DE102014203068A1 - Verfahren zum Erfassen von MR-Daten eines zweidimensionalen Volumenabschnitts und entsprechend ausgestaltete Magnetresonanzanlagen - Google Patents

Verfahren zum Erfassen von MR-Daten eines zweidimensionalen Volumenabschnitts und entsprechend ausgestaltete Magnetresonanzanlagen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Erfassen von MR-Daten eines vorbestimmten zweidimensionalen Volumenabschnitts eines Untersuchungsobjekts (O) mittels einer Magnetresonanzanlage (5). Das erste Verfahren umfasst folgende Schritte: Zufallsbasiertes Bestimmen von im Rohdatenraum abzutastenden Punkten (32), so dass der Rohdatenraum unterabgetastet wird, wenn nur die bestimmten abzutastenden Punkte (32) abgetastet werden. Erfassen der MR-Daten der bestimmten abzutastenden Punkte (32) mittels der Magnetresonanzanlage (5). Das zweite Verfahren umfasst folgende Schritte: Bestimmen von im Rohdatenraum abzutastenden Punkten (32) anhand von radial oder spiralförmig verlaufenden Trajektorien (31), welche im Zentrum (33) des Rohdatenraums beginnen. Verschieben jedes bestimmten abzutastenden Punkts (32) auf einen FFT-Gitterpunkt. Erfassen der MR-Daten der bestimmten abzutastenden Punkte (32) mittels der Magnetresonanzanlage (5).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren, um Punkte im Rohdatenraum (d.h. K-Raum-Punkte) zu bestimmen und MR-Daten bezüglich dieser Punkte zu erfassen, sowie entsprechend ausgestaltete Magnetresonanzanlagen.
  • Die Beschleunigung der Patientenmessung ist ein zentrales Thema der klinischen MR-Bildgebung. Die Aufnahmegeschwindigkeit beeinflusst dabei nicht nur den Durchsatz der jeweiligen Magnetresonanzanlage maßgeblich, sondern definiert darüber hinaus, wie lange der einzelne Patient in der Magnetresonanzanlage verbleiben muss.
  • Während in letzter Zeit Beschleunigungen hinsichtlich der Aufnahmegeschwindigkeit bei der Erfassung von dreidimensionalen Volumenabschnitten erzielt worden sind, existieren im Stand der Technik keine vergleichbaren Beschleunigungen hinsichtlich der Aufnahmegeschwindigkeit bei der Erfassung von zweidimensionalen Volumenabschnitten bzw. Schichten. Während also die bekannten Verfahren Beschleunigungen für dreidimensionale MR-Sequenzen bieten, existieren für die klassischen statischen zweidimensionalen MR-Schnittbildgebungen, welche schätzungsweise 90% der erstellten MR-Bilder ausmachen, keine entsprechenden Beschleunigungsmaßnahmen.
  • Daher stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, das Erfassen von MR-Daten eines zweidimensionalen Volumenabschnitts zu beschleunigen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Erfassen von MR-Daten nach Anspruch 1 und Anspruch 9, durch eine Magnetresonanzanlage nach Anspruch 10 und Anspruch 11, durch ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 13 und durch einen elektronisch lesbaren Datenträger nach Anspruch 14 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erfassen von MR-Daten eines vorbestimmten zweidimensionalen Volumenabschnitts bzw. einer vorbestimmten Schicht innerhalb eines Untersuchungsobjekts mittels einer Magnetresonanzanlage bereitgestellt. Dabei umfasst das Verfahren folgende Schritte:
    • • Zufallsbasiertes Bestimmen von abzutastenden K-Raum-Punkten. Dabei wird der K-Raum, welcher mit dem zweidimensionalen Volumenabschnitt bzw. der Schicht korrespondiert, unterabgetastet, wenn nur die bestimmten abzutastenden K-Raum-Punkte abgetastet werden.
    • • Erfassen der MR-Daten der im vorherigen Schritt bestimmten abzutastenden K-Raum-Punkte mit Hilfe der Magnetresonanzanlage.
    • • Optional kann noch ein Schritt hinzugefügt werden, in welchem beispielsweise ein MR-Bild abhängig von den erfassten MR-Daten rekonstruiert wird.
  • Indem der zweidimensionale K-Raum unterabgetastet wird, werden im Vergleich zu einem bekannten Verfahren, bei welchem der K-Raum vollständig abgetastet wird, wesentlich weniger K-Raum-Punkte abgetastet, wodurch das Abtasten bzw. Erfassen der MR-Daten vorteilhafterweise entsprechend beschleunigt werden kann. Simulationen und Untersuchungen zeigen, dass anhand der erfassten MR-Daten die Rekonstruktion eines MR-Bildes des Volumenabschnitts ohne Artefakte möglich ist, sofern die fehlenden (nicht abgetasteten) K-Raum-Punkte zufällig verteilt sind. Anders ausgedrückt beinhalten die MR-Daten der abgetasteten K-Raum-Punkte trotz Unterabtastung die entsprechende Bildinformation, wenn die abgetasteten K-Raum-Punkte zufällig verteilt sind. Dies gilt selbst für starke Unterabtastraten R von beispielsweise 2 bis 2,5, wobei die abgetasteten K-Raum-Punkte nur 50% bis 40% der eigentlich im K-Raum befindlichen potentiellen Messpunkte bzw. K-Raum-Punkte umfassen. Untersuchungen haben gezeigt, dass trotz dieser Unterabtastraten klinisch eine identische Bildqualität (im Vergleich zu MR-Bildern, welche anhand von vollständig abgetasteten MR-Daten rekonstruiert wurden) erreicht werden kann.
  • Wenn jeder K-Raum-Punkt in Polarkoordinaten durch einen Winkel, welcher von einer Geraden, welche durch das K-Raum-Zentrum und den jeweiligen K-Raum-Punkt definiert ist, und einer durch das K-Raum-Zentrum verlaufenden Achse eingeschlossen wird, und einen Abstand zu diesem K-Raum-Zentrum definiert wird, setzt das zufallsbasierte Bestimmen der abzutastenden K-Raum-Punkte eine konstante Dichte der abzutastenden K-Raum-Punkte abhängig von dem Winkel und eine mit dem Abstand zum K-Raum-Zentrum abnehmende Dichte der abzutastenden K-Raum-Punkte voraus.
  • Mit anderen Worten werden die abzutastenden K-Raum-Punkte vorteilhafterweise derart bestimmt, dass die Dichte der K-Raum-Punkte in Polarkoordinaten abhängig von dem Winkel im Mittel konstant und abhängig von dem Abstand im Mittel abnimmt, umso größer der Abstand ist. Anders ausgedrückt ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein bestimmter K-Raum-Punkt zur Menge der abzutastenden K-Raum-Punkte gehört, vorteilhafterweise umso größer, je geringer der Abstand dieses K-Raum-Punkts zum K-Raum-Zentrum ist. Dagegen ist die Wahrscheinlichkeit zur Menge der abzutastenden K-Raum-Punkte zu gehören, für K-Raum-Punkte welche denselben Abstand zum K-Raum-Zentrum haben, aber unterschiedliche Winkel aufweisen, gleich, da die Wahrscheinlichkeit, dass der jeweilige K-Raum-Punkt zur Menge der abzutastenden K-Raum-Punkte gehört, vorteilhafterweise unabhängig von dem jeweiligen Winkel ist.
  • Wenn erfindungsgemäß in Bogenrichtung eine im Wesentlichen gleichmäßige Pseudo-Zufallsverteilung der K-Raum-Punkte vorliegt, während radial eine vorgeschriebene mit dem Abstand zum K-Raum-Zentrum (z.B. eine mit dem Faktor 1/rx abnehmende Verteilung, wobei r der Abstand ist und x eine Zahl zwischen 1 und 3 ist) abnehmende Pseudo-Zufallsverteilung angestrebt wird, zeigen Simulationen und Untersuchungen eine sehr gute und robuste zweidimensionale Abtastung, ohne dass selbst bei starken Unterabtastungsraten Artefakte im rekonstruierten MR-Bild auftreten. Der prinzipielle Anspruch einer zufälligen Verteilung der fehlenden (nicht abgetasteten) K-Raum-Punkte wird demnach durch die vorab beschriebene Pseudo-Zufallsverteilung der abzutastenden K-Raum-Punkte erfüllt.
  • Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das zufallsbasierte Bestimmen der abzutastenden K-Raum-Punkte mittels radial oder spiralförmig verlaufenden Trajektorien durchgeführt, welche im K-Raum-Zentrum beginnen. Dabei werden die abzutastenden K-Raum-Punkte mit Bezug zu diesen Trajektorien bestimmt.
  • Beispielsweise ist es möglich, dass die abzutastenden K-Raum-Punkte unter Berücksichtigung der vorab beschriebenen Zufallsverteilung auf den radial oder spiralförmig verlaufenden Trajektorien angeordnet werden.
  • Eine wichtige Eigenschaft spiralförmiger Trajektorien ist die Ganghöhe, welche den Abstand von zwei benachbarten Umdrehungen der jeweiligen Spirale bzw. Trajektorie angibt. Bei einer unendlich großen Ganghöhe entartet die spiralförmige Trajektorie in die radiale Trajektorie. Bei echt spiralförmig verlaufenden Trajektorien sollte die Ganghöhe nicht zu hoch gewählt werden. Beispielsweise kann die Ganghöhe so gewählt werden, dass die jeweilige Spirale bzw. Trajektorie nach einer Umdrehung bereits an den Rand des K-Raums stößt.
  • Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform werden zur zufallsbasierten Bestimmung der abzutastenden K-Raum-Punkte ausgehend von radial oder spiralförmig verlaufenden Trajektorien in einem ersten Schritt Zwischenpunkte auf den Trajektorien bestimmt. Wenn jeder dieser Zwischenpunkte anhand von Polarkoordinaten bezüglich des K-Raum-Zentrums definiert wird, dann kann der Winkel φKP eines abzutastenden K-Raum-Punkts über folgende Gleichung (1) ausgehend von dem Winkel φZP des zugehörigen Zwischenpunkts bestimmt werden. φKP = φZP + ZW (1)
  • Dabei entspricht ZW einem zufälligen Winkel, mit welchem der Winkel des Zwischenpunkts beaufschlagt wird. Der Abstand vom K-Raum-Zentrum ändert sich nicht, so dass dieser Abstand bei dem abzutastenden K-Raum-Punkt dem Abstand bei dem entsprechenden Zwischenpunkt entspricht.
  • Gemäß dieser Ausführungsform kann die vorgegebene Verteilungsdichte der abzutastenden K-Raum-Punkte eingehalten werden, indem die Zwischenpunkte entsprechend dieser Verteilungsdichte auf die Trajektorien gelegt werden. Die abzutastenden K-Raum-Punkte werden ausgehend von den Zwischenpunkten abhängig von der Größe des zufälligen Winkels ZW in φ-Richtung sprunghaft verschoben. Wenn die zufälligen Winkel einen Mittelwert von 0° aufweisen, dann weisen auch die derart bestimmten abzutastenden K-Raum-Punkte (im Mittel) die vorgegebene Verteilungsdichte auf.
  • Untersuchungen haben gezeigt, dass abzutastende K-Raum-Punkte, welche auf einer Spirale liegen (also nicht gegenüber dieser Spirale verschoben sind), eine schlechtere Verteilung aufweisen als abzutastende K-Raum-Punkte, welche zufällig gegenüber der Spirale verschoben werden.
  • Erfindungsgemäß existieren zwei verschiedene Varianten:
    • • Gemäß der ersten Variante kann derselbe K-Raum-Punkt mehrfach als abzutastenden K-Raum-Punkt bestimmt und damit abgetastet werden.
    • • Gemäß der zweiten Variante kann derselbe K-Raum-Punkt nicht mehrfach abgetastet werden, so dass jeder K-Raum-Punkt maximal nur einmal abgetastet wird.
  • Gerade in K-Raum-Bereichen in der Nähe des K-Raum-Zentrums können durch die erste Variante (mehrfaches Abtasten desselben K-Raum-Punkts) prinzipiell mehr K-Raum-Punkte abgetastet werden, als mit der zweiten Variante. Dadurch kann das Signal-Rausch-Verhältnis vorteilhafterweise gesteigert werden.
  • Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform werden die abzutastenden K-Raum-Punkte vor dem Erfassen der MR-Daten in eine bestimmte Reihenfolge gebracht. Diese Reihenfolge wird dabei so gewählt, dass ein Abstand zwischen zwei gemäß dieser Reihenfolge aufeinanderfolgend abzutastenden K-Raum-Punkten möglichst klein ist.
  • Indem die vorab bestimmten abzutastenden K-Raum-Punkte in eine optimierte Reihenfolge gebracht werden, bevor die MR-Daten für diese K-Raum-Punkte in der optimierten Reihenfolge erfasst werden, kann die Änderung der Magnetfeld-Gradienten bei der Erfassung der MR-Daten vorteilhafterweise klein gehalten werden. Dadurch kann vorteilhafterweise eine sprunghafte Änderung der Magnetfeld-Gradienten, was zu einer starken Geräuschentwicklung führt, vermieden werden.
  • In der MR-Bildgebung wird unter dem Begriff Trajektorie in der Regel eine Linie verstanden, auf welcher die zu erfassenden K-Raum-Punkte liegen. In den vorab stehenden Zeilen wird unter dem Begriff Trajektorie auch eine Art Ausgangslinie verstanden, ausgehend von welcher die abzutastenden K-Raum-Punkte bestimmt werden. Wenn die abzutastenden K-Raum-Punkte einmal bestimmt worden sind, können dann diejenigen Trajektorien bestimmt werden, anhand welcher die MR-Daten der abzutastenden K-Raum-Punkte erfasst werden, wobei dann auch eine optimierte Reihenfolge der abzutastenden K-Raum-Punkte berücksichtigt werden kann.
  • Vorteilhafterweise kann das Erfassen der MR-Daten mit mehreren Empfangsantennen mit Hilfe einer parallelen Erfassungstechnik durchgeführt werden.
  • Gemäß der auch als iPAT2 („integrated Parallel Acquisition Technique“) bekannten Erfassungstechnik, werden beispielsweise 64 (82) Empfangsantennen parallel bzw. gleichzeitig eingesetzt, um die MR-Daten simultan in beiden K-Raum-Richtungen zu erfassen.
  • Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform werden die bestimmten abzutastenden K-Raum-Punkte vor dem Erfassen der MR-Daten auf ein Gitterpunkt eines vorbestimmten FFT-Gitters verschoben. Dabei ist das FFT-Gitter im K-Raum durch parallel verlaufende erste Geraden und parallel verlaufende zweite Geraden definiert, wobei jede der ersten Geraden senkrecht auf jeder der zweiten Geraden steht. Jeweils zwei benachbarte der ersten Geraden weisen denselben Abstand auf, wie jeweils zwei benachbarte der zweiten Geraden. Jeder Gitterpunkt entspricht einem Schnittpunkt einer der ersten Geraden mit einer der zweiten Geraden.
  • Mit anderen Worten werden die abzutastenden K-Raum-Punkte auf das FFT-Gitter diskretisiert. Dieser Schritt des Verschiebens der abzutastenden K-Raum-Punkte auf das FFT-Gitter erfolgt dabei vor einer etwaigen Optimierung der Reihenfolge, in welcher die abzutastenden K-Raum-Punkte schließlich abgetastet werden. Bei dieser Ausführungsform springen die Gradientenverläufe (beim Erfassen der MR-Daten) von Zeitschritt zu Zeitschritt (von K-Raum-Punkt zu K-Raum-Punkt) um ein ganzzahliges Vielfaches eines quantisierten Grundschritts (Abstands zwischen zwei benachbarten ersten bzw. zweiten Geraden). Versuche haben gezeigt, dass die notwendige Schrittweite bei dieser Ausführungsform dennoch weit unter der sogenannten Slew-Rate-Grenze heutiger Magnetresonanzanlagen liegt.
  • Der große Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass ein sogenanntes Gridding nicht notwendig ist. Beim Gridden werden die erfassten MR-Daten auf ein periodisches Gitter interpoliert, was nachteiligerweise erhebliche Rechenzeit verlangt. Darüber ist die erforderliche Interpolation tendenziell gerade in Bereichen mit einer geringen Dichte an abzutastenden K-Raum-Punkten eine numerische Fehlerquelle.
  • Bei der Rekonstruktion kann vorteilhafterweise eine einfache inverse Fouriertransformation eingesetzt werden. Eine iterative Rekonstruktion ist nicht notwendig, kann aber zur Verbesserung der Bildqualität eingesetzt werden.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein weiteres Verfahren zum Erfassen von MR-Daten eines vorbestimmten zweidimensionalen Volumenabschnitts eines Untersuchungsobjekts mit Hilfe einer Magnetresonanzanlage bereitgestellt. Dabei umfasst das weitere Verfahren folgende Schritte:
    • • Mit Hilfe von radial oder spiralförmig verlaufenden Trajektorien, welche im K-Raum-Zentrum beginnen, werden abzutastenden K-Raum-Punkte bestimmt. Dabei können die abzutastenden K-Raum-Punkte auf diesen Trajektorien liegen oder mit Hilfe dieser Trajektorien bestimmt werden, wie es vorab beschrieben ist.
    • • Jeder bestimmte abzutastende K-Raum-Punkt wird auf einen Gitterpunkt eines vorbestimmten FFT-Gitters verschoben.
    • • Erfassen der MR-Daten der vorab bestimmten und auf das FFT-Gitter verschobenen abzutastenden K-Raum-Punkte.
  • Die Vorteile des weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen den Vorteilen der Ausführungsform des zuerst beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher die abzutastenden K-Raum-Punkte ebenfalls auf FFT-Gitterpunkte verschoben wurden. Mit anderen Worten ist die Verschiebung der abzutastenden K-Raum-Punkte auf FFT-Gitterpunkte unabhängig von der zufälligen Verteilung der abzutastenden K-Raum-Punkte.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch eine Magnetresonanzanlage zum Erfassen von MR-Daten eines vorbestimmten Volumenabschnitts innerhalb eines Untersuchungsobjekts bereitgestellt. Dabei umfasst die Magnetresonanzanlage einen Grundfeldmagneten, ein Gradientenfeldsystem, eine oder mehrere HF-Antennen, eine Steuereinrichtung, um das Gradientenfeldsystem und die mindestens eine HF-Antenne anzusteuern, um von der mindestens einen HF-Antenne erfasste Messsignale zu empfangen und um diese Messsignale auszuwerten, sowie eine Recheneinheit. Die Recheneinheit ist ausgestaltet, um zufallsbasiert abzutastende K-Raum-Punkte zu bestimmen, so dass der K-Raum unterabgetastet wird, wenn nur die bestimmten abzutastenden K-Raum-Punkte abgetastet werden. Darüber hinaus umfasst die Magnetresonanzanlage eine Sequenzsteuerung, um mit Hilfe dieser Sequenzsteuerung die MR-Daten der bestimmten abzutastenden K-Raum-Punkte zu erfassen.
  • Die Vorteile der erfindungsgemäßen Magnetresonanzanlage entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen des zuerst beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens, welche vorab im Detail ausgeführt sind, so dass hier auf eine Wiederholung verzichtet wird.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch eine weitere Magnetresonanzanlage zum Erfassen von MR-Daten eines vorbestimmten Volumenabschnitts innerhalb eines Untersuchungsobjekts bereitgestellt. Auch diese weitere Magnetresonanzanlage umfasst einen Grundfeldmagneten, ein Gradientenfeldsystem, eine oder mehrere HF-Antennen, eine Steuereinrichtung, um das Gradientenfeldsystem und die mindestens eine HF-Antenne anzusteuern, um von der mindestens einen HF-Antenne erfasste Messsignale zu empfangen und um diese Messsignale auszuwerten, sowie eine Recheneinheit. Die Recheneinheit ist zum einen ausgestaltet, um abzutastende K-Raum-Punkte mit Hilfe von radial oder spiralförmig verlaufenden Trajektorien, welche im K-Raum-Zentrum beginnen, zu bestimmen. Zum anderen ist die Recheneinheit ausgestaltet, um jeden dieser bestimmten abzutastenden K-Raum-Punkte auf einen FFT-Gitterpunkt zu verschieben. Die Magnetresonanzanlage umfasst darüber hinaus eine Sequenzsteuerung, um die MR-Daten der bestimmten abzutastenden K-Raum-Punkte zu erfassen.
  • Die Vorteile der weiteren erfindungsgemäßen Magnetresonanzanlage entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen des weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens, welche vorab im Detail ausgeführt sind, so dass hier auf eine Wiederholung verzichtet wird.
  • Des Weiteren beschreibt die vorliegende Erfindung ein Computerprogrammprodukt, insbesondere ein Computerprogramm oder eine Software, welche man in einen Speicher einer programmierbaren Steuerung bzw. einer Recheneinheit einer Magnetresonanzanlage laden kann. Mit diesem Computerprogrammprodukt können alle oder verschiedene vorab beschriebene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt werden, wenn das Computerprogrammprodukt in der Steuerung oder Steuereinrichtung der Magnetresonanzanlage läuft. Dabei benötigt das Computerprogrammprodukt eventuell Programmmittel, z.B. Bibliotheken und Hilfsfunktionen, um die entsprechenden Ausführungsformen der Verfahren zu realisieren. Mit anderen Worten soll mit dem auf das Computerprogrammprodukt gerichteten Anspruch insbesondere ein Computerprogramm oder eine Software unter Schutz gestellt werden, mit welcher eine der oben beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt werden kann bzw. welche diese Ausführungsform ausführt. Dabei kann es sich bei der Software um einen Quellcode (z.B. C++), der noch compiliert (übersetzt) und gebunden oder der nur interpretiert werden muss, oder um einen ausführbaren Softwarecode handeln, der zur Ausführung nur noch in die entsprechende Recheneinheit bzw. Steuereinrichtung zu laden ist.
  • Schließlich offenbart die vorliegende Erfindung einen elektronisch lesbaren Datenträger, z.B. eine DVD, ein Magnetband oder einen USB-Stick, auf welchem elektronisch lesbare Steuerinformationen, insbesondere Software (vgl. oben), gespeichert ist. Wenn diese Steuerinformationen (Software) von dem Datenträger gelesen und in eine Steuereinrichtung bzw. Recheneinheit einer Magnetresonanzanlage gespeichert werden, können alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen der vorab beschriebenen Verfahren durchgeführt werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zur Unterabtastung eines zweidimensionalen Volumenabschnitts beispielsweise im Rahmen eines komprimierten Abtastens („Compressed Sensing“) geeignet, um z.B. mit einem Gradientenecho-Verfahren MR-Daten zu erfassen. Neben der Erstellung von hochqualitativen MR-Bildern kann die vorliegende Erfindung auch zur schnellen Erzeugung von Übersichtsbildern eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Abtastung von zweidimensionalen Volumenabschnitten eingeschränkt, da zumindest das weitere erfindungsgemäße Verfahren und die weitere erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage auch zum Erfassen von MR-Daten eines dreidimensionalen Volumenabschnitts eingesetzt werden könnten.
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail beschrieben.
  • In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage dargestellt.
  • In 2 ist der Verlauf von erfindungsgemäßen spiralförmigen Trajektorien in Kx-Richtung dargestellt.
  • In 3 ist ein Gradientenverlauf dargestellt, um den in 2 dargestellten Verlauf der Trajektorien zu realisieren.
  • In 4 ist der Verlauf der in 2 dargestellten Trajektorien in Ky-Richtung dargestellt.
  • In 5 ist ein Gradientenverlauf dargestellt, um den in 4 dargestellten Verlauf der Trajektorien zu realisieren.
  • In 6 sind die in 2 und 4 dargestellten Trajektorien zweidimensional dargestellt.
  • In 7 sind erfindungsgemäß anhand von Trajektorien bestimmte K-Raum-Punkte dargestellt, wobei ein Zufallselement im Vergleich zu den Trajektorien der 6 stärker eingesetzt ist.
  • 8 stellt einen Bereich des K-Raum-Zentrums der 7 im Detail dar.
  • 9 stellt ein Flussablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens dar.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Magnetresonanzanlage 5 (eines Magnetresonanz-Bildgebungs- bzw. Kernspintomographiegeräts). Dabei erzeugt ein Grundfeldmagnet 1 ein zeitlich konstantes starkes Magnetfeld zur Polarisation bzw. Ausrichtung der Kernspins in einem Untersuchungsbereich eines Objekts O, wie z.B. eines zu untersuchenden Teils eines menschlichen Körpers, welcher auf einem Tisch 23 liegend kontinuierlich in die Magnetresonanzanlage 5 geschoben wird. Die für die Kernspinresonanzmessung erforderliche hohe Homogenität des Grundmagnetfelds ist in einem typischerweise kugelförmigen Messvolumen M definiert, durch welches die zu untersuchenden Teile des menschlichen Körpers kontinuierlich geschoben werden. Zur Unterstützung der Homogenitätsanforderungen und insbesondere zur Eliminierung zeitlich invariabler Einflüsse werden an geeigneter Stelle so genannte Shim-Bleche aus ferromagnetischem Material angebracht. Zeitlich variable Einflüsse werden durch Shim-Spulen 2 eliminiert.
  • In den Grundfeldmagneten 1 ist ein zylinderförmiges Gradientenfeldsystem bzw. Gradientenfeldsystem 3 eingesetzt, welches aus drei Teilwicklungen besteht. Jede Teilwicklung wird von einem Verstärker mit Strom zur Erzeugung eines linearen (auch zeitlich veränderbaren) Gradientenfeldes in die jeweilige Richtung des kartesischen Koordinatensystems versorgt. Die erste Teilwicklung des Gradientenfeldsystems 3 erzeugt dabei einen Gradienten Gx in x-Richtung, die zweite Teilwicklung einen Gradienten Gy in y-Richtung und die dritte Teilwicklung einen Gradienten Gz in z-Richtung. Der Verstärker umfasst einen Digital-Analog-Wandler, welcher von einer Sequenzsteuerung 18 zum zeitrichtigen Erzeugen von Gradientenpulsen angesteuert wird.
  • Innerhalb des Gradientenfeldsystems 3 befindet sich eine (oder mehrere) Hochfrequenzantennen 4, welche die von einem Hochfrequenzleistungsverstärker abgegebenen Hochfrequenzpulse in ein magnetisches Wechselfeld zur Anregung der Kerne und Ausrichtung der Kernspins des zu untersuchenden Objekts O bzw. des zu untersuchenden Bereiches des Objekts O umsetzen. Jede Hochfrequenzantenne 4 besteht aus einer oder mehreren HF-Sendespulen und einer oder mehreren HF-Empfangsspulen in Form einer ringförmigen vorzugsweise linearen oder matrixförmigen Anordnung von Komponentenspulen. Von den HF-Empfangsspulen der jeweiligen Hochfrequenzantenne 4 wird auch das von den präzedierenden Kernspins ausgehende Wechselfeld, d.h. in der Regel die von einer Pulssequenz aus einem oder mehreren Hochfrequenzpulsen und einem oder mehreren Gradientenpulsen hervorgerufenen Kernspinechosignale, in eine Spannung (Messsignal) umgesetzt, welche über einen Verstärker 7 einem Hochfrequenz-Empfangskanal 8 eines Hochfrequenzsystems 22 zugeführt wird. Das Hochfrequenzsystem 22, welches Teil einer Steuereinrichtung 10 der Magnetresonanzanlage 5 ist, umfasst weiterhin einen Sendekanal 9, in welchem die Hochfrequenzpulse für die Anregung der magnetischen Kernresonanz erzeugt werden. Dabei werden die jeweiligen Hochfrequenzpulse aufgrund einer von einer Recheneinheit 20 vorgegebenen Pulssequenz in der Sequenzsteuerung 18 digital als Folge komplexer Zahlen dargestellt. Diese Zahlenfolge wird als Real- und als Imaginärteil über jeweils einen Eingang 12 einem Digital-Analog-Wandler im Hochfrequenzsystem 22 und von diesem einem Sendekanal 9 zugeführt. Im Sendekanal 9 werden die Pulssequenzen einem Hochfrequenz-Trägersignal aufmoduliert, dessen Basisfrequenz der Resonanzfrequenz der Kernspins im Messvolumen entspricht.
  • Die Umschaltung von Sende- auf Empfangsbetrieb erfolgt über eine Sende-Empfangsweiche 6. Die HF-Sendespulen der Hochfrequenzantenne(n) 4 strahlt/en die Hochfrequenzpulse zur Anregung der Kernspins in das Messvolumen M ein und resultierende Echosignale werden über die HF-Empfangsspule(n) abgetastet.
  • Die entsprechend gewonnenen Kernresonanzsignale werden im Empfangskanal 8' (erster Demodulator) des Hochfrequenzsystems 22 phasenempfindlich auf eine Zwischenfrequenz demoduliert, im Analog-Digital-Wandler (ADC) digitalisiert und über den Ausgang 11 ausgegeben. Dieses Signal wird noch auf die Frequenz 0 demoduliert. Die Demodulation auf die Frequenz 0 und die Trennung in Real- und Imaginärteil findet nach der Digitalisierung in der digitalen Domäne in einem zweiten Demodulator 8 statt. Durch einen Bildrechner 17 wird aus den dergestalt über einen Ausgang 11 gewonnenen Messdaten ein MR-Bild rekonstruiert. Die Verwaltung der Messdaten, der Bilddaten und der Steuerprogramme erfolgt über die Recheneinheit 20. Aufgrund einer Vorgabe mit Steuerprogrammen kontrolliert die Sequenzsteuerung 18 die Erzeugung der jeweils gewünschten Pulssequenzen und das entsprechende Abtasten des K-Raumes. Insbesondere steuert die Sequenzsteuerung 18 dabei das zeitrichtige Schalten der Gradienten, das Aussenden der Hochfrequenzpulse mit definierter Phasenamplitude sowie den Empfang der Kernresonanzsignale. Die Zeitbasis für das Hochfrequenzsystem 22 und die Sequenzsteuerung 18 wird von einem Synthesizer 19 zur Verfügung gestellt. Die Auswahl entsprechender Steuerprogramme zur Erzeugung eines MR-Bildes, welche z.B. auf einer DVD 21 gespeichert sind, sowie die Darstellung des erzeugten MR-Bildes erfolgt über ein Terminal 13, welches eine Tastatur 15, eine Maus 16 und einen Bildschirm 14 umfasst.
  • In 2 ist der Verlauf von einigen erfindungsgemäßen spiralförmigen Trajektorien 31 bezüglich der K-Raum-Richtung Kx über der Zeit dargestellt. Jede dieser spiralförmigen Trajektorien 31 weist dabei eine Ganghöhe auf, so dass die jeweilige Trajektorie bereits nach nur einer Umdrehung an den Rand des zu erfassenden K-Raums stößt.
  • Um ausgehend von diesen Trajektorien 31 die abzutastenden K-Raum-Punkte zu bestimmen, wurde ein Zufallselement nur sparsam eingesetzt. Darüber hinaus wurde jeder zufällig bestimmte K-Raum-Punkt auf den nächsten FFT-Gitterpunkt verschoben. Aufgrund des geringen Einflusses des Zufalls bei der Bestimmung der abzutastenden K-Raum-Punkte weist jeder abzutastende K-Raum-Punkt nur einen geringen Abstand zu der idealen spiralförmigen Trajektorie (oder zu einer Spirale, aus welcher die Trajektorie entwickelt wurde) auf.
  • In 3 ist der Verlauf des Magnetfeldgradienten Gx über der Zeit dargestellt, mit welchem der in 2 dargestellten Trajektorienverlauf erzielt werden kann.
  • In 4 ist der Verlauf der in 2 dargestellten Trajektorien 31 bezüglich der K-Raum-Richtung Ky über der Zeit dargestellt. In 5 ist der Verlauf des Magnetfeldgradienten Gy über der Zeit dargestellt, mit welchem der in 4 dargestellten Trajektorienverlauf erzielt werden kann.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass in den 2 und 4 dieselben Trajektorien 31 dargestellt sind. Zur Abtastung der K-Raum-Punkte auf diesen Trajektorien 31 muss jeweils sowohl der Magnetfeldgradient Gx als auch der Magnetfeldgradient Gy geschaltet werden, wie es in 3 und 5 dargestellt ist.
  • In 6 sind die in 2 und 4 dargestellten Trajektorien 31 zweidimensional bezüglich der Kx- und der Ky-Richtung dargestellt. Auch anhand von 6 erkennt man an dem geringen Abstand der abzutastenden K-Raum-Punkte 32 von dem jeweils idealen Verlauf der entsprechenden spiralförmigen Trajektorie 31, dass die zufallsbedingte Verschiebung des jeweiligen abzutastenden K-Raum-Punkts nur verhältnismäßig gering ausgeprägt ist.
  • Zur Bestimmung der in 7 und 8 abgebildeten abzutastenden K-Raum-Punkte 32 wurde eine größere Verteilung der Zufallswerte verwendet als zur Bestimmung der in 2 bis 6 abgebildeten abzutastenden K-Raum-Punkte 32. Daher weichen die in 7 und 8 dargestellten Trajektorien 31 auch deutlich von einem idealen spiralförmigen Verlauf ab.
  • Während in 7 der gesamte zweidimensionale K-Raum dargestellt ist, wird in 8 nur der Bereich des K-Raums um das K-Raum-Zentrum 33 herum abgebildet.
  • In 9 ist ein Flussplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
  • Im ersten Schritt S1 werden anhand von spiralförmigen Trajektorien abzutastende K-Raum-Punkte bestimmt. Dabei werden Punkte, welche auf einer idealen spiralförmigen Trajektorie (Spirale) liegen, mit einem Zufallswert beaufschlagt und dadurch zufällig verschoben. Jeder verschobene Punkt entspricht einem im Schritt S1 bestimmten abzutastenden K-Raum-Punkt.
  • Im zweiten Schritt S2 werden die im ersten Schritt S1 bestimmten abzutastenden K-Raum-Punkte auf FFT-Gitterpunkte verschoben.
  • Im dritten Schritt S3 werden die in den ersten Schritten S1 und S2 bestimmten abzutastenden K-Raum-Punkte abgetastet, indem die MR-Daten dieser K-Raum-Punkte erfasst werden.
  • Schließlich wird im letzten Schritt S4 abhängig von den im Schritt S3 erfassten MR-Daten ein MR-Bild rekonstruiert.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Erfassen von MR-Daten eines vorbestimmten zweidimensionalen Volumenabschnitts innerhalb eines Untersuchungsobjekts (O) mittels einer Magnetresonanzanlage (5), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: zufallsbasiertes Bestimmen von im Rohdatenraum abzutastenden Punkten (32), so dass der Rohdatenraum unterabgetastet wird, wenn nur die bestimmten abzutastenden Punkte (32) abgetastet werden, und Erfassen der MR-Daten der bestimmten abzutastenden Punkte (32) mittels der Magnetresonanzanlage (5).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Punkt (32) in Polarkoordinaten durch einen Winkel zu einer durch das Zentrum (33) des Rohdatenraums verlaufenden Achse und einen Abstand zu diesem Zentrum (33) definiert wird, und dass das zufallsbasierte Bestimmen der abzutastenden Punkte (32) eine konstante Dichte der abzutastenden Punkte in Abhängigkeit von dem Winkel und eine mit dem Abstand zu dem Zentrum (33) abnehmende Dichte der abzutastenden Punkte (32) voraussetzt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zufallsbasierte Bestimmen der abzutastenden Punkte (32) anhand von radial oder spiralförmig verlaufenden Trajektorien (31) durchgeführt wird, welche im Zentrum (33) des Rohdatenraums beginnen, wobei die abzutastenden Punkte (32) mit Bezug zu den Trajektorien (31) bestimmt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zufallsbasierte Bestimmen der abzutastenden Punkte (32) ein Bestimmen von Zwischenpunkten auf den Trajektorien (31) umfasst, wobei jeder Zwischenpunkt in Polarkoordinaten durch einen Winkel zu einer durch das Zentrum (33) des Rohdatenraums verlaufenden Achse und einen Abstand zu diesem Zentrum (33) definiert wird, und dass jeder abzutastende Punkt (32) ausgehend von einem der Zwischenpunkte bestimmt wird, wobei der Winkel des jeweiligen Zwischenpunktes mit einem Zufallswert beaufschlagt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass derselbe Punkt des Rohdatenraums mehrfach als abzutastender Punkt (32) bestimmbar ist, oder dass derselbe Punkt des Rohdatenraums maximal einmal als abzutastender Punkt (32) bestimmbar ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren darüber hinaus folgenden Schritt umfasst: Bestimmen einer Reihenfolge, in welcher die abzutastenden Punkte (32) abgetastet werden, so dass ein Abstand zwischen zwei gemäß der Reihenfolge benachbarten abzutastenden Punkten (32) möglichst gering ist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der MR-Daten mit mehreren Empfangsantennen (4) mittels einer parallelen Erfassungstechnik erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren darüber hinaus folgenden Schritt umfasst: Verschieben jedes bestimmten abzutastenden Punktes auf einen Gitterpunkt eines vorbestimmten Gitters, wobei das Gitter im Rohdatenraum durch parallel verlaufende erste Geraden und parallel verlaufende zweite Geraden definiert wird, wobei die ersten Geraden senkrecht auf den zweiten Geraden stehen, wobei derselbe Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten der ersten Geraden und jeweils zwei benachbarten der zweiten Geraden vorhanden ist, und wobei jeder Gitterpunkt einem Schnittpunkt einer der ersten Geraden mit einer der zweiten Geraden entspricht.
  9. Verfahren zum Erfassen von MR-Daten eines vorbestimmten zweidimensionalen Volumenabschnitts eines Untersuchungsobjekts (O) mittels einer Magnetresonanzanlage (5), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bestimmen von abzutastenden Punkten (32) im Rohdatenraum anhand von radial oder spiralförmig verlaufenden Trajektorien (31), welche im Zentrum (33) des Rohdatenraums beginnen, Verschieben jedes bestimmten abzutastenden Punktes (32) auf einen Gitterpunkt eines vorbestimmten Gitters, und Erfassen der MR-Daten der bestimmten abzutastenden Punkte (32) mittels der Magnetresonanzanlage (5), wobei das Gitter im Rohdatenraum durch parallel verlaufende erste Geraden und parallel verlaufende zweite Geraden definiert wird, wobei die ersten Geraden senkrecht auf den zweiten Geraden stehen, wobei derselbe Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten der ersten Geraden und jeweils zwei benachbarten der zweiten Geraden vorhanden ist, und wobei jeder Gitterpunkt einem Schnittpunkt einer der ersten Geraden mit einer der zweiten Geraden entspricht.
  10. Magnetresonanzanlage zum Erfassen von MR-Daten eines vorbestimmten Volumenabschnitts innerhalb eines Untersuchungsobjekts (O), wobei die Magnetresonanzanlage (5) einen Grundfeldmagneten (1), ein Gradientenfeldsystem (3), mindestens eine HF-Antenne (4), eine Steuereinrichtung (10) zur Ansteuerung des Gradientenfeldsystems (3) und der mindestens einen HF-Antenne (4), zum Empfang von von der mindestens einen HF-Antenne (4) aufgenommenen Messsignalen und zur Auswertung der Messsignale und zur Erstellung der MR-Daten und eine Recheneinheit (20) umfasst, und wobei die Recheneinheit (20) ausgestaltet ist, um zufallsbasiert abzutastende Punkte (32) im Rohdatenraum zu bestimmen, so dass der Rohdatenraum unterabgetastet wird, wenn nur die bestimmten abzutastenden Punkte (32) abgetastet werden, und wobei die Magnetresonanzanlage darüber hinaus eine Sequenzsteuerung (18) umfasst, um die MR-Daten der bestimmten abzutastenden Punkte (32) zu erfassen.
  11. Magnetresonanzanlage zum Erfassen von MR-Daten eines vorbestimmten Volumenabschnitts innerhalb eines Untersuchungsobjekts (O), wobei die Magnetresonanzanlage (5) einen Grundfeldmagneten (1), ein Gradientenfeldsystem (3), mindestens eine HF-Antenne (4) und eine Steuereinrichtung (10) zur Ansteuerung des Gradientenfeldsystems (3) und der mindestens einen HF-Antenne (4), zum Empfang von von der mindestens einen HF-Antenne (4) aufgenommenen Messsignalen und zur Auswertung der Messsignale und zur Erstellung der MR-Daten und eine Recheneinheit (20) umfasst, und wobei die Recheneinheit (20) ausgestaltet ist, um abzutastende Punkte (32) im Rohdatenraum anhand von radial oder spiralförmig verlaufenden Trajektorien (31), welche im Zentrum (33) des Rohdatenraums beginnen, zu bestimmen, und um jeden bestimmten abzutastenden Punkt (32) auf einen Gitterpunkt eines vorbestimmten Gitters zu verschieben, und wobei die Magnetresonanzanlage (5) darüber hinaus eine Sequenzsteuerung (18) umfasst, um die MR-Daten der bestimmten abzutastenden Punkte (32) zu erfassen, wobei das Gitter im Rohdatenraum durch parallel verlaufende erste Geraden und parallel verlaufende zweite Geraden definiert ist, wobei die ersten Geraden senkrecht auf den zweiten Geraden stehen, wobei derselbe Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten der ersten Geraden und jeweils zwei benachbarten der zweiten Geraden vorhanden ist, und wobei jeder Gitterpunkt einem Schnittpunkt einer der ersten Geraden mit einer der zweiten Geraden entspricht.
  12. Magnetresonanzanlage nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetresonanzanlage (5) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–9 ausgestaltet ist.
  13. Computerprogrammprodukt, welches ein Programm umfasst und direkt in einen Speicher einer programmierbaren Steuereinrichtung (10) einer Magnetresonanzanlage (5) ladbar ist, mit Programm-Mitteln, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–9 auszuführen, wenn das Programm in der Steuereinrichtung (10) der Magnetresonanzanlage (5) ausgeführt wird.
  14. Elektronisch lesbarer Datenträger mit darauf gespeicherten elektronisch lesbaren Steuerinformationen, welche derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers (21) in einer Steuereinrichtung (10) einer Magnetresonanzanlage (5) das Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9 durchführen.
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