. In einem idealen Magnetfeld B ohne räumliche Variation wäre dann die erforderliche Bandbreite des Hochfrequenz-Pulses zur Anregung für alle Kernspins in der Schicht df = dfB * dBz * Dz. In einem nicht-idealen Magnetfeld B mit einer räumlichen Variation BV des Magnetfeldes B hingegen bestimmt die Steuerung 21 für jeden Punkt der Schicht die erforderliche Anregungsfrequenz des Hochfrequenz-Pulses und ermittelt daraus das Frequenzintervall, das der der Hochfrequenz-Puls abdecken muss, aus der höchsten und der niedrigsten bestimmten Anregungsfrequenz. Es ist dabei auch denkbar, dass die Steuerung 21 unter der Annahme der Stetigkeit nur die Anregungsfrequenzen für die Punkte in den die Schicht begrenzenden Ebenen 31,32 betrachtet.
In einer Ausführungsform ist es aber auch denkbar, dass die Anregung der Kernspins in dem Messvolumen um einen vorbestimmten Flipwinkel θ mit einer vorbestimmten Varianz des Flipwinkels Δθ ohne Anliegen eines Gradientenfeldes BG erfolgt und die Ortsauflösung durch eine Phasenkodierung der Spinechos in 2 Koordinaten erfolgt. In einem Schritt S20 in dieser Ausführungsform bestimmt die Steuerung 21 die spektrale Frequenzverteilung des Hochfrequenz-Pulses allein aufgrund des Wertes des Magnetfeldes B und seiner ermittelten Variation.
Das Bestimmen der spektralen Frequenzverteilung erfolgt in dem Schritt S20 unter der Randbedingung eines im Wesentlichen minimalen Energiegehalts des Hochfrequenz-Pulses. Ein Hochfrequenz-Puls mit minimalem Energiegehalt wäre so ausgelegt, dass er gerade die Anregung aller Kernspins in dem Messvolumen um vorbestimmten Flipwinkel θ bewirken würde. In dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Magnetresonanz-Tomographen 1 ist aufgrund von Messungenauigkeiten und Toleranzen eine geringfügig größerer Energiegehalt vorzusehen, um zuverlässig Artefakte in der Abbildung durch unzureichend angeregte Kernspins zu vermeiden. So kann in einer Ausführungsform ein im Wesentlichen minimaler Energiegehalt der doppelte Wert des minimalen Energiegehalts sein. Es ist aber in einem erfindungsgemäßen Verfahren und Magnetresonanz-Tomographen denkbar, dass bei geringeren Toleranzen der im Wesentlichen minimale Energiegehalt das 1,5-fach oder 1,2-fache des minimalen Energiegehaltes ist.
In einem Schritt S30 steuert die Steuerung 21 die Hochfrequenz-Pulserzeugungseinheit 23 an, einen Hochfrequenz-Puls der bestimmten spektralen Frequenzverteilung zu erzeugen. Verschiedene Möglichkeiten zur Beeinflussung der spektralen Frequenzverteilung sind zu den 4 bis 7 erläutert. Der Hochfrequenzpuls wird dann von dem Hochfrequenz-Leistungsverstärker 24 verstärkt und von der Körperspule 13 oder einer lokalen Spule in das Messvolumen 30 abgestrahlt.
Im Stand der Technik wird hingegen die Variation des Magnetfelds B abgeschätzt und die spektrale Frequenzverteilung aufgrund dieser Abschätzung mit gewissen Sicherheitsfaktoren größer ausgelegt. Daher ist im Stand der Technik auch die spezifische Absorptionsrate SAR höher als zur Anregung der gewünschten Schicht erforderlich ist.
3 zeigt ein Flussdiagramm eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines Hochfrequenz-Pulses.
Im Unterschied zu dem in 2 dargestellten Verfahren ist der Schritt S10 der Ermittlung der Variation des Magnetfeldes B in zwei Unterschritte S11 und S12 unterteilt.
In einem Schritt S11 wird zunächst wie bereits zu 2 beschrieben das unkorrigierte Magnetfeld B' durch ein Korrekturfeld B'' mittels Shimming-Spulen oder Shimming-Eisen korrigiert.
In einem Schritt S12 wird dann jedoch die Variation BV des Magnetfeldes B unmittelbar durch eine Messung bestimmt. Dabei wird in dem Messvolumen 30 eine Probe 40 angeordnet. Dies kann entweder ein sogenannter Dummy sein, d.h. ein beispielsweise mit Wasser gefüllter Hohlkörper, oder auch ein Patient 40. Im Anschluss wird ein Hochfrequenz-Puls über die Körperspule 13 in die Probe 40 eingestrahlt, ohne dass ein Gradientenfeld BG anliegt. Im idealen Fall wäre dabei ein schmalbandiges, d.h. nahezu linienartiges Anregungssignal zur Anregung ausreichend. Da im realen Fall jedoch von einer Variation des Magnetfeldes B auszugehen ist, erfolgt die Anregung mit einem Hochfrequenz-Puls, der eine abgeschätzte, breite spektrale Verteilung hat, sodass Kernspins der Probe an allen Orten in dem Messvolumen 30 angeregt werden. Als Antwort auf die Anregung emittiert die Probe 40 ein Magnetresonanz-Signal, das von der Körperspule 13 oder einer lokalen Spule empfangen, in der Hochfrequenz-Empfangseinheit 25 verarbeitet und von der Steuerung 21 auf die spektrale Linienbreite des Magnetresonanz-Signals ausgewertet wird. Die spektrale Linienbreite des empfangenen Signals ist dabei ein direktes Maß für die Variation BV des Magnetfeldes B. Die Steuerung bestimmt eine spektrale Frequenzverteilung gemäß Schritt S20 und erzeugt einen entsprechenden Hochfrequenz-Puls gemäß Schritt S30, wie bereits zu 2 erläutert.
4 und 5 stellen zwei Möglichkeiten dar, wie über die Pulsbreite die spektrale Frequenzverteilung des Pulses veränderbar ist. In den Figuren ist jeweils die Amplitude auf der y-Achse und die Zeit auf der x-Achse aufgetragen. Die Amplitude kann beispielsweise durch die Spannung am Ausgang der Hochfrequenz-Pulserzeugereinheit 23 gegeben sein, aber auch durch eine Magnetfeldstärke eines von der Körperspule 13 erzeugten elektromagnetischen Wechselfeldes.
In 4 ist die einfachste mögliche Pulsform gezeigt. Dabei handelt sich um einen Rechteckpuls, der für eine vorgegebene Pulsdauer eine konstante Amplitude ungleich Null vorgibt und ansonsten eine Amplitude gleich Null. Aus der spektralen Analyse z.B. durch eine Fouriertransformation, ist bekannt, dass die Grundfrequenz bei f0 = 1/(2*t0) für eine Pulsdauer t0 50 ist. Der Rechteckpuls hat spektrale Anteile bei ungeradzahligen Vielfachen n der Grundfrequenz, deren Amplituden langsam mit n abnehmen. Es ist auch möglich, durch Überlagerung mehrerer Rechteckpulse eine spektrale Frequenzverteilung anzunähern.
5 zeigt eine zeitlich symmetrische Pulsform, die ohne abrupte Sprünge in der Amplitude ist und daher in der spektralen Verteilung wesentlich schmalbandiger ist. Für t0 50 ist die Grundfrequenz näherungsweise durch f0 = 1/(2*t0) gegeben.
6 zeigt eine Variation des Hochfrequenz-Pulses von 5 die magnetische Gradientenfeldstärke BG im oberen Diagramm der 6 aufgetragen.
Die Leistung eines Hochfrequenz-Pulses ist proportional zum Quadrat der Amplitude der Spannung bzw. der Feldstärke (elektrisch oder magnetisch). Die spektrale Verteilung der Energie eines Pulses lässt sich daher im Frequenzbereich besonders stark beeinflussen, wenn das Amplitudenmaximum dort eine niedrige spektrale Bandbreite aufweist. In 6 ist dementsprechend das Amplitudenmaximum abgesenkt und dadurch gerundet, was einem geringeren Anteil an hohen Frequenzen entspricht. Um gleichzeitig ein ausreichend große Dicke der Schicht anzuregen, wird synchron zu der Amplitudenabsenkung des Hochfrequenz-Pulses das Gradientenfeld abgesenkt, was wegen des geringeren Gradienten die Schichtdicke wieder vergrö-ßert und so die Amplitudenabsenkung und die damit verringerte spektrale Frequenzverteilung des Pulses kompensiert.
7 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der spektralen Verteilung des Hochfrequenz-Pulses. Ein beispielsweise in 5 dargestellter steiler Pulsverlauf lässt sich auch durch eine Vielzahl von diskreten, kurzen Rechteckpulsen annähern. Mit zunehmender Anzahl der Pulse nähert sich dabei auch die spektrale Frequenzverteilung des resultierenden Hochfrequenz-Pulses der schmalbandigen Verteilung des Pulses aus 5 an, was beispielsweise durch eine Fourieranalyse nachweisbar ist. Auf diese Weise lässt sich mit der Zahl der Teilpulse die Bandbreite zwischen der eines Rechteckpulses gemäß 4 und der eines schmalbandigen Pulses gemäß 5 variieren.
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 den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines Hochfrequenz-Pulses mittels eines Magnetresonanz-Tomographens (1) für die Anregung von Kernspins in einem vorbestimmten Messvolumen (30) für eine Magnetresonanz-Tomographie, wobei der Magnetresonanz-Tomograph (1) eine Versorgungseinheit (20) und eine Magneteinheit (10) zur Erzeugung eines Magnetfeldes B aufweist, welches in dem Messvolumen (30) eine räumliche Variation BV aufweist, und wobei die Versorgungseinheit (20) eine Steuerung (21) und eine Hochfrequenz-Pulserzeugungseinheit (23) umfasst, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: - Ermitteln (S10; S11, S12) einer räumlichen Variation einer Magnetfeldstärke des Magnetfeldes B in dem Messvolumen (30) durch die Steuerung (21); - Festlegen (S20) einer spektralen Frequenzverteilung des Hochfrequenz-Pulses unter der Randbedingung eines im wesentlichen minimalen Energiegehalts des Hochfrequenz-Pulses durch die Steuerung (21), wobei der Hochfrequenz-Puls mit der spektralen Frequenzverteilung ausgelegt ist, Kernspins der Probe in dem Magnetfeld B in dem Messvolumen (30) um einen vorbestimmten Flipwinkel θ mit einer vorbestimmten Varianz des Flipwinkels Δθ anzuregen und - Erzeugen (S30) des Hochfrequenz-Pulses mit der festgelegten spektralen Frequenzverteilung durch die Hochfrequenz-Pulserzeugungseinheit (23).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren vor dem Schritt des Ermittelns (S10; S11, S12) einer räumlichen Variation BV einer Magnetfeldstärke des Magnetfeldes B die Schritte aufweist: - Ermitteln einer räumlichen Variation BV' einer Magnetfeldstärke eines Magnetfeldes B' in dem Messvolumen (30) und - Korrektur des Magnetfeldes B' zu einem Magnetfeld B, sodass das Magnetfeld B in dem Messvolumen (30) eine geringere räumliche Variation BV der Magnetfeldstärke aufweist als das Magnetfeld B'.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der im Wesentlichen minimale Energiegehalt höchstens ein Zweifaches des minimal möglichen Energiegehalts ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schritt des Ermittelns (S10; S11, S12) der Variation BV einer Magnetfeldstärke des Magnetfelds B eine Messung eines unkorrigierten Magnetfeldes B' und eine Berechnung eines aus dem unkorrigierten Magnetfeld B' und der Korrektur resultierenden Magnetfeldes B umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei der Schritt des Ermittelns (S10; S11, S12) der Variation BV der Magnetfeldstärke des Magnetfelds B eine Messung des korrigierten Magnetfeldes B umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Ermitteln (S10; S11, S12) der Variation BV der Magnetfeldstärke des Magnetfeldes B mittels einer Analyse einer spektralen Verteilung einer Resonanzlinie einer nicht ortsaufgelösten Referenzmessung in der Probe erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Festlegen (S20) der spektralen Frequenzverteilung des Hochfrequenz-Pulses durch ein Festlegen einer Dauer des Hochfrequenz-Pulses erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Anregung der Kernspins durch den Hochfrequenz-Puls in dem Magnetfeld B erfolgt und das Magnetfeld B als eine Komponente ein Gradientenfeld BG aufweist, wobei das Festlegen (S20) der spektralen Frequenzverteilung des Hochfrequenz-Pulses durch ein Festlegen eines zeitlichen Verlaufs einer Amplitude des Hochfrequenz-Pulses in Abhängigkeit von einem zeitlichen Verlauf einer Amplitude des Gradientenfeldes BG erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Hochfrequenzpuls eine Mehrzahl von Teil-Pulsen aufweist und das Festlegen (S20) der spektralen Frequenzverteilung des Hochfrequenz-Pulses durch ein Festlegen der Anzahl der Teil-Pulse erfolgt.
Magnetresonanz-Tomograph, wobei der Magnetresonanz-Tomograph (1) aufweist: - eine Magneteinheit (10) zur Erzeugung eines Magnetfeldes B, welches in einem vorbestimmten Messvolumen (30) eine Variation BV des Magnetfeldes B aufweist, und - eine Versorgungseinheit (20), wobei die Versorgungseinheit (20) eine Steuerung (21) und eine Hochfrequenz-Pulserzeugungseinheit (23) aufweist, wobei die Steuerung (21) ausgelegt ist, eine räumliche Variation einer Magnetfeldstärke des Magnetfeldes B in dem Messvolumen (30)zu ermitteln und die Steuerung (21) weiterhin dazu ausgelegt ist, eine spektrale Frequenzverteilung für einen Hochfrequenz-Puls unter der Randbedingung eines im wesentlichen minimalen Energiegehalts des Hochfrequenz-Pulses zu bestimmen, sodass der Hochfrequenz-Puls geeignet ist, Kernspins der Probe in dem Magnetfeld B in dem Messvolumen (30) um einem vorbestimmten Flipwinkel θ mit einer vorbestimmten Varianz des Flipwinkels Δθ anzuregen, und wobei die Hochfrequenz-Pulserzeugungseinheit (23) dazu ausgelegt ist, den Hochfrequenz-Puls mit der spektralen Verteilung zu erzeugen.
Magnetresonanz-Tomograph nach Anspruch 10, wobei der im Wesentlichen minimale Energiegehalt höchstens ein Zweifaches des minimal möglichen Energiegehalts ist.
Magnetresonanz-Tomograph nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Steuerung (21) ausgelegt ist, die Variation BV der Magnetfeldstärke des Magnetfelds B in dem Messvolumen (30) aus einer bekannten Verteilung eines unkorrigierten Magnetfeldes B' und Berechnung eines aus dem unkorrigierten Magnetfeld B' und einer Korrektur resultierenden Magnetfeldes B zu bestimmen.
Magnetresonanz-Tomograph nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Steuerung (21) ausgelegt ist, mittels einer Analyse einer spektralen Verteilung einer Resonanzlinie einer nicht ortsaufgelösten Referenzmessung in dem Messvolumen (30) die Variation BV der Magnetfeldstärke des Magnetfelds B in dem Messvolumen (30) zu bestimmen.
Magnetresonanz-Tomograph nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Steuerung (21) ausgelegt ist, die spektrale Frequenzverteilung des Hochfrequenz-Pulses durch eine Dauer des Hochfrequenz-Pulses einzustellen.
Magnetresonanz-Tomograph nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Anregung der Kernspins durch den Hochfrequenz-Puls in dem Magnetfeld B erfolgt und das Magnetfeld B als eine Komponente ein Gradientenfeld BG aufweist, wobei der Magnetresonanz-Tomograph 1 ausgelegt ist, die Kernspins durch den Hochfrequenz-Puls in dem Magnetfeld B anzuregen und das Magnetfeld B als eine Komponente ein Gradientenfeld BG aufweist, wobei die Steuerung (21) ausgelegt ist, die spektrale Frequenzverteilung des Hochfrequenz-Pulses durch Vorgeben eines zeitlichen Verlaufs einer Amplitude des Hochfrequenz-Pulses in Abhängigkeit von einem zeitlichen Verlauf einer Amplitude des Gradientenfeldes BG einzustellen.
Magnetresonanz-Tomograph nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Hochfrequenz-Puls eine Mehrzahl von Teil-Pulsen aufweist und die Steuerung (21) ausgelegt ist, die spektrale Frequenzverteilung des Hochfrequenz-Pulses durch die Anzahl der Teil-Pulse einzustellen.