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Die Erfindung betrifft die Bestimmung von Anregungsprofilen von Anregungspulsen in der Magnetresonanztechnik
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Die Magnetresonanz-Technik (im Folgenden steht die Abkürzung MR für Magnetresonanz), auch Kernspintomographie genannt, ist eine bekannte Technik, mit der Bilder vom Inneren eines Untersuchungsobjektes erzeugt werden können. Vereinfacht ausgedrückt wird hierzu das Untersuchungsobjekt in einem Magnetresonanzgerät in einem vergleichsweise starken statischen, homogenen Grundmagnetfeld, auch B0-Feld genannt, mit Feldstärken von 0,2 Tesla bis 7 Tesla und mehr positioniert, so dass sich dessen Kernspins entlang des Grundmagnetfeldes orientieren. Zum Auslösen von Kernspinresonanzen werden hochfrequente Anregungspulse (RF-Pulse) in das Untersuchungsobjekt eingestrahlt, die ausgelösten Kernspinresonanzen als sogenannte k-Raumdaten gemessen und auf deren Basis MR-Bilder rekonstruiert oder Spektroskopiedaten ermittelt. Zur Ortskodierung der Messdaten werden dem Grundmagnetfeld schnell geschaltete magnetische Gradientenfelder, kurz auch einfach Gradienten genannt, überlagert. Die aufgezeichneten Messdaten werden digitalisiert und als komplexe Zahlenwerte in einer k-Raum-Matrix abgelegt. Aus der mit Werten belegten k-Raum-Matrix ist z.B. mittels einer mehrdimensionalen Fourier-Transformation ein zugehöriges MR-Bild rekonstruierbar.
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Manche MR-Sequenzen verwenden einen nichtselektiven Anregungspuls, der zeitgleich zu angeschalteten Bildgebungsgradienten appliziert wird. Beispiele sind die PETRA-Sequenz und die Silenz-Sequenz. Sowohl die PETRA- als auch die Silenz-Sequenz haben die Besonderheit, dass sie eine besonders geräuscharme Bildgebung ermöglichen.
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Eine nichtselektive Anregung mit eingeschalteten Gradienten hat jedoch Nachteile. Eine gezielte Schichtselektion ist nicht möglich, vielmehr wird durch die zum Anregungszeitpunkt geschalteten Gradienten eine ungewollte Schichtselektion durchgeführt, bei der das zu messende Objekt mit dem Anregungsprofil des Pulses überlagert wird.
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Diese ungewollte Schichtselektion lässt sich in den Grenzen bestimmter Limitationen beheben, wie beispielsweise in der US-Patentanmeldung US 20130101198 A1 beschrieben. Wichtig ist bei derartigen Verfahren jedoch die exakte Kenntnis der tatsächlich ausgespielten Anregung.
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Als Anregungspuls in den genannten Sequenzen wird meist ein harter, rechteckförmiger Puls mit extrem kurzer Dauer (z.B. 14µs bei Flipwinkel von 6°) verwendet. Die tatsächlich von der Magnetresonanzanlage applizierte Pulsform weicht in der Regel aus technischen Gründen vom theoretisch gewünschten rechteckförmigen Puls ab. Dabei sind die Abweichungen von der gewünschten Pulsform je nach Typ der Magnetresonanzanlage und je nach implementierter Software unterschiedlich.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine einfache und schnelle Bestimmung von Anregungsprofilen von Anregungspulsen in der Magnetresonanztechnik zu ermöglichen, die leicht an verschiedenen bestehenden Magnetresonanzanlagen durchgeführt werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Bestimmung von Anregungsprofilen von Anregungspulsen in der Magnetresonanztechnik gemäß Anspruch 1, eine Magnetresonanzanlage gemäß Anspruch 9, ein Computerprogramm gemäß Anspruch 10 und einen elektronisch lesbaren Datenträger gemäß Anspruch 11 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Anregungsprofilen von Anregungspulsen in einer Magnetresonanzanlage, umfasst die Schritte:
- – Platzieren eines homogenen Phantoms (P) im Messvolumen (M) der Magnetresonanzanlage (23),
- – Aufnehmen mindestens eines Messdatensatzes des Phantoms (P) mittels einer Test-Pulssequenz, die als Anregungspuls (A) einen Anregungspuls (A) umfasst, dessen Anregungsprofil bestimmt werden soll, wobei während des Einstrahlens des Anregungspulses (A) bereits ein Test-Gradient (GT) in voller Stärke geschaltet ist,
- – Bestimmen eines Intensitätsprofils aus mindestens einem aufgenommenen Messdatensatz in der Richtung, in der der Test-Gradient geschaltet war,
- – Bestimmen des Anregungsprofils des Anregungspulses (A) auf Basis des berechneten Intensitätsprofils,
- – Speichern des bestimmten Anregungsprofils.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine schnelle Bestimmung von Anregungsprofilen mit hoher Genauigkeit, die leicht an verschiedenen Magnetresonanzanlagen durchgeführt werden kann. Die gespeicherten Anregungsprofile können leicht, für jede Magnetresonanzanlage passend, in die oben genannten Korrekturverfahren integriert werden.
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Wird der Test-Gradient hierbei in Ausleserichtung geschaltet, kann bereits in einem Auslesevorgang, während einer Repetition der Sequenz, eine hohe Auflösung des Anregungsprofils erzielt werden.
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Werden bei der Bestimmung des Intensitätsprofils einzelne Intensitätsprofile verschiedener Messdatensätze gemittelt, kann eine besonders hohe Genauigkeit erzielt werden, insbesondere können auf diese Weise eine geringe Anfälligkeit gegenüber Spulenintensitäts- oder Anregungsunterschieden erreicht werden.
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Eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage umfasst eine zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Steuereinrichtung.
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Ein erfindungsgemäßes Computerprogramm implementiert ein erfindungsgemäßes Verfahren auf einer Steuereinrichtung, wenn es auf der Steuereinrichtung ausgeführt wird.
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Ein erfindungsgemäßer elektronisch lesbarer Datenträger umfasst darauf gespeicherte elektronisch lesbare Steuerinformationen, welche zumindest ein erfindungsgemäßes Computerprogramm umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in einer Steuereinrichtung einer Magnetresonanzanlage ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführen.
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Die bezüglich des Verfahrens beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten für die Magnetresonanzanlage, das Computerprogrammprodukt sowie den elektronisch lesbaren Datenträger analog.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Figuren. Die aufgeführten Beispiele stellen keine Beschränkung der Erfindung dar. Es zeigen:
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1 eine Darstellung des Einflusses der angelegten Gradientenstärke auf das Anregungsprofil eines Anregungspulses,
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2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sequenzverlaufs,
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3 schematisch ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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4 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzanlage.
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In 1 ist zur Veranschaulichung beispielhaft die Abhängigkeit des Anregungsprofils in x-Richtung (angegeben in Millimetern „mm“) und damit der bewirkten Anregung P(k,x) (angegeben in willkürlichen Einheiten „a.U.“) von einer momentan angelegten Gradientenstärke G1, G2, G3, G4, G5 dargestellt. In dem gezeigten Beispiel gilt G5 > G4 > G3 > G2 > G1. Wie man sieht, ist das Anregungsprofil breiter je geringer die angelegte Gradientenstärke ist. Das breiteste Anregungsprofil (mit durchgehender Linie gezeichnet), d.h. eine möglichst homogene Anregung (P(k, x)) über den größten räumlichen Bereich (x), wird daher bei G1 erreicht. Das schmalste Anregungsprofil (mit doppelt strichpunktierter Linie eingezeichnet), das bereits bei einer geringen räumlichen Änderung (x) eine drastische Änderung in der Anregung (P(k, x)) mit sich bringt, wird bei G5 erhalten.
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Das Anregungsprofil eines Anregungspulses entspricht theoretisch im Wesentlichen der Fouriertransformierten der Pulsform des Anregungspulses im Zeit-Raum p(t), im anhand von
1 gezeigten Beispiel entsprechen die Anregungsprofile jeweils einer sinc-Funktion, wie sie sich beispielsweise bei „harten“, rechteckigen Anregungspulsen p(t), welche nur während der Dauer τ des Anregungspulses einen konstanten Wert, z.B. B1, ungleich Null aufweisen, ergeben:
Ein rechteckiger Anregungspuls
entspricht im Frequenz-Raum einem sinc-förmigen spektralen Anregungsprofil P(ω) mit
und einem Phasenfaktor.
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Die tatsächlich von verschiedenen Magnetresonanzanlagen realisierten Anregungsprofile hängen jedoch von der jeweiligen Hard- und Software ab.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Testsequenzverlaufs anhand einer Repetition, mit welchem schnell und unkompliziert Anregungsprofile von Anregungspulsen A individuell auf einer Magnetresonanzanlage bestimmt werden können. Die, beispielsweise für die oben genannten Korrekturverfahren benötigten, Anregungsprofile können somit für jede Magnetresonanzanlage leicht auf die tatsächlichen Verhältnisse dieser justiert werden. In der oberen Zeile TX/RX ist die Hochfrequenzaktivität, insbesondere Anregungen und Auslesevorgänge, dargestellt. Die zweite Zeile repräsentiert die Gradienten in die Phasenkodierrichtungen P1 und P2. In der unteren Zeile sind die Gradienten in Ausleserichtung GR dargestellt.
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Ausgehend von einer herkömmlichen MR-Sequenz (zum Beispiel TSE, GRE, ...), bei welcher normalerweise in MR-Untersuchungen eine schicht-selektive, slab-selektive oder nicht-selektive Anregung vorgenommen wird, wird hier der Anregungspuls der herkömmlichen Sequenz mit dem zu vermessenden, in der Ziel-Sequenz (z.B. PETRA) verwendeten Anregungspuls A, zum Beispiel einem Rechteckpuls A, beispielsweise mit einer Dauer von 14µs, ausgetauscht. Zusätzlich wird während des Anregungspulses A ein Test-Gradient GT in eine der drei Raumrichtungen angelegt. In diese Richtung wird die Messung mit dem Anregungsprofil des Anregungspulses überlagert (T1). Zur Dephasierung kann ein weiterer Gradient GD1 angelegt werden.
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In dem dargestellten Beispiel wird der Test-Gradient GT in Ausleserichtung geschaltet. Dadurch kann in einem Auslesevorgang ADC bereits eine hohe Auflösung erzielt werden. Wird der Test-Gradient GT in Phasenrichtung geschaltet, wären für eine gleiche Auflösung entsprechend viele Phasenkodierschritte und damit entsprechend viele Repetitionen nötig.
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Je nach Stärke des Test-Gradienten GT während der Anregung wird das Anregungsprofil, im Fall eines rechteckigen Anregungspulses A ein Sinc-Verlauf, unterschiedlich weit in Ausleserichtung ausgedehnt. Beispielsweise wird er im vorgeschlagenen Verfahren so weit ausgedehnt, dass er zum Beispiel bis zum zweiten Minimum des Sincs im Phantom abgebildet wird.
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Auf diese Weise wird ein charakteristischer Bereich des Anregungsprofils in dem gemessenen Phantom abgebildet, der für die spätere Verwendung, z.B für ein oben genanntes Korrekturverfahren, ausreichend geeignet ist.
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Im weiteren Verlauf der Testsequenz kann die herkömmliche Sequenz unverändert beibehalten werden (T2). Im gezeigten Beispiel entspricht der gezeigte Bereich T2 einer 3D GRE Sequenz mit Dephasiergradient GD, Phasenkodiergradient Gph, Auslesegradient GA und Rephasiergradient Grph. Gegebenenfalls können die Gradienten (insbesondere GD1 und GD) an den Grenzen zwischen den Bereichen T1 und T2 geschickt zusammengefasst werden, um Krach- und Wirbelstromentwicklungen zu vermeiden (nicht dargestellt).
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3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung von Anregungsprofilen von Anregungspulsen in einer Magnetresonanzanlage.
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Dabei wird ein homogenes Phantom im Messvolumen, vorzugsweise im ISO-Zentrum der Magnetresonanzanlage, für die ein Anregungsprofil AP erstellt werden soll, platziert (Block 101). Je nach Ausdehnung des verwendeten Phantoms kann eine zweidimensionale Messung bei geringer Tiefe des Phantoms oder eine dreidimensionale Messung (bei größerer Tiefe des Phantoms) durchgeführt werden. Im Folgenden wird vorrangig der zweidimensionale Fall beschrieben. Der dreidimensionale Fall ergibt sich analog.
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Mittels einer oben beschriebenen erfindungsgemäßen Testsequenz, die als Anregungspuls einen Anregungspuls A umfasst, dessen Anregungsprofil AP bestimmt werden soll, und bei der während des Einstrahlens des Anregungspulses A bereits ein Test-Gradient GT in voller Stärke geschaltet ist, wird mindestens ein Messdatensatz MDS des Phantoms aufgenommen (Block 103). Wie oben bereits gesagt, wird das Phantom während der Messung in Richtung des Test-Gradienten GT durch das Anregungsprofil des Anregungspulses A überlagert.
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Beispielsweise können hierbei mindestens zwei Messdatensätze aufgenommen werden, bei deren Aufnahme jeweils unterschiedliche Gradienten GT, Gph geschaltet sind.
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Bei einem Test-Gradienten GT in Ausleserichtung ist in Phasenkodierrichtung prinzipiell nur eine geringe Auflösung nötig, aber jede Auflösung möglich. Um die Genauigkeit der Messung zu steigern, und weniger anfällig gegenüber Spulenintensitäts- oder Anregungsunterschieden zu werden, kann beispielsweise je ein Messdatensatz automatisch für alle Phasenkodierschritte der Testsequenz durchgeführt werden. Die jeweils aus den Messdatensätzen bestimmten Intensitätsprofile IntP können zur Bestimmung des Anregungsprofils AP beispielsweise gemittelt werden.
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In weiteren optionalen Messungen kann die Untersuchung in anderen Schichtorientierungen und Ausdehnungen des Bandweitenprofils, d.h. mit unterschiedlichen Stärken des Test-Gradienten wiederholt und jeweils ein Messdatensatz aufgenommen werden.
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Aus mindestens einem aufgenommenen Messdatensatz wird in der Richtung, in der der Test-Gradient geschaltet war, ein Intensitätsprofil bestimmt (Block 105). Hierbei wird aus dem mindestens einen Messdatensatz ein Bild rekonstuiert, in dem das Phantom abgebildet ist. Bei einem Test-Gradienten in Ausleserichtung, kann nun einfach der Intensitätsverlauf des abgebildeten Phantoms in Ausleserichtung als Intensitätsprofil gemessen werden. Den genannten Intensitätsverlauf erhält man somit z.B. einfach, indem man in Ausleserichtung eine Linie durch das abgebildete homogene Phantom legt und deren Intensitätswerte betrachtet. Die Bestimmung des Intensitätsprofils umfasst somit eine Bestimmung eines Intensitätsverlaufs innerhalb des abgebildeten Phantoms in der Richtung, in der der Test-Gradient geschaltet war.
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Ein solches Intensitätsprofil entspricht direkt dem Frequenzverlauf des Anregungspulses A und damit dessen Anregungsprofil. Wird nur ein Messdatensatz NDSgemessen, entspricht somit die Bestimmung des Intensitätsprofils IntP bereits der Bestimmung des Anregungsprofils AP (Block 107). Wie oben bereits beschrieben, kann ein genaueres Anregungsprofil AP aus mehreren Messdatensätzen bestimmt werden, indem beispielsweise die bestimmten Intensitätsprofile IntP gemittelt werden. Weiterhin kann bei der Bestimmung des Anregungsprofils AP ein zusätzlicher Algorithmus hinzugefügt werden, der erkennt, ob das gemessene Intensitätsprofil tatsächlich innerhalb des Phantoms gemessen wurde, oder ob versehentlich Rauschen gemessen wurde. An scharfen Kanten des Profils kann dabei erkannt werden, wann vom Phantom ins Rauschen übergegangen wurde. Eine Integration des Rauschbereichs in die Auswertung kann somit vermieden werden.
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Das Anregungsprofil kann somit parallel zur Überlagerung entlang einer Linie in der entsprechenden Richtung ausgelesen werden, oder es können mehrere Linien mit unterschiedlicher Auflösung und Bandweitenabdeckung ausgelesen werden, die insbesondere mit gleichzeitiger Unterdrückung eines Rausch-Levels zu einem genauen Anregungsprofil zusammengefügt werden.
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Das bestimmte Anregungsprofil kann für eine weitere Verwendung gespeichert, insbesondere direkt in Postprocessing-Verfahren integriert, werden (Block 109).
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Durch die gezielte Überlagerung eines homogenen Phantoms mit dem Anregungsprofil des gewünschten Anregungspulses und einer automatischen Auswertung und Integration des bestimmten Anregungsprofils des Anregungspulses, kann einfach für verschiedene Magnetresonanzanlagen ein genaues tatsächliches Anregungsprofil ermittelt werden. Zum Steigern der Messgenauigkeit können hierbei mehrere Messungen mit unterschiedlicher räumlicher Ausrichtung und Bandweitenabdeckung kombiniert werden. Das ermittelte Ergebnis kann automatisch im Postprocessing, insbesondere in ein oben genanntes Korrekturverfahren, integriert werden.
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Das beschriebene Verfahren kann pro Magnetresonanzanlagentyp und Softwaretyp einmalig, in regelmäßigen Abständen oder vor jeder Messung durchgeführt werden.
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4 zeigt schließlich eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzanlage 23. Diese umfasst wie grundsätzlich bekannt eine Hauptmagneteinheit 24, die eine Patientenaufnahme 25 definiert, die umgebend eine Hochfrequenzspulenanordnung, insbesondere eine Körperspule 22, und eine Gradientenspulenanordnung vorgesehen sein können. In die Patientenaufnahme 25 kann insbesondere auf einer Patientenliege L ein Patient oder ein anderes zu untersuchendes Untersuchungsobjekt, wie beispielsweise ein Phantom P, in die Magnetresonanzanlage 23 eingebracht werden. Für das erfindungsgemäße Verfahren kann ein homogenes Phantom P verwendet werden, welches in Schichtrichtung eine Ausdehnung in der Größenordnung der möglichen Auflösung der Magnetresonanzanlage hat. Durch eine derartig geringe Ausdehnung ist das Phantom P leicht zu handhaben und beispielsweise auch platzsparend zu verstauen. Für das erfindungsgemäße Verfahren wird das Phantom P beispielsweise in das ISO-Zentrum, innerhalb des Messvolumens M der Magnetresonanzanlage 23 platziert.
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Weiterhin kann die Magnetresonanzanlage 23 mindestens eine transportable, in der Patientenaufnahme variabel einbringbare weitere Hochfrequenzspulenanordnung, eine Lokalspule 27, umfassen. Die Lokalspule 27 kann beispielsweise mindestens zwei Einzelspulen mit je einem Empfangskanal umfassen. Das Phantom kann mit der Körperspule 22 oder der Lokalspule 27 gemessen werden, wenn deren Sensitivitätsverteilung bekannt ist. Gesteuert wird der Betrieb der Magnetresonanzanlage 23 durch eine Steuereinrichtung 26, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist, insbesondere also zur Bestimmung von Anregungsprofilen beispielsweise für Justierungen, wie beschrieben wurde.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielsweise durch ein erfindungsgemäßes Computerprogramm auf einer Steuereinrichtung 26 der Magnetresonanzanlage 23 implementiert, wenn es auf der Steuereinrichtung 26 ausgeführt wird. Die Steuereinrichtung 26 ist daher dazu ausgebildet ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführen zu können. Dazu kann beispielsweise ein elektronisch lesbarer Datenträger 21 mit darauf gespeicherten elektronisch lesbaren Steuerinformationen, welche zumindest ein solches Computerprogramm umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers 21 in einer Steuereinrichtung 26 einer Magnetresonanzanlage 23 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Korrektur von Artefakten wie beschrieben durchführen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
und einem Phasenfaktor.