DE102013221347A1

DE102013221347A1 - Ermittlung einer Magnetresonanz-Pulssequenz unter Verwendung einer Kombination von verschiedenen Trajektorienverlaufs-Funktionen unter Berücksichtigung eines Trajektorien-Fehlermodells

Info

Publication number: DE102013221347A1
Application number: DE201310221347
Authority: DE
Inventors: Josef Pfeuffer; Rainer Schneider
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2015-04-23
Anticipated expiration: 2033-10-22
Also published as: US20150108984A1; US9823324B2; DE102013221347B4

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Steuersequenzermittlungseinrichtung (22) zur Ermittlung einer Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz (AS) beschrieben, welche zumindest einen von einem Magnetresonanzsystem (1) auszusendenden Hochfrequenz-Pulszug (MP) umfassen. Zur Ermittlung der Ansteuersequenz (AS) wird eine Ziel-Magnetisierung (m) erfasst und eine k-Raum-Trajektorie (k(t)) ermittelt. Es wird dann ein Hochfrequenz-Pulszugs (MP) für die k-Raum-Trajektorie (k(t)) in einem HF-Puls-Optimierungsverfahren unter Verwendung einer Zielfunktion (f_z) ermittelt, wobei die Zielfunktion (f_z) eine Kombination verschiedener Trajektorienverlaufs-Funktionen enthält, von denen zumindest eine Trajektorienverlaufs-Funktion auf einem Trajektorien-Fehlermodell (TFM₁, TFM₂, ..., TFM_M) basiert. Darüber hinaus werden ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzsystems (1) sowie ein Magnetresonanzsystem (1) mit einer solchen Steuersequenzermittlungseinrichtung (22) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung einer Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzsystems unter Nutzung einer solchen Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz sowie ein Magnetresonanzsystem mit einer Hochfrequenz-Sendeeinrichtung, mit einem Gradientensystem und einer Steuereinrichtung, welche ausgebildet ist, um zur Durchführung einer gewünschten Messung auf Basis einer vorgegebenen Ansteuersequenz einen Hochfrequenz-Pulszug auszusenden und dazu koordiniert einen Gradienten-Pulszug auszusenden.
In einem Magnetresonanztomographiesystems (kurz „Magnetresonanzsystem“) wird üblicherweise der zu untersuchende Körper mit Hilfe eines Grundfeldmagnetsystems einem relativ hohen Grundfeldmagnetfeld (dem sogenannten B₀-Feld), beispielsweise von 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 oder Moleküle um einen definierten Flipwinkel gegenüber den Magnetfeldlinien des Grundmagnetfelds verkippt werden. Diese Hochfrequenzanregung bzw. die resultierende Flipwinkelverteilung wird im Folgenden auch als Kernmagnetisierung oder kurz „Magnetisierung“ bezeichnet. 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. Die Aussendung der Hochfrequenzsignale (das sogenannte B₁-Feld) zur Kernspin-Magnetisierung erfolgt meist mittels einer fest im Gerät um den Messraum (Patiententunnel) herum angeordneten sogenannten „Ganzkörperspule“. Ein Empfang der Magnetresonanzsignale erfolgt meist mit Hilfe sogenannter Lokalspulen, die dichter am Körper des Patienten positioniert sind. Grundsätzlich können aber auch ein Empfang von Magnetresonanzsignalen mit der Ganzkörperspule und/oder ein Senden der HF-Signale mit den Lokalspulen erfolgen.
Für eine bestimmte Messung sind eine Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz (kurz „Ansteuersequenz“) mit einem auszusendenden Hochfrequenz-Pulszug und einem dazu koordiniert zu schaltenden Gradienten-Pulszug (mit passenden Gradientenpulsen in einer Volumenselektionsrichtung, z. B. Schicht-Selektionsrichtung oder Slab-Selektionsrichtung, in Phasenkodierrichtung(en) und in Ausleserichtung, häufig in z-Richtung, y-Richtung und z-Richtung) sowie weitere Steuervorgaben in einem sogenannten Messprotokoll definiert. Dieses Messprotokoll kann vorab erstellt und für eine bestimmte Messung beispielsweise aus einem Speicher abgerufen und gegebenenfalls vom Bediener vor Ort verändert werden. Während der Messung erfolgt dann die Steuerung des Magnetresonanzsystems vollautomatisch auf Basis dieser Ansteuersequenz, wobei die Steuereinrichtung des Magnetresonanzsystems die Befehle aus dem Messprotokoll ausliest und abarbeitet.
Zur Generierung der Ansteuersequenz werden meist in einem Optimierungsverfahren die einzelnen HF-Pulszüge, d. h. die HF-Trajektorien, für die einzelnen Sendekanäle über der Zeit in Abhängigkeit von einer „Sende-k-Raum-Trajektorie“ ermittelt, die üblicherweise von einem Messprotokoll oder individuell von einem Bediener vorgegeben wird. Bei der „Sende-k-Raum-Trajektorie“ (im Folgenden kürzer nur „k-Raum-Trajektorie“ oder „Trajektorie“ genannt) handelt es sich um die Orte im k-Raum, die durch Einstellung der einzelnen Gradienten zu bestimmten Zeiten angefahren werden. Der k-Raum ist der Ortsfrequenzraum, und die Trajektorie im k-Raum beschreibt, auf welchem Weg der k-Raum bei Aussenden eines HF-Pulses durch entsprechendes Schalten der Gradientenpulse zeitlich durchlaufen wird. Durch Einstellung der k-Raum-Trajektorie kann so bestimmt werden, an welchen Ortsfrequenzen bestimmte HF-Energiemengen deponiert werden.
Zur Generierung der Ansteuersequenzen können dabei zusätzlich aktuell gemessene B₁-Karten („B₁-Maps“), die jeweils die räumliche B₁-Feldverteilung für ein bestimmtes Antennenelement angeben, und eine B₀-Karte („B₀-Map“), die räumlich aufgelöst die Off-Resonanzen bzw. Abweichung des B₀-Felds von dem eigentlich gewünschten homogenen B₀-Feld repräsentiert (d. h. der eigentlich angestrebten Larmorfrequenz), im Optimierungsverfahren berücksichtigt werden. Außerdem gibt der Anwender für die Planung der HF-Pulsfolge oft eine Ziel-Magnetisierung, beispielsweise eine gewünschte Flipwinkelverteilung, vor. Mit einem geeigneten HF-Puls-Optimierungsprogramm wird dann die passende HF-Pulsfolge berechnet, so dass die Ziel-Magnetisierung erreicht wird. In vielen Fällen handelt es sich hierbei um eine möglichst homogene Magnetisierung im gewünschten zu untersuchenden Sichtbereich (FoV, Field of View) beziehungsweise dem gewünschten anzuregenden Bereich (FoE, Field of Excitation). Inzwischen ist es auch möglich, selektiv ganz bestimmte Bereiche, beispielsweise zweidimensional innerhalb einer Schicht oder sogar dreidimensional, anzuregen, d. h. es wird bewusst eine nicht homogene Ziel-Magnetisierung angestrebt.
Für das HF-Puls-Optimierungsverfahren bzw. das hierzu verwendete HF-Puls-Optimierungsprogramm wird in der Regel eine Zielfunktion aufgestellt, in der die transversale Zielmagnetisierung in einem linearen Matrix-Gleichungssystem aus den räumlichen Spulenprofilen und den mehrkanaligen Hochfrequenz-Pulsfolgen dargestellt wird, in welches i. d. R. auch Informationen über die vorliegenden B₀-Maps und B₁-Maps sowie der verwendeten k-Raum-Trajektorie eingehen. Die in der Zielfunktion bzw. im Matrix-Gleichungssystem verwendete Matrix wird auch als „A-Matrix“ (da für sie üblicherweise das Symbol „A“ verwendet wird) oder „System-Matrix“ (da sie von den räumlichen Spulenprofilen und somit vom verwendeten System abhängt) bezeichnet. Im Optimierungsverfahren kann dieses Gleichungssystem dann numerisch für eine bestimmte vorgegebene Ziel-Magnetisierung gelöst werden, um die passende Hochfrequenz-Pulsfolge zu erhalten. Ein Beispiel für diese Vorgehensweise findet sich in dem Artikel „Magnitude Least Square Optimization for Parallel Radio Frequency Excitation Design Demonstrated at 7 Tesla With Eight Channels" von K. Setsompop et al., Magn. Reson. Med. 59:908 bis 915, 2008.
Mit diesem Verfahren lassen sich relativ gut optimierte Hochfrequenz-Pulszüge für eine gegebene Sende-k-Raum-Trajektorie ermitteln. Ein Problem besteht in der Praxis jedoch darin, dass diese Berechnungen immer davon ausgehen, dass die Trajektorie in der idealen Weise genau so abgefahren wird, wie sie mathematisch im Optimierungsverfahren definiert ist. Tatsächlich ist es aber so, dass beim Ausspielen der Sequenz die Sende-k-Raum-Trajektorie sich signifikant von der vorgegebenen Trajektorie unterscheiden kann. Typische Gründe hierfür sind Unzulänglichkeiten der Gradientensystem-Hardware, wie beispielsweise Verzögerungen, Jitter, Diskretisierungsfehler oder zusätzliche Gradiententerme, die durch induzierte Wirbelströme oder andere Effekte wie Mischeffekte verschiedener Gradientenspulen auftreten können. Aufgrund dieser Abweichungen zwischen dem während des HF-Puls-Optimierungsverfahrens angenommenen idealen Trajektorienverlauf und dem bei dem späteren Aussenden des Hochfrequenz-Pulszugs tatsächlich vorliegenden Trajektorienverlauf kann es zu nicht unerheblichen Unschärfen, Geisterbildern oder geometrischen Verzerrungen der erreichten Magnetisierung bzw. der erzeugten Bilddaten kommen.
Um solche Abweichungen der Trajektorien bzw. Gradienten zu berücksichtigen, könnten prinzipiell relativ aufwändige Verfahren durchgeführt werden. Beispielsweise könnte in einem zweistufigen Verfahren zunächst die k-Raum-Trajektorie einmal mit den vorgegebenen Ansteuerungsdaten durchlaufen werden und dabei die tatsächlich erreichte k-Raum-Trajektorie gemessen werden. Diese gemessene k-Raum-Trajektorie kann dann innerhalb des HF-Puls-Optimierungsverfahrens verwendet werden. Dabei könnten auch die aktuellen Messdaten genutzt werden, um Fehlermodelle für die Gradientenfehler zu ermitteln. Alle diese Methoden erfordern aber eine vorherige Messung der tatsächlich ausgesendeten Trajektorien, was sehr zeitaufwändig ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung einer Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz sowie eine entsprechende Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung anzugeben, die in einfacherer Weise mögliche Fehler in dem k-Raum-Trajektorienverlauf berücksichtigt.
Diese Aufgabe wird zum einen durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und zum anderen durch eine Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung nach Patentanspruch 12 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst eine gewünschte Ziel-Magnetisierung erfasst. Optional können auch eine aktuelle B₀-Map und gegebenenfalls aktuelle B₁-Maps erfasst werden.
Es wird dann eine k-Raum-Trajektorie ermittelt, beispielsweise durch Übernahme aus einem Messprotokoll oder durch Erfassung mittels einer Benutzerschnittstelle, in die ein Bediener den k-Raum-Trajektorientyp eingibt. Alternativ können auch andere Verfahren zur Ermittlung einer aktuellen k-Raum-Trajektorie genutzt werden, z.B. dass nur ein k-Raum-Trajektorientyp (d.h. die Art der k-Raum-Trajektorie, z. B. ob es sich um eine Spiraltrajektorie handelt, um eine geradlinige (rectilineare) Trajektorie für eine EPI-Sequenz (EPI = Echo Planar Imaging, Echoplanare Bildgebung), um sog. Radialtrajektorien mit konzentrisch verdrehten Speichen etc.) erfasst wird, und dann eine automatische Ermittlung einer optimalen k-Raum-Trajektorie dieses Trajektorientyps erfolgt.
Anschließend erfolgt dann die Ermittlung des Hochfrequenz-Pulszugs für die k-Raum-Trajektorie in einem HF-Puls-Optimierungsverfahren.
Die Ermittlung des Hochfrequenz-Pulszugs kann im Prinzip wie bei den herkömmlichen Verfahren erfolgen, d. h. beispielsweise mit dem oben beschriebenen, bei Setsompop et al. erläuterten Verfahren, mit dem Unterschied jedoch, dass nun die Zielfunktion eine Kombination verschiedener k-Raum-Trajektorienverlaufs-Funktionen enthält, von denen zumindest eine Trajektorienverlaufs-Funktion auf einem Trajektorien-Fehlermodell basiert. In die Zielfunktion geht also nun eine Kombination einer idealen Form und zumindest eines Fehlermodells oder vorzugsweise sogar einer Kombination verschiedener Fehlermodelle ein.
Innerhalb des HF-Puls-Optimierungsverfahrens kann somit eine große Bandbreite von hypothetischen Gradientenfehlern abgedeckt werden, die innerhalb der nachfolgenden Messung auftreten könnten´, so dass die dabei erhaltene optimierte Hochfrequenz-Pulsform bzw. der Hochfrequenz-Pulszug erheblich weniger sensitiv hinsichtlich solcher Gradientenfehlern ist. Wie später noch genauer erläutert wird, kann durch diese Kombination verschiedener Modelle auf Daten einer aktueller Messungen des tatsächlich erreichten Trajektorienverlaufs verzichtet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit besonders schnell in der Berechnung und zudem auch besonders robust. Dies führt folglich zu einem Geschwindigkeitsvorteil und zu einer besseren Bildqualität bei der Gesamtmessung.
Eine erfindungsgemäße Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung umfasst zum einen eine Eingangs-Schnittstellenanordnung zur Erfassung einer vorgegebenen Ziel-Magnetisierung und ggf. zur Erfassung einer aktuellen B₀-Map und/oder aktuelle B₁-Maps. Eine solche Schnittstellenanordnung kann aus mehreren verschiedenen Schnittstellen bestehen, die jeweils die betreffenden Daten erfassen, oder auch aus einer kombinierten Schnittstelle, welche in der Lage ist, mehrere Datentypen zu übernehmen. Mit einem Erfassen der Daten ist dabei auch eine Übernahme der Daten von anderen Komponenten des Magnetresonanzsystems, beispielsweise einer Benutzerschnittstelle oder aus einer Speichereinheit mit einer Datenbank etc., bzw. eine Übernahme von einer Messeinrichtung oder Rekonstruktionseinrichtung des Magnetresonanzsystems zu verstehen. Bei der Eingangs-Schnittstellenanordnung kann es sich dementsprechend z. B. um eine Benutzerschnittstelle zur manuellen Eingabe einer Ziel-Magnetisierung, insbesondere auch um eine grafische Benutzerschnittstelle handeln. Hierbei kann es sich aber auch um eine Schnittstelle handeln, um Daten aus einem innerhalb der Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung angeordneten oder über ein Netz damit verbundenen Datenspeicher – gegebenenfalls auch unter Nutzung der Benutzerschnittstelle – auszuwählen und zu übernehmen.
Weiterhin wird eine Trajektorienermittlungseinheit zur Ermittlung einer k-Raum-Trajektorie benötigt. Hierbei kann es sich auch um eine Schnittstelle handeln, mit der beispielsweise von einem Benutzer eine fest vorgegebene k-Raum-Trajektorie eingegeben werden kann oder um eine Ermittlungseinrichtung, welche auf Basis eines vorgegebenen Trajektorientyps diese k-Raum-Trajektorie ermittelt. Eine solche Schnittstelle kann auch Teil der oben genannten Schnittstellenanordnung sein.
Schließlich wird eine HF-Puls-Optimierungseinheit zur Ermittlung des Hochfrequenz-Pulszugs für die k-Raum-Trajektorie unter Verwendung einer vorgegebenen Zielfunktion benötigt, wobei die Zielfunktion eine Kombination verschiedener k-Raum-Trajektorienverlaufs-Funktionen enthält, von denen zumindest eine Trajektorienverlaufs-Funktion auf einem Trajektorien-Fehlermodell basiert. Vorzugsweise umfasst die HF-Puls-Optimierungseinheit hierzu eine spezielle Zielfunktionsermittlungseinheit sowie eine geeignete Schnittstelle oder dergleichen, um Fehlermodelle zu ermitteln bzw. zu übernehmen, die dann mit Hilfe der Zielfunktionsermittlungseinheit in die Zielfunktion übernommen werden können.
Außerdem sollte die Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung eine geeignete Steuersequenz-Ausgabeschnittstelle aufweisen, um die Steuersequenz an andere Steuereinheiten des Magnetresonanztomographiesystems zu übergeben. Bei der Steuersequenz-Ausgabe-Schnittstelle kann es sich z. B. um eine Schnittstelle handeln, die die Steuersequenz an eine Magnetresonanzsteuerung übermittelt, um damit direkt die Messung zu steuern, aber auch um eine Schnittstelle, die die Daten über ein Netz versendet und/oder in einem Speicher zur späteren Nutzung hinterlegt.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzsystems wird nach dem zuvor beschriebenen Verfahren eine Ansteuersequenz ermittelt und dann das Magnetresonanzsystem unter Nutzung dieser Ansteuersequenz betrieben. Entsprechend weist ein erfindungsgemäßes Magnetresonanzsystem der eingangs genannten Art eine zuvor beschriebene Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung auf.
Wesentliche Teile der Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung können in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. Dies betrifft insbesondere die Trajektorienermittlungseinheit und die HF-Puls-Optimierungseinheit bzw. deren Komponenten, wie beispielsweise eine Zielfunktionsermittlungseinheit. Ebenso können die genannten Schnittstellen 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 Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung ladbar ist, mit Programmcode-Abschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in der Steuersequenzermittlungseinrichtung ausgeführt wird. Eine solche softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch bisherige Einrichtungen, die zur Ermittlung von Steuersequenzen 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 schnell und robust optimierte Steuersequenzen zu ermitteln.
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.
Wie bereits erwähnt, ist es bei einer vereinfachten Variante möglich, dass die Zielfunktion nach wie vor ein „Idealmodell“ für einen idealen Trajektorienverlauf, d. h. ein Modell mit der Annahme, dass kein Gradientenfehler auftritt, enthält und zusätzlich eine Trajektorienverlaufs-Funktion, die auf einem Trajektorien-Fehlermodell basiert. Besonders bevorzugt enthält die Zielfunktion aber verschiedene Trajektorienverlaufs-Funktionen, die auf unterschiedlichen Trajektorien-Fehlermodellen basieren.
Die unterschiedlichen Trajektorien-Fehlermodelle können dabei auf demselben Trajektorien-Fehlermodelltyp basieren, wobei jedoch unterschiedliche Fehlerparameter, beispielsweise mögliche Verzögerungszeiten, Skalierungsfaktoren etc., in diesem Fehlermodelltyp eingesetzt. Unter einem „Trajektorien-Fehlermodelltyp“ ist dabei zu verstehen, dass der Fehlermodelltyp auf einem bestimmten typischen theoretischen Fehler basiert, beispielsweise einem Fehler aufgrund einer fehlerhaften Amplitudenskalierung ist, einem Fehler aufgrund von Wirbelströmen etc.
Besonders bevorzugt wird mit zumindest einer der Trajektorien-Fehlermodelltypen zumindest auf einem der folgenden Fehlertypen modelliert:

– Amplitudenskalierungsfehler (Wrong Amplitude Scaling). Dies sind Fehler, die z. B. durch die Digital/analog-Umwandlung, durch nichtlineare Eigenschaft der Gradientenspule/Stromverstaerker etc. auftreten können.
– Wirbelstrom-Fehler (Eddy Current Models). Dies sind Fehler, die durch Wirbelströme in benachbarten Gradientenspulen, im Patiententisch, in der Schirmung etc. verursacht werden, und zu zusätzlichen B₀- und Gradiententermen in der Messung führen können.
– Gradientenverzögerungs-Fehler (Gradient Delay Model) Dies sind Fehler, die die durch unterschiedliche Verzögerungen der Ströme in den einzelnen Gradientenspulen in x-, y- und z-Richtung relativ zueinander auftreten können.
– Grundmagnetfeld-Fehler (Static/Dynamic B₀ Field Effect Model). Dies sind Fehler, die durch überlagerte Schmutzeffekte eines inhomogenen Grundmagnetfelds auftreten (z.B. durch Einbringung eines Objektes mit unterschiedlichen Suszeptibilitaeten in das Feld). Auch solche Fehler führen dazu, dass das Gesamtmagnetfeld lokal nicht wie gedacht ist.
– Gradientenmischterm-Effekte (Concomitant Field Effect Model). Dies sind Fehler, die durch Maxwell-Mischterme höherer Ordnung zwischen Gradientenfeldern der verschiedenen Spulen in x-, y- und z-Richtung auftreten können.
– Kopplungseffekte (Coupling Effect Models). Dies sind Fehler, die durch ein Übersprechen zwischen den verschiedenen Gradientenspulen auftreten können.

Dabei ist es möglich, einen Trajektorien-Fehlermodelltyp getrennt für jede dieser Fehlertypen aufzubauen, d. h. ein Trajektorien-Fehlermodelltyp modelliert genau einen solchen Fehlertyp. Prinzipiell ist es aber auch möglich, einen Trajektorien-Fehlermodelltyp zu entwickeln, der in Kombination mehrere solcher Fehlertypen modelliert, wie dies später noch gezeigt wird.
Weiterhin ist es bevorzugt auch möglich, dass unterschiedliche Trajektorien-Fehlermodelle auf verschiedenen Trajektorien-Fehlermodelltypen basieren, d. h. in die Zielfunktion geht dann auch eine Kombination verschiedener Fehlermodelltypen ein.
Wie bereits oben erläutert, ist es besonders bevorzugt, dass die Trajektorien-Fehlermodelle und damit auch die Trajektorien-Fehlermodelltypen völlig unabhängig von aktuellen Messdaten der k-Raum-Trajektorie, d. h. von für die aktuelle Messsituation vorab gemessenen Daten, sind.
Unabhängig davon, ob die verschiedenen Trajektorien-Fehlermodelle auf demselben Trajektorien-Fehlermodelltyp basieren und nur unterschiedliche Fehlerparameter aufweisen, oder ob die Trajektorien-Fehlermodelle auch auf unterschiedlichen Trajektorien-Fehlermodelltypen beruhen, können diese mit einer vorgegebenen Gewichtung in die Zielfunktion eingehen, d. h. dass beispielsweise ein bestimmter Fehlertyp stärker gewichtet wird als andere Fehlertypen. Hierzu können innerhalb der Zielfunktion einfach Gewichtungsfaktoren für jedes Trajektorien-Fehlermodell bzw. jeden Trajektorien-Fehlermodelltyp vorgegeben werden.
Klassischerweise werden die Hochfrequenzpulse über nur einen Sendekanal ausgesendet und dann in geeigneter Weise in die Ganzkörperspule eingespeist. Hierbei ist es z. B. möglich, das Hochfrequenzsignal zu trennen und die Teilsignale um 90° gegeneinander amplituden- und phasenverschoben und entsprechend räumlich versetzt in eine in Form einer Birdcage-Antenne aufgebaute Ganzkörperspule einzuspeisen, so dass dann ein zirkular (nur Phase) oder elliptisch (Amplitude und Phase) polarisiertes, im optimalen Fall homogenes B₁-Feld ausgesendet wird. Bei neueren Magnetresonanzsystemen ist es inzwischen möglich, die einzelnen Sendekanäle, beispielsweise die einzelnen Stäbe einer Käfigantenne, mit individuellen, der Bildgebung angepassten HF-Signalen zu belegen. Hierzu wird ein Mehrkanal-Pulszug ausgesendet, der aus mehreren individuellen Hochfrequenz-Pulszügen besteht, die parallel über die verschiedenen unabhängigen Hochfrequenz-Sendekanäle ausgesendet werden können. Ein solcher Mehrkanal-Pulszug, wegen der parallelen Aussendung der einzelnen Pulse auch als „pTX-Puls“ bezeichnet, kann als Anregungs-, Refokussierungs- und/oder Inversionspuls verwendet werden. Ein Verfahren zur Entwicklung solcher Mehrkanal-Pulszüge in parallelen Anregungsverfahren wird beispielsweise in W. Grissom et al.: „Spatial Domain Method for the Design of RF Pulses in Multicoil Parallel Excitation", Mag. Res. Med. 56, 620–629, 2006, beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet besondere Vorteile im Rahmen solcher pTX-Verfahren, wobei der Vorteil mit der Anzahl der verwendeten Sendekanäle sogar noch ansteigt. Daher wird das Verfahren vorzugsweise auch so eingesetzt, dass die erfindungsgemäß erstellte Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz einen Mehrkanal-Pulszug mit mehreren individuellen, vom Magnetresonanztomographiesystem über verschiedene unabhängige Hochfrequenzsendekanäle parallel auszusendenden HF-Pulszügen umfasst. Besonders bevorzugt erfolgt dann die Ermittlung des Mehrkanal-Pulszuges auch auf Basis von B₁-Maps, welche jeweils die Verteilung des B₁-Felds für die einzelnen Sendekanäle angeben. Grundsätzlich ist das Verfahren aber auch sehr gut in Verbindung mit klassischen Verfahren und Systemen mit einem Sendekanal einsetzbar, wobei auch ggf. die aktuelle B₁-Karte nicht extra gemessen wird sondern durch Annahme bzw. Modellierung vorliegt.
Insbesondere ist das Verfahren auch in einem multidimensionalen Hochfrequenz-Shimming-Verfahren einsetzbar, bei dem zwar mehrere unabhängige Sendekanäle genutzt werden, aber wie dies bereits zuvor beschrieben wurde, ein gemeinsamer Hochfrequenz-Pulszug verwendet wird, der auf die unterschiedlichen Sendekanäle, zueinander amplituden- und phasenverschoben, aufgegeben und von diesen ausgesendet wird, um so eine gewünschte räumliche Feldverteilung zu erzeugen.
Prinzipiell gibt es verschiedenste Möglichkeiten, die Trajektorien-Fehlermodelle in die Zielfunktion aufzunehmen. Sofern die Zielfunktion, wie eingangs beschrieben, mittels einer A-Matrix oder Systemmatrix aufgebaut wird, wird vorzugsweise eine gegenüber dem bisherigen Stand der Technik (z.B. gemäß Setsompop et al.) erweiterte A-Matrix verwendet, die mehrere unterschiedliche Teilmatrizen umfasst bzw. daraus gebildet wird. Diese unterschiedlichen Teilmatrizen basieren dann auf unterschiedlichen Trajektorienverlaufs-Funktionen. Mit anderen Worten, die Matrixelemente der Teilmatrizen werden so aufgebaut, dass sie die unterschiedlichen Trajektorienverlaufs-Funktionen enthalten, die jeweils wiederum auf den unterschiedlichen Trajektorien-Fehlermodellen basieren. Dabei kann jede Teilmatrix einer kompletten A-Matrix der herkömmlichen Zielfunktion entsprechen, d. h. sie kann beispielsweise bei k Sendekanälen und l Sampling-Punkten des mit der Zielfunktion optimierten HF-Pulses bzw. HF-Pulsabschnitts, der innerhalb der HF-Puls-Optimierungsfunktion bzw. Zielfunktion berücksichtigt wird, entsprechend k Zeilen und k·l Zeilen aufweisen. Dies wird später noch anhand eines Ausführungsbeispiels genauer erläutert.
Sofern auch eine ideale Trajektorienverlaufs-Funktion berücksichtigt werden soll, kann in diesem Fall eine der Teilmatrizen auf der idealen Trajektorienverlaufs-Funktion basieren, welche von einem fehlerfreien Trajektorienverlauf ausgeht. In diesem Fall wird also lediglich die bekannte A-Matrix zusätzlich um eine oder mehrere weitere Teilmatrizen erweitert, die jeweils auf den unterschiedlichen Fehlermodellen basieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bei beliebigen k-Raumtrajektorien bzw. Trajektorientypen im zweidimensionalen oder dreidimensionalen k-Raum einsetzbar, insbesondere und bevorzugt mit EPI-Trajektorien oder Spiralgeometrien, aber auch mit Zykloiden-Geometrien, Spoke-Positionen-Geometrien, Radialgeometrien, sphärische-Schalen-Geometrien, kT-Punkten, oder Freiformgeometrien.
Besonders bevorzugt erfolgt die Berechnung des Hochfrequenz-Pulszugs im Rahmen des HF-Puls-Optimierungsverfahrens zunächst für eine niedrigere Ziel-Magnetisierung. Der dabei ermittelte Mehrkanal-Pulszug wird anschließend auf eine endgültige Ziel-Magnetisierung hochskaliert und ggf. noch einmal nachkorrigiert. Für diese Vorgehensweise wird ausgenutzt, dass für kleine Magnetisierungen, d. h. für geringe Flipwinkel (im so genannten „Low-Flip-Bereich“), z. B. zwischen 0 und 5°, das Magnetisierungsverhalten noch linear ist. Daher ist in diesem Bereich eine Berechnung mit einem Optimierungsverfahren erheblich einfacher und schneller. Ist für diesen Bereich der optimale Mehrkanal-Pulszug gefunden, so ist in einem nachfolgenden Schritt ohne weiteres eine Hochskalierung möglich. Wenn z. B. die Berechnung im Low-Flip-Bereich für einen Flipwinkel von maximal α = 5° erfolgt und die eigentliche Magnetisierung mit einem Flipwinkel α von maximal 90° erfolgen soll, können entsprechend dem Verhältnis der Flipwinkel die Amplitudenwerte der HF-Pulse mit einem Faktor 18 multipliziert werden.
Da im Rahmen des Verfahrens neben der erfindungsgemäßen Optimierung der k-Raum-Trajektorie eine Ermittlung eines optimalen Hochfrequenzpulszugs mittels herkömmlicher HF-Puls-Optimierungsverfahren durchgeführt werden kann, können vorzugsweise dabei auch weitere Parameter, insbesondere hinsichtlich eines physischen HF-Belastungswerts des Untersuchungsobjekts optimiert werden. Beispielsweise können die für die HF-Puls-Optimierung benutzten Parameter innerhalb einer Tikhonov-Regularisierung oder auch andere Systemparameter wie z. B. die maximale Gradientenstärke oder die Flankenzeit im Rahmen der Optimierung später noch variiert werden, um so auch hinsichtlich der SAR- bzw. SED-Werte optimierte Ergebnisse zu erzielen.
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 eines erfindungsgemäßen Magnetresonanzsystems,
2 ein Ablaufschema für einen möglichen Ablauf gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer Ansteuersequenz,
3 eine Simulation der erreichten Magnetisierung (bei Vorgabe einer L-förmigen Ziel-Magnetisierung) unter Annahme verschiedener Gradientenverzögerung- und Wirbelstromfehler beim Ausspielen der Gradientenpulse in einem Verfahren ohne Anwendung der Erfindung (obere Bilder) im Vergleich zu einem Verfahren unter Anwendung der Erfindung (untere Bilder).
In 1 ist grob schematisch ein erfindungsgemäßes Magnetresonanzsystem 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 liegendes Untersuchungsobjekt O (Patient/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, um beliebige Magnetfeldgradienten in x-, y- und z-Richtung anzulegen, sowie eine Ganzkörper-Hochfrequenzspule 5. 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 beispielsweise auf oder unter das Untersuchungsobjekt O gelegten Lokalspulen 6 empfangen. Alle diese Komponenten sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt und daher in der 1 nur grob schematisch dargestellt.
Die Ganzkörper-Hochfrequenzspule 5 ist hier in Form einer so genannten Birdcage-Antenne aufgebaut und weist eine Anzahl N von einzelnen Antennenstäben auf, die parallel zum Patiententunnel 8 verlaufen und auf einem Umfang um den Patiententunnel 8 gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Endseitig sind die einzelnen Antennenstäbe jeweils kapazitiv ringförmig verbunden. Die einzelnen Antennenstäbe sind hier als einzelne Sendekanäle S₁, ..., S_N separat von einer Steuereinrichtung 10 ansteuerbar, d. h. es handelt sich bei dem Magnetresonanztomographiesystem um ein pTX-fähiges System. Es wird aber ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch an klassischen Magnetresonanztomographiegeräten mit nur einem Sendekanal anwendbar ist. Da aber das erfindungsgemäße Verfahren besondere Vorteile bei pTX-Sequenzen bietet, wird im Folgenden – ohne Beschränkung der Allgemeinheit – von einem solchen Beispiel ausgegangen, sofern nicht anders erwähnt.
Bei der Steuereinrichtung 10 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 das gesamte Magnetresonanzsystem 1 ansteuern kann. Im vorliegenden Fall ist dieses Terminal 20 als Rechner mit Tastatur, einem oder mehreren Bildschirmen 21 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 mit Steuersignalen SG_x, SG_y, SG_z beschaltet. Hierbei handelt es sich um Gradientenpulse, die während einer Messung an genau vorgesehenen zeitlichen Positionen und mit einem genau vorgegebenen zeitlichen Verlauf gesetzt werden.
Die Steuereinrichtung 10 weist außerdem eine Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit 12 auf. Diese HF-Sende-/Empfangseinheit 12 besteht ebenfalls aus mehreren Teilkomponenten, um jeweils separat und parallel auf die einzelnen Sendekanäle S₁, ... S_N, d. h. auf die einzeln ansteuerbaren Antennenstäbe der Bodycoil, Hochfrequenzpulse aufzugeben. Über die Sende-/Empfangseinheit 12 können auch Magnetresonanzsignale empfangen werden. Üblicherweise geschieht dies aber mit Hilfe der Lokalspulen 6. Die mit diesen Lokalspulen 6 empfangenen Rohdaten RD werden von einer HF-Empfangseinheit 13 ausgelesen und verarbeitet. Die hiervon oder von der Ganzkörperspule mittels der HF-Sende-/Empfangseinheit 12 empfangenen Magnetresonanzsignale werden 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. Sofern die Lokalspulen eine geeignete Umschalteinheit aufweisen, können auch diese an eine HF-Sende-/Empfangseinheit angeschlossen sein, um die Lokalspulen auch zum Senden zu verwenden.
Die Gradientensteuerung 11, die HF-Sende-/Empfangseinheit 12 und die HF-Empfangseinheit 13 für die Lokalspulen 6 werden jeweils koordiniert durch eine Messsteuereinheit 15 angesteuert. Diese sorgt durch entsprechende Befehle dafür, dass ein gewünschter Gradienten-Pulszug GP durch geeignete Gradientensteuersignale SG_x, SG_y, SG_z ausgesendet wird, und steuert parallel die HF-Sende-/Empfangseinheit 12 so an, dass ein Mehrkanal-Pulszug MP ausgesendet wird, d. h. dass auf den einzelnen Sendekanälen S₁, ... S_N parallel die passenden Hochfrequenzpulse auf die einzelnen Sendestäbe der Ganzkörperspule 5 gegeben werden. Außerdem muss dafür gesorgt werden, dass zum passenden Zeitpunkt die Magnetresonanzsignale an den Lokalspulen 6 durch die HF-Empfangseinheit 13 bzw. eventuelle Signale an der Ganzkörperspule 5 durch die HF-Sende-/Empfangseinheit 12 ausgelesen und weiterverarbeitet werden. Die Messsteuereinheit 15 gibt die entsprechenden Signale, insbesondere den Mehrkanal-Pulszug MP an die Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit 12 und den Gradienten-Pulszug GP an die Gradienten-Steuereinheit 11, gemäß einem vorgegebenen Steuerprotokoll P vor. In diesem Steuerprotokoll P sind alle Steuerdaten hinterlegt, die während einer Messung eingestellt werden müssen.
Üblicherweise sind in einem Speicher 16 eine Vielzahl von Steuerprotokollen P für verschiedene Messungen hinterlegt. Diese könnten über das Terminal 20 vom Bediener ausgewählt und gegebenenfalls variiert werden, um dann ein passendes Steuerprotokoll P für die aktuell gewünschte Messung zur Verfügung zu haben, mit dem die Messsteuereinheit 15 arbeiten kann. Im Übrigen kann der Bediener auch über ein Netzwerk NW Steuerprotokolle, beispielsweise von einem Hersteller des Magnetresonanzsystems, abrufen und diese dann gegebenenfalls modifizieren und nutzen.
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 10 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, und dass im Prinzip die Hochfrequenz-Ganzkörperspule nicht als Birdcage-Antenne aufgebaut sein muss.
In 1 ist hier außerdem eine erfindungsgemäße Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung 22 schematisch dargestellt, die zur Ermittlung einer Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz AS dient. Diese Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz AS enthält u. a. für eine bestimmte Messung eine Pulssequenz mit einem Gradienten-Pulszug GP, um eine bestimmte Trajektorie im k-Raum zu durchlaufen, sowie einen dazu koordinierten Hochfrequenz-Pulszug, hier einen Mehrkanal-Pulszug MP, zur Ansteuerung der einzelnen Sendekanäle S₁, ..., S_N. Die Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz AS wird im vorliegenden Fall als Teil des Steuerprotokolls P erstellt.
Die Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung 22 ist hier als Teil des Terminals 20 dargestellt und kann in Form von Softwarekomponenten auf dem Rechner dieses Terminals 20 realisiert sein. Prinzipiell kann die Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung 22 aber auch Teil der Steuereinrichtung 10 selber sein oder auf einem separaten Rechensystem realisiert sein, und die fertigen Ansteuersequenzen AS werden, gegebenenfalls auch im Rahmen eines kompletten Steuerprotokolls P, über ein Netzwerk NW an das Magnetresonanzsystem 1 übermittelt.
Die Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung 22 weist hier eine Eingangsschnittstellenanordnung 23, 24 auf, welche aus mehreren Teil-Schnittstellen bestehen kann, was hier durch die 2 Bezugszeichen 23, 24 symbolisiert ist. Über diese Eingangsschnittstellenanordnung 23, 24 erhält die Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung 22 zum einen eine Ziel-Magnetisierung m, welche vorgibt, wie die Flipwinkelverteilung bei der gewünschten Messung sein sollte, eine Sende-k-Raum-Trajektorie k(t), eine B₀-Karte ΔB₀, mehrere B₁-Karten ΔB₁ sowie gegebenenfalls noch weitere Eingangsparameter, die später noch im Zusammenhang mit 2 näher erläutert werden.
Mittels einer hier separat dargestellten Fehlermodellermittlungseinheit 25 wird ein zu berücksichtigendes Trajektorien-Fehlermodell TFM₁, TFM₂, ..., TFM_m bzw. mehrere Trajektorien-Fehlermodelle TFM₁, TFM₂, ..., TFM_m oder eine Kombination von Trajektorien-Fehlermodellen TFM₁, TFM₂, ..., TFM_m ausgewählt. Bei dieser Fehlermodellermittlungseinheit 25 kann es sich auch um eine Schnittstelle handeln, beispielsweise einen Teil der Eingangsschnittstellenanordnung. Es kann sich hierbei aber auch um einen Speicher handeln, in dem fertige Trajektorien-Fehlermodelltypen oder dergleichen hinterlegt sind und bei dem beispielsweise nur noch über eine Benutzerschnittstelle bestimmte Parameter für Trajektorien-Fehlermodelle TFM₁, TFM₂, ..., TFM_m einzugeben sind oder diese Parameter beispielsweise in Abhängigkeit von der gewünschten Ansteuersequenz, beispielsweise dem Typ der Sequenz und dem Typ der Trajektorie, ausgewählt werden. In der Regel ist es nämlich so, dass mit bestimmten Typen von Trajektorien insbesondere bestimmte Fehlerarten auftreten können.
All diese Daten werden dann an eine Zielfunktionsermittlungseinheit 26 übergeben, welche eine geeignete Zielfunktion f_z ermittelt, die dann die gewünschte Kombination verschiedener k-Raum-Trajektorienverlaufs-Funktionen enthält, die auf den definierten Trajektorien-Fehlermodellen TFM₁, TFM₂, ..., TFM_m basieren. Die ermittelte Zielfunktion f_z wird dann an eine HF-Puls-Optimierungseinheit 27 übergeben, in der dann für die gewünschte Trajektorie unter Verwendung der vorgegebenen Zielfunktion f_z ein optimaler Hochfrequenz-Pulszug MP ermittelt wird.
Die Daten, welche diesen Hochfrequenz-Pulszug MP sowie die ausgewählte Trajektorie k(t) definieren, werden dann über eine Steuersequenz-Ausgabeschnittstelle 28 wieder ausgegeben und können dann beispielsweise im Rahmen eines Steuerprotokolls P, in dem noch weitere Vorgaben zur Ansteuerung des Magnetresonanzsystems 1 angegeben werden (beispielsweise Parameter zur Rekonstruktion der Bilder aus den Rohdaten etc.), an die Steuereinrichtung 10 übergeben werden.
Der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung einer Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz AS wird im Folgenden anhand des Ablaufdiagramms gemäß 2 an einem vereinfachten Beispiel erläutert.
Im Schritt I werden zunächst verschiedene innerhalb des weiteren Verfahrens verwendete Parameter vorgegeben bzw. übernommen. Beispielsweise werden im Schritt Ia systemspezifische Parameter SP wie die Anzahl der Sendekanäle, eine maximale Slew-Rate, eine maximale Gradientenamplitude etc., im Schritt Ib verschiedene untersuchungsspezifische Parameter UP, wie die Positionierung der aufzunehmenden Schichten etc. und im Schritt Ic die B₁-Maps ΔB₁ für die einzelnen Sendekanäle übernommen. Außerdem kann im Schritt Id eine aktuell gemessene B₀-Map ΔB₀ vorgegeben sein. Im Schritt II wird dann eine gewünschte Ziel-Magnetisierung m vorgegeben. Schließlich wird im Schritt III eine k-Raum-Trajektorien k(t) definiert, beispielsweise durch Vorgabe einer festen k-Raum-Trajektorie k(t) oder durch Vorgabe eines Trajektorientyps und anschließende Ermittlung einer optimierten k-Raum-Trajektorie k(t) dieses Typs. Die Vorgabe der Trajektorie bzw. des Typs kann durch das ausgewählte Steuerprotokoll erfolgen, da die Trajektorie häufig von der Art der Messung abhängt. Die Verfahrensschritte Ia bis Id, II und III können auch in einer anderen Reihenfolge abgearbeitet werden.
In Schritt V erfolgt dann automatisch das Design des Hochfrequenz-Pulszugs, hier eines Mehrkanal-Pulszugs MP. Hierbei werden die einzelnen HF-Pulsfolgen für die unterschiedlichen Sendekanäle entwickelt, das heißt, es wird genau berechnet, welche HF-Pulsform auf welchem Kanal gesendet werden muss. Angewendet wird hierbei eine iterative Optimierungsmethode, da diese sich als besonders geeignet herausgestellt hat. Konkret wird hier die so genannte conjugate-gradient-Methode (CG-Verfahren; von engl. conjugate gradients oder auch Verfahren der konjugierten Gradienten) verwendet. Prinzipiell sind aber auch andere Optimierungsverfahren, auch nicht iterative, einsetzbar.
Dies kann mit beliebigen Verfahren erfolgen. Bei vielen bisher bekannten Verfahren erfolgt dabei die Optimierungsmethode so, dass z.B. die quadratische mittlere Abweichung (Least-Mean-Square) zwischen der Ziel-Magnetisierung und der Ist-Magnetisierung minimiert wird. Das heißt, es wird eine Lösung für folgende Zielfunktion f_z gesucht:
Dabei ist m die Ziel-Magnetisierung und m_ist = A·b die durch einen HF-Pulszug b erreichte (theoretische) Ist-Magnetisierung, wobei A die sogenannte A-Matrix ist, bestehend aus einem System aus linear komplexen Gleichungen in denen die räumlichen Spulenprofile und die vorliegenden B₀-Karten und B₁-Karten und die verwendete k-Raum-Trajektorie eingeht. Eine üblicherweise verwendete A-Matrix (auch System-Matrix oder Design-Matrix genannt) wird z. B. in W. Grissom et al.: „Spatial Domain Method for the Design of RF Pulses in Multicoil Parallel Excitation", Mag. Res. Med. 56, 620–629, 2006, beschrieben. b ist dabei ein (zeitabhängiger) Vektor, der die z.B. N Funktionen b_c (eine zeitabhängige Funktion der HF-Amplitude für jeden Sendekanal c = 1 bis N) enthält. R(b) ist ein (optionaler) Regularisierungsterm, vorzugsweise die sogenannte Thikonov-Regularisierung. W definiert das interessierende, d.h. das durch die HF-Pulsfolge zu erreichende, Volumen (Region of Interest).
Die Gleichung (1) bzw. die darin verwendete Zielfunktion f_z (der zu minimierende Teil innerhalb der geschweiften Klammern) oder deren A-Matrix wird hier zuvor im Schritt IV in einer erfindungsgemäßen Weise so aufgestellt, dass die Zielfunktion f_z eine Kombination verschiedener Trajektorienverlaufs-Funktionen enthält, von denen zumindest eine Trajektorienverlaufs-Funktion auf einem Trajektorien-Fehlermodell TFM₁, TFM₂, ..., TFM_M basiert. Auf diese Weise kann berücksichtigt werden, dass die tatsächlich später ausgespielten Gradientenpulsformen nicht mit den theoretisch zuvor berechneten Gradientenpulsformen übereinstimmen müssen und sich daher die k-Raum-Trajektorie von der theoretisch berechneten, gewünschten k-Raum-Trajektorie unterscheiden kann.
Wie die Trajektorienverlaufs-Funktionen in die A-Matrix eingehen, zeigt sich in der mathematischen Definition ihrer einzelnen Matrixelemente a_ij, welche hier wie folgt gegeben ist:
In dieser Gleichung sind i und j Zeile/Spalte der A-matrix bzw. der i-te räumliche and j-te zeitliche Abtastpunkt, γ ist das gyromagnetische Verhältnis, m₀ die Gleichgewichtsmagnetisierung, d. h. ebenfalls eine Materialkonstante, r sind die räumlichen Koordinaten innerhalb des k-Raums, ΔB₀ ist der Wert der B₀-Map am Ort r_i, Δt ist das diskrete zeitliche Abtastintervall und T die Pulslänge, d. h. die zeitliche Dauer zum Abfahren der Trajektorie k(t) (dabei bilden alle Teilpulse entlang einer k-Raum-Trajektorie im Sinne dieser Gleichung einen einzelnen gemeinsamen „HF-Puls“). Die k-Raum-Trajektorie bzw. die k-Raum-Trajektorien-Verlaufsfunktion k(t) ist dabei wie folgt gegeben:
wobei G die Gradientenamplitude (Gradientenwellenform) zum Zeitpunkt t ist. t ist hierbei einfach der Integrationsindex und T wieder die Pulslänge (z.B. in [s]). Die Gradientenamplitude G ist dabei als Vektor geschrieben, da sie sich auf die Gradientenamplitudenform in allen drei Raumrichtungen, d. h. G_x,y,z(t) (z.B. in [mT/m]) bezieht. k(t) ist die Position im k-Raum als Vektor k_x,y,z(t) (z.B. in [1/mm]) angegeben.
Um dafür zu sorgen, dass die Zielfunktion gemäß Gleichung (1) eine Kombination verschiedener k-Raum-Trajektorien-Verlaufsfunktionen enthält, die auf unterschiedlichen Trajektorien-Fehlermodellen basieren, wird nun gemäß der bevorzugten Variante der Erfindung nicht eine übliche A-Matrix eingesetzt, sondern es wird eine A-Matrix verwendet, die aus mehreren Teilmatrizen besteht. Hierzu wird in der Gleichung (1) die durch einen HF-Pulszug b erreichte Ist-Magnetisierung m_ist wie folgt definiert:
Hierbei entspricht A_ideal der herkömmlichen A-Matrix, wie sie beispielsweise bei dem Artikel von Setsompop verwendet wird. Diese A-Matrix beschreibt den Fall, dass die k-Raum-Trajektorie in idealer Weise abgefahren wird, d. h. sie geht von einer idealen k-Raum-Trajektorien-Verlaufsfunktion aus.
Diese Matrix wurde um weitere Teilmatrizen A_em1, ..., A_emn erweitert, welche jeweils in gleicher Weise aufgebaut sind, d. h. jede dieser Teilmatrizen A_em1, ..., A_emn besteht aus Elementen a_ij, wie sie in Gleichung (2) definiert sind. Die einzelnen Teilmatrizen A_em1, ..., A_emn unterscheiden sich lediglich dadurch, dass anstelle der Definition der k-Raum-Trajektorien-Verlaufsfunktionen gemäß Gleichung (3) nun die Teilmatrix A_emi für das i-te Fehlermodell gemäß
aufgebaut ist.
Die auf den Fehlern basierenden Gradientenamplituden (Gradientenwellenformen) G_emi(t) können dabei mit Hilfe von anisotropischen Hardware-Verzögerungszeiten T_d und linearen Wirbelströmen G_EC(t) gemäß G_emi(t) = T_d(G_ideal(t) + G_EC(t)) (6) modelliert werden. Dabei ist der die Verzögerungszeit bestimmende Operator T_d wie folgt definiert:
wobei t_x, t_y, t_z jeweils die Verzögerungszeiten in Richtung der x-, y- und z-Achse bezogen auf die HF-Puls-Aussendung sind. Der Operator T_d kann so aufgebaut sein, dass er in alle Raumrichtungen die gleichen Verzögerungszeiten hat, aber auch so, dass für jede Raumrichtung unterschiedliche Verzögerungszeiten vorgesehen sind.
Der Operator G_EC zur Definition der Wirbelstromfehler kann z. B. wie nachfolgend beispielhaft für die x-Achse dargestellt definiert werden:
Hierbei sind e_xx(t), e_xy(t) und e_xz(t) die Exponentialfunktionen, die jeweils das Abklingverhalten der Wirbelstromterme beschreiben. Die letzten beiden Kreuzterme könnten dabei optional auch vernachlässigt werden, weil die Wirbelstromeffekte durch Kreuzterme im Verhältnis zum ersten Term relativ gering sind. Der erste Term kann dann wie folgt in eine lineare Taylor-Reihe entwickelt werden:
Wobei τ_n die Abklingzeit des Wirbelstroms repräsentiert (z.B. typischerweise 20–150 µs), a_n die Amplitude des Wirbelstroms (z.B. typischerweise 1‰–2% der Gradientenamplitude G) und
ist. Gleichung (9) kann dann auch wie folgt geschrieben werden
Das gemäß Gleichung (6) definierte Gradientenfehlermodell G_emi(t) ist ein Beispiel für ein kombiniertes Fehlermodell, das sowohl unterschiedliche Gradientenverzögerungen als auch Wirbelströme berücksichtigt. Alternativ ist es auch möglich, zwei unterschiedliche Trajektorien-Fehlermodelltypen (Gradienten-Fehlermodelltyp) aufzubauen, wobei ein Modelltyp nur die Wirbelströme berücksichtigt und der andere Modelltyp nur die Verzögerungszeiten, und dann für jeden Trajektorien-Fehlermodelltyp eine oder mehrere einzelne Teilmatrizen zu definieren, die dann gemäß Gleichung (4) in die gesamte A-Matrix eingehen.
Ebenso können noch elaboriertere Fehlermodelle bzw. Fehlermodelltypen verwendet werden, die beispielsweise auch nicht lineare Wirbelströme, Kreuzterme, Mischterme zwischen Gradientenfeldern der verschiedenen Spulen aufgrund der Maxwellterme, Überkopplungseffekte oder auch statische bzw. dynamische B0-Feldeffekte sowie fehlerhafte Amplitudenskalierungen der Gradientenspulen etc. enthalten.
Dabei können auch für jeden Fehlermodelltyp mehrere Fehlermodelle bzw. mehrere Teilmatrizen gemäß Gleichung (4) verwendet werden, wobei in den gleichen Fehlermodelltyp unterschiedliche Fehlerparameter eingesetzt werden. Beispielsweise könnte in Gleichung (4) ein erstes Fehlermodell für eine erste Teilmatrix A_em1 gemäß Gleichung (6) aufgebaut werden, wobei als Delay-Zeiten in sämtlichen Gradientenrichtungen t_d1 = +10 µs aufgenommen werden. Eine weitere Teilmatrix A_em2 wird ebenfalls gemäß Gleichung (6), d. h. mit dem gleichen Fehlermodelltyp, aufgebaut, wobei dann jedoch die Delay-Zeiten t_d2 = –10µs sind usw. Dabei ist es auch möglich, für jedes Fehlermodell unterschiedliche Delay-Zeiten für unterschiedliche Raumrichtungen vorzusehen etc.
Um die Berechnungszeiten möglichst gering zu halten, ist es insbesondere auch möglich, die verwendeten Fehlermodelle auf a priori bekannte „Worst-Case“-Fehlerwerte zu beschränken, beispielsweise wie zuvor beschrieben, maximale Delay-Zeiten von +/–10 µs in jeder Gradientenrichtung.
Die Möglichkeit, auf Basis von verschiedenen Trajektorien-Fehlermodelltypen FMT_a, FMT_b mehrere Trajektorien-Fehlermodelle TFM₁, TFM₂ ... TFM_M aufzubauen und diese in die Zielfunktion f_z in der beschriebenen Weise eingehen zu lassen, wird in 2 symbolisiert. Hier ist dargestellt, wie die ersten Trajektorien-Fehlermodelle TFM₁, TFM₂ auf einem ersten Trajektorien-Fehlermodelltyp FMT_a basieren, wogegen weitere Trajektorien-Fehlermodelle TFM_m auf anderen Trajektorien-Fehlermodelltypen (hier dem Trajektorien-Fehlermodelltyp FMT_b) basieren.
Wurde im Schritt IV die passende Zielfunktion f_z gemäß den Gleichungen (1) bis (13) aufgestellt und hierzu im Schritt V die Lösung gefunden, liegt als Ergebnis eine Funktion der Amplitude in Abhängigkeit von der Zeit für alle vorhandenen Sendekanäle vor.
Die Mehrkanal-Pulsfolge kann dabei zunächst für den sog. „Low-Flip-Bereich“ mit Flipwinkeln unter 5° gewonnen werden da in diesem Bereich das Magnetisierungsverhalten noch linear abläuft. Die erhaltenen Werte werden dann hochskaliert, um die eigentlich gewünschte Ziel-Magnetisierung zu erreichen, die z.B. bis zu einem 90° Flipwinkel geht. Dies erfolgt einfach durch Multiplikation der Amplituden der einzelnen Pulse mit dem gewünschten Skalierungsfaktor. Der Fehler, der beim Hochskalieren auftreten kann, kann durch eine (partielle) Bloch-Simulation korrigiert werden.
Zum Abschluss wird dann im Schritt VI die Ansteuersequenz AS zur Zwischenspeicherung oder sofortigen Ausführung übergeben.
Um das erfindungsgemäße Verfahren zu testen, wurden Simulationen berechnet, bei denen jeweils für einen Datensatz eines menschlichen Oberkörpers eine L-förmige Ziel-Magnetisierungsverteilung (Ziel-Flipwinkelverteilung) vorgegeben wurde. Bei den Berechnungen erfolgte eine numerische Optimierung gemäß dem obigen Verfahren, wobei von 8 unabhängigen Sendekanälen und einem Anregungsfeld von 400 × 600 mm ausgegangen wurde. Die Anregungsauflösung wurde mit 10 mm angenommen und es wurde ein sog. TicToc-Optimierer angenommen. Als Ziel-Flipwinkel wurde 15° angenommen.
3 zeigt das Ergebnis dieser Simulationen. Die Bilder zeigen jeweils die räumliche Verteilung des erreichten Flipwinkels innerhalb einer x-/y-Ebene im Ortsraum, wobei auf der x- und y-Achse die Koordinaten in Pixel angegeben sind. Der erreichte Flipwinkel ist durch die nebenstehende Grauskalierung angegeben. Über dem Bild ist jeweils der quadratische Fehler (oder root-mean-square-error) zur Zielmagnetisierung (d.h. zum gewünschten‚ L‘-Muster) in Flipwinkel (α_rms) angegeben.
Dabei sind in der oberen Zeile die erreichten Ziel-Magnetisierungen ohne das erfindungsgemäße Verfahren gezeigt, d. h. ohne jede Korrektur hinsichtlich möglicher Trajektorienfehler, wobei im ersten, linken Bild von einer Gradientendelayzeit d₁ in jeder Raumrichtung von –10 µs ausgegangen wird und zusätzlich Wirbelstromfehler simuliert wurden, im mittleren Bild von einer idealen Trajektorie ausgegangen wird und im letzten, rechten Bild von einer Gradientendelayzeit d₂ von +10 µs in jeder Raumrichtung und einem Wirbelstromfehler ausgegangen wird. Diese Bilder zeigen eindeutig, dass (simulierte) Gradientenfehler eine erhebliche Auswirkung auf die erreichte Ziel-Magnetisierung haben.
In der darunter liegenden Zeile sind die erreichten Ziel-Magnetisierungen bei jeweiligen gleichen Ausgangsbedingungen wie in der oberen Bilderzeile jedoch bei Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Hier zeigt sich, dass lediglich in dem (unwahrscheinlichen) Fall, dass absolut kein Gradientenfehler auftritt, tatsächlich die erreichte Ziel-Magnetisierung geringfügig durch die erfindungsgemäße Berücksichtigung möglicher Fehler leicht gestört wird.
Sofern jedoch tatsächlich ein Fehler durch Wirbelströme bzw. durch eine Gradientenverzögerung von –10 µs bis zu +10 µs auftritt (linkes und rechtes Bild in der unteren Zeile), wird die gewünschte Ziel-Magnetisierung erheblich besser erreicht als ohne das erfindungsgemäße Verfahren. Insbesondere zeigen die Simulationen, dass es nicht unbedingt nötig ist, konkrete Gradientenfehler aufgrund von vorab durchgeführten Messungen der Gradiententrajektorie zu ermitteln und diese dann in den weiteren Messungen zu verwenden. Bei diesen Simulationen wurde das gemäß den obigen Gleichungen (4) bis (13) definierte Trajektorien-Fehlermodell unter Berücksichtigung von „Worst-case“-Verzögerungszeiten von +/–10 µs in jede Raumrichtung sowie unter Berücksichtigung von Wirbelströmen verwendet.
Wie bereits oben beschrieben, ist das Verfahren für beliebige k-Raum-Trajektorien anwendbar und auch für eine beliebige Anzahl von Sendekanälen. Ebenso zeigt das Verfahren, dass es ausreicht, nur die Worst-Case-Szenarien zu berücksichtigen und dadurch die numerische Komplexität verringt werden kann.
Vorteilhafterweise kann das Verfahren insbesondere auch dann eingesetzt werden, wenn gleichzeitig mit den HF-Pulsen auch der Durchlauf durch den k-Raum, d. h. die k-Raum-Trajektorien selbst, optimiert wird, was bei Verfahren, die auf einer Vormessung der tatsächlich erreichten k-Raum-Trajektorie basieren, nicht ohne weiteres möglich wäre. Daher kann das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur zur Erreichung idealer HF-Pulse für vorgegebene k-Raum-Trajektorien verwendet werden, sondern auch in Verfahren, in denen optimierte k-Raum-Trajektorien und gleichzeitig hierfür optimierte Hochfrequenz-Pulszüge ermittelt werden.
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 den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Magnitude Least Square Optimization for Parallel Radio Frequency Excitation Design Demonstrated at 7 Tesla With Eight Channels“ von K. Setsompop et al., Magn. Reson. Med. 59:908 bis 915, 2008 [0006]
W. Grissom et al.: „Spatial Domain Method for the Design of RF Pulses in Multicoil Parallel Excitation“, Mag. Res. Med. 56, 620–629, 2006 [0030]
W. Grissom et al.: „Spatial Domain Method for the Design of RF Pulses in Multicoil Parallel Excitation“, Mag. Res. Med. 56, 620–629, 2006 [0061]

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz (AS), welche zumindest einen von einem Magnetresonanzsystem (1) auszusendenden Hochfrequenz-Pulszug (MP) umfasst, mit folgenden Schritten – Erfassen einer Ziel-Magnetisierung (m), – Ermittlung einer k-Raum-Trajektorie (k(t)), – Ermittlung des Hochfrequenz-Pulszugs (MP) für die k-Raum-Trajektorie (k(t)) in einem HF-Puls-Optimierungsverfahren unter Verwendung einer Zielfunktion (f_z), wobei die Zielfunktion (f_z) eine Kombination verschiedener Trajektorienverlaufs-Funktionen enthält, von denen zumindest eine Trajektorienverlaufs-Funktion auf einem Trajektorien-Fehlermodell (TFM₁, TFM₂, ..., TFM_M) basiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielfunktion (f_z) verschiedene Trajektorienverlaufs-Funktionen enthält, die auf unterschiedlichen Trajektorien-Fehlermodellen (TFM₁, TFM₂, ..., TFM_M) basieren.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Trajektorien-Fehlermodelle (TFM₁, TFM₂, ..., TFM_M) auf demselben Trajektorien-Fehlermodelltyp (FMT_a, FMT_b) basieren aber unterschiedliche Fehlerparameter aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Trajektorien-Fehlermodelle (TFM₁, TFM₂, ..., TFM_M) auf verschiedenen Trajektorien-Fehlermodelltypen (FMT_a, FMT_b) basieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trajektorien-Fehlermodelle (TFM₁, TFM₂, ..., TFM_M) und/oder Trajektorien-Fehlermodelltypen (FMT_a, FMT_b) mit einer vorgegebenen Gewichtung in die Zielfunktion (f_z) eingehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trajektorien-Fehlermodelle (TFM₁, TFM₂, ..., TFM_M) unabhängig von aktuellen Messdaten sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit zumindest einem der Trajektorien-Fehlermodelltypen (FMT_a, FMT_b) zumindest einer der folgenden Fehlertypen modelliert wird: – Amplitudenskalierungsfehler, – Wirbelstromfehler, – Gradientenverzögerungsfehler, – Grundmagnetfeldfehler, – Gradientenmischtermeffekte, – Kopplungseffekte.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz (AS) einen Mehrkanal-Pulszug (MP) mit mehreren individuellen, vom Magnetresonanzsystem (1) über verschiedene unabhängige Hochfrequenz-Sendekanäle (S₁, ..., S_N) parallel auszusendenden HF-Pulszügen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielfunktion (f_z) eine A-Matrix enthält, welche mehrere unterschiedliche Teilmatrizen umfasst, wobei unterschiedliche Teilmatrizen auf unterschiedlichen Trajektorienverlaufs-Funktionen basieren.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Teilmatrizen auf einer idealen Trajektorienverlaufs-Funktion basiert.
Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzsystems (1), bei dem zunächst in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 eine Ansteuersequenz (AS) ermittelt und dann das Magnetresonanzsystem (1) unter Nutzung dieser Ansteuersequenz (AS) betrieben wird.
Steuersequenzermittlungseinrichtung (22) zur Ermittlung einer Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz (AS), welche zumindest einen von einem Magnetresonanzsystem (1) auszusendenden Hochfrequenz-Pulszug (MP) umfasst, – mit einer Eingangs-Schnittstellenanordnung (23) zur Erfassung einer Ziel-Magnetisierung (m), – einer Trajektorienermittlungseinheit (25) zur Ermittlung einer k-Raum-Trajektorie (k(t)), – einer HF-Puls-Optimierungseinheit (25) zur Ermittlung des Hochfrequenz-Pulszugs (MP) für die k-Raum-Trajektorie (k(t)) unter Verwendung einer Zielfunktion (f_z), wobei die Zielfunktion (f_z) eine Kombination verschiedener Trajektorienverlaufs-Funktionen enthält, von denen zumindest eine Trajektorienverlaufs-Funktion auf einem Trajektorie-Fehlermodell (TFM₁, TFM₂, ..., TFM_M) basiert.
Magnetresonanzsystem (1) mit einer Hochfrequenz-Sendeeinrichtung (5), mit einem Gradientensystem (4) und einer Steuereinrichtung (15), welche ausgebildet ist, um zur Durchführung einer gewünschten Messung auf Basis einer vorgegeben Ansteuersequenz (AS) einen Hochfrequenz-Pulszug auszusenden und dazu koordiniert einen Gradienten-Pulszug (GP) auszusenden, gekennzeichnet durch, eine Steuersequenzermittlungseinrichtung (22) nach Anspruch 12, um eine Ansteuersequenz (AS) zu ermitteln und diese an die Steuereinrichtung (15) zu übergeben.
Computerprogrammprodukt, welches direkt in einen Speicher einer Steuersequenzermittlungseinrichtung (22) ladbar ist, mit Programmcodeabschnitten, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Steuersequenzermittlungseinrichtung (22) ausgeführt wird.