DE102014224662B4

DE102014224662B4 - Verbesserung einer MR-Fingerprinting-Messung

Info

Publication number: DE102014224662B4
Application number: DE102014224662.8A
Authority: DE
Inventors: David Grodzki
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2016-07-07
Anticipated expiration: 2034-12-03
Also published as: US20160154078A1; DE102014224662A1; US10132893B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Magnetresonanzanlage (10) zur Untersuchung eines vorbestimmten Volumenabschnitts eines Untersuchungsobjekts (15), wobei folgende Schritte durchgeführt werden: Erfassen mehrerer MR-Bilder (B1–B5) des Volumenabschnitts. Erstellen eines MR-Signalverlaufs (S1–S5) für Voxel (9) des Volumenabschnitts aus den erfassten MR-Bildern (B1–B5). Durchführen eines Vergleichs eines MR-Signalverlauf (S1–S5) des jeweiligen Voxel (9) mit hinterlegten MR-Signalverläufen, um denjenigen der hinterlegten MR-Signalverläufe zu ermitteln, welcher am besten mit dem MR-Signalverlauf (S1–S5) übereinstimmt. Bestimmen eines physikalischen Werts und/oder eines Stoffanteils für einen Voxel als Ergebnis des Vergleichs. Jeder K-Raum (K1–K5), welcher mit einem der MR-Bilder (B1–B5) korrespondiert, wird mit mehreren Repetitionen gemessen, wobei jede Repetition eine HF-Anregung und ein Auslesen von MR-Daten umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Untersuchung eines Untersuchungsobjekts mit einer Magnetresonanzanlage auf Basis einer Fingerprinting-Messung.
In „MR vascular fingerprinting: A new approach to compute cerebral blond volume, mean vessel radius, and oxygenation maps in the human brain”, von T. Christen u. a., NeuroImage 89 (2014), Seiten 262–270 wird eine MR-Fingerprinting-Messung beschrieben, bei welcher zwei Schichten gemittelt werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.
In „A compressed sensing framework for Magnetic Resonance fingerprinting”, von M. Davies u. a.,
http://arxiv.org/abs/1312.2465, Version vom 6. Juni 2014 wird eine MR-Fingerprinting-Messung beschrieben, bei welcher die Abtastung auf einem multi-shot Verfahren mit Echo-planar Imaging basiert.
Die US 2014/0167754 A1 offenbart eine MR-Fingerprinting-Messung, bei welcher ein Haupterfassungsschema mit Gradienten für unterschiedliche räumliche Kodierungen wiederholt wird, um ein Bild mit 300 Wiederholungen vollständig zu erfassen.
MR-Bilder weisen in der klinischen Bildgebung meist nur einen qualitativen Kontrast auf. Dabei unterliegen die exakten Pixelwerte vielen Einflüssen, wie beispielsweise den für die Messung gewählten Parametereinstellungen (z. B. TE, TR, Bandbreite) sowie durch den Benutzer nicht beeinflussbaren Faktoren (z. B. Spulensensitivität, Softwareversionen, Scannertyp).
Bei vielen Anwendungen wäre ein sogenanntes quantitatives MR-Bild wünschenswert, in welchem die Pixelwerte „echten” physikalischen Größen (z. B. der T1-Relaxationszeit, der T2-Relaxationszeit, der Off-Resonanz, der Protonendichte) entsprechen würden. Ein solches quantitatives MR-Bildgebungsverfahren ist das so genannte MR-Fingerprinting, welches in „Magnetic Resonance Fingerprinting”, D. Ma u. a., Nature 495 (2013), S. 187–192. doi:10.1038/nature11971 beschrieben ist. Bei dem MR-Fingerprinting werden zahlreiche Messungen durchgeführt, wobei Messparameter oder Aufnahmeparameter (z. B. Flipwinkel, TR (Time to Repetition), TE (Echozeit), TI (Inversion Time), eine Ausbildung und/oder eine Anzahl von HF-Pulsen, eine Ausbildung und/oder eine Anzahl von Gradientenpulsen, eine Diffusionskodierung) pseudozufällig variiert werden. Für jede Messung wird das MR-Signal pro Voxel ermittelt, so dass sich pro Voxel bzw. Pixel ein für das Voxel bzw. Pixel charakteristischer MR-Signalverlauf ergibt, welcher als ein „Fingerprint” oder Fingerabdruck angesehen werden kann. Ein solcher Fingerabdruck kann mit Hilfe einer Datenbank zum einen einem bestimmten n-Tupel physikalischer Werte (z. B. T1-Relaxationszeit, T2-Relaxationszeit, Off-Resonanz, Protonendichte) und damit zum anderen einem bestimmten Stoff (z. B. Liquor, grauer Hirnmasse, Fett) zugeordnet werden.
In der Datenbank sind für zahlreiche dieser n-Tupel physikalischer Werte MR-Signalverläufe für die pseudozufällige Variation der Aufnahmeparameter gespeichert. Diese hinterlegten MR-Signalverläufe werden in der Regel durch eine Simulation mit Hilfe der Bloch-Gleichungen abhängig von der pseudozufälligen Variation der Aufnahmeparameter erzeugt. Um beispielsweise für jede Kombination einer T1-Relaxationszeit in einem Bereich von 100 ms bis 5000 ms und einer T2-Relaxationszeit in einem Bereich von 10 ms bis 2000 ms mit einer Auflösung von 10 ms einen MR-Signalverlauf zu haben, müssen bereits nahezu 100.000 MR-Signalverläufe vorhanden sein.
Damit der pro Voxel bzw. Pixel charakteristische MR-Signalverlauf bzw. „Fingerprint” ausreichend aussagekräftig ist, wird zur Erstellung dieses MR-Signalverlaufs eine große Anzahl (bis zu 5000) von MR-Bildern erfasst. Dabei werden nach dem Stand der Technik so genannte single-shot MR-Verfahren verwendet, bei welchen pro Repetition, d. h. ausgehend von nur einem HF-Anregungspuls, das gesamte MR-Bild bzw. der gesamte K-Raum erfasst wird. Meist wird dabei mit einer spiralförmigen K-Raum-Trajektorie mit hoher Unterabtastung gearbeitet. Die MR-Bilder, welche dabei entstehen, sind entsprechend sehr stark von Artefakten überlagert, was zum einen auf die Unterabtastung zurückzuführen ist und zum anderen aber auch an Systemungenauigkeiten des MR-Scanners liegen kann.
Daher stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, die Qualität der MR-Bilder, welche für eine Fingerprinting-Messung erfasst werden, zu erhöhen, um so die Qualität der Fingerprinting-Messung insgesamt zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Untersuchung eines vorbestimmten Volumenabschnitts eines Untersuchungsobjekts mit einer Magnetresonanzanlage nach Anspruch 1, durch eine Magnetresonanzanlage nach Anspruch 14, durch ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 16 und durch einen elektronisch lesbaren Datenträger nach Anspruch 17 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Untersuchung eines vorbestimmten Volumenabschnitts eines Untersuchungsobjekts mit einer Magnetresonanzanlage bereitgestellt. Dabei umfasst das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte:

• Erfassen mehrerer MR-Bilder des Volumenabschnitts. Dabei werden die Messparameter variiert, wie es bei einer Fingerprinting-Messung üblich und vorab beschrieben ist. Wichtig ist dabei, dass die MR-Daten (z. B. die K-Raum-Zeilen) desselben MR-Bildes jeweils mit denselben Messparametern erfasst werden.
• Für bestimmte oder alle Voxel des Volumenabschnitts wird jeweils ein MR-Signalverlauf abhängig von den erfassten MR-Bildern erstellt.
• Vergleichen des erstellten bzw. gemessenen MR-Signalverlaufs des jeweiligen Voxels mit hinterlegten oder gespeicherten MR-Signalverläufen, um dadurch denjenigen der hinterlegten MR-Signalverläufe zu ermitteln, welcher am besten mit dem gemessenen MR-Signalverlauf übereinstimmt.
• Bereitstellen eines Ergebnisses des Vergleichs. Das Ergebnis dieses Vergleichs kann beispielsweise einem dem ermittelten hinterlegten MR-Signalverlauf zugeordneten n-Tupel physikalischer Werte und/oder einem diesem MR-Signalverlauf zugeordneten Stoff(anteil) entsprechen.

Dabei wird jeder K-Raum, welcher mit einem der MR-Bilder korrespondiert oder welcher zur Rekonstruktion des jeweiligen MR-Bilds abgetastet wird, mit mehreren Repetitionen gemessen oder abgetastet, wobei jede dieser Repetitionen eine HF-Anregung und ein Auslesen von MR-Daten umfasst. Mit anderen Worten wird zur Erstellung oder zur Aufnahme eines MR-Bildes kein single-shot MR-Verfahren, sondern ein multi-shot MR-Verfahren eingesetzt.
Durch den Einsatz von multi-shot MR-Verfahren (d. h. jedes MR-Bild wird mit mehreren Repetitionen erfasst) kann die Bildqualität der einzelnen MR-Bilder deutlich gegenüber dem Stand der Technik, bei welchem single-shot MR-Verfahren eingesetzt werden, gesteigert werden. Aufgrund der verbesserten Bildqualität kann die Länge der gemessenen MR-Signalverläufe drastisch beispielsweise auf nur 100 Messpunkte pro MR-Signalverlauf bei einer Fingerprinting-MR-Messung reduziert werden, so dass anstelle der nach dem Stand zu erfassenden bis zu 5000 MR-Bilder nur 100 MR-Bilder erfasst werden.
Vorteilhafterweise werden die K-Räume dabei unterabgetastet.
Indem beispielsweise nur 20%, 30% oder nur 50% aller K-Raum-Zeilen pro MR-Bild tatsächlich gemessen werden, kann die Messzeit vorteilhafterweise entsprechend reduziert werden.
Dabei wird vorteilhafterweise das K-Raum-Zentrum weniger stark unterabgetastet als äußere K-Raum-Bereiche.
Da der Kontrast eines MR-Bildes (d. h. die Signalintensitäten, auf welche es bei einer MR-Fingerprinting-Messung ankommt) hauptsächlich durch K-Raum-Punkte im oder in der Nähe des K-Raum-Zentrums erzeugt wird, ist es von Vorteil, das K-Raum-Zentrum weniger stark unterabzutasten (oder vollständig abzutasten) als äußere K-Raum-Bereiche.
Insbesondere ist eine Häufigkeit, mit welcher ein bestimmter Bereich innerhalb aller zu erfassenden K-Räume abgetastet wird, umso kleiner, je weiter der Bereich vom K-Raum-Zentrum entfernt ist.
Wenn der MR-Signalverlauf (Fingerprint) eines Voxels beispielsweise n Messpunkte aufweist, müssen in der Regel n MR-Bilder erstellt und daher n K-Räume erfasst werden. Ohne eine Unterabtastung wird demnach jeder K-Raum-Punkt n-mal abgetastet. Gemäß der vorab stehenden Regel wird ein K-Raum-Punkt zur Erfassung der MR-Daten für die n MR-Bilder umso häufiger abgetastet, je dichter der K-Raum-Punkt am K-Raum-Zentrum liegt. Während also K-Raum-Punkte in der Nähe des K-Raum-Zentrums nahezu n-mal abgetastet werden, werden K-Raum-Punkte im Außenbereich des K-Raums wesentlich seltener abgetastet.
Dennoch kann es sinnvoll sein, jeden K-Raum-Punkt zumindest einmal beim Erfassen der MR-Daten für die n MR-Bilder abzutasten.
Wenn der K-Raum kartesisch abgetastet wird, wobei für jede abzutastende K-Raum-Zeile eine Repetition eingesetzt wird, ist es demnach sinnvoll, jede K-Raum-Zeile zumindest einmal im Rahmen der erfindungsgemäßen MR-Fingerprinting-Messung zu erfassen.
Auch wenn sich die Messparameter für die verschiedenen MR-Bilder, welche im Rahmen der MR-Fingerprinting-Messung zu erfassen sind, unterscheiden, unterscheidet sich das MR-Signal bei K-Raum-Punkten im Außenbereich des K-Raums kaum zwischen den verschiedenen MR-Bildern. Das heißt, ein MR-Signal, welches bei der Messung eines bestimmten MR-Bildes für einen bestimmten K-Raum-Punkt im K-Raum-Außenbereich gemessen wird, unterscheidet sich kaum von einem MR-Signal, welches bei der Messung eines anderen MR-Bildes für denselben K-Raum-Punkt gemessen wird. Daher kann das MR-Signal eines bestimmten K-Raum-Punkts im K-Raum-Außenbereich für mehrere (im Extremfall für alle) MR-Bilder verwendet werden, obwohl der entsprechende K-Raum-Punkt nur einmal gemessen wurde.
Die Unterabtastung bei der erfindungsgemäßen MR-Fingerprinting-Messung sollte möglichst gut (unter Berücksichtigung obiger Regel(n) möglichst gleichmäßig) über die K-Räume der einzelnen MR-Bilder verteilt sein. Beispielsweise kann im ersten K-Raum (d. h. im K-Raum des ersten MR-Bildes) die erste K-Raum-Zeile nicht aufgenommen werden, während die zweite K-Raum-Zeile aufgenommen wird. Im zweiten K-Raum kann die zweite K-Raum-Zeile nicht aufgenommen werden, während die erste K-Raum-Zeile aufgenommen wird, usw. Bei der Rekonstruktion des ersten MR-Bildes werden dann für den ersten K-Raum die Daten der ersten K-Raum-Zeile des zweiten K-Raums verwendet, während zur Rekonstruktion des zweiten MR-Bildes für den zweiten K-Raum die Daten der zweiten K-Raum-Zeile des ersten K-Raums verwendet werden.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform kann zur Rekonstruktion der unterabgetasteten MR-Bilder ein iteratives Rekonstruktionsverfahren eingesetzt werden.
Bei einem iterativen Rekonstruktionsverfahren, wie es beispielsweise beim komprimierten Abtasten („Compressed Sensing”) eingesetzt wird, wird anhand der erfassten MR-Daten bzw. Rohdaten ein MR-Bild rekonstruiert. Dann werden insbesondere bestimmte Eigenschaften dieses MR-Bildes (beispielsweise eine Dichteverteilung) ermittelt und mit den erfassten MR-Daten verglichen. Als Ergebnis dieses Vergleichs kann das rekonstruierte MR-Bild korrigiert werden. Dieses Vorgehen kann so lange fortgesetzt werden, bis ein definiertes Abbruchkriterium erfüllt wird.
Das iterative Rekonstruktionsverfahren kann auch mit einem Modell arbeiten, wobei als Modell eines der bereits rekonstruierten MR-Bilder verwendet werden kann, welches im Folgenden als weiteres MR-Bild bezeichnet wird. Zur Rekonstruktion des weiteren MR-Bildes werden anstelle von K-Raum-Daten, welche bei der MR-Daten-Erfassung (d. h. der Abtastung des K-Raums) für das weitere MR-Bild nicht erfasst werden, entsprechende K-Raum-Daten von einem anderen der MR-Bilder verwendet.
Beim Einsatz eines Modells berücksichtigt das iterative Rekonstruktionsverfahren dieses Modell, indem bestimmte Eigenschaften des aktuell rekonstruierten MR-Bildes mit dem entsprechenden Modell verglichen werden. Als Ergebnis dieses Vergleichs kann das rekonstruierte MR-Bild derart korrigiert werden, dass seine Eigenschaften besser mit den Eigenschaften des Modells übereinstimmen. Dieses Vorgehen kann so lange fortgesetzt werden, bis ein definiertes Abbruchkriterium erfüllt wird.
In der Regel reicht es aus, nur ein Modell zur Rekonstruktion aller MR-Bilder einzusetzen. Dabei kann es vorteilhaft sein, Messparameter, mit welchen die MR-Daten für das weitere MR-Bild (als Basis für das Modell) erfasst werden, in der Mitte einer Variationsbreite einzustellen, mit welcher der jeweilige Messparameter zum Erfassen der MR-Daten aller MR-Bilder variiert.
Wird beispielsweise bei der MR-Fingerprinting-Messung (d. h. bei der Messung der MR-Daten für alle MR-Bilder) der Messparameter TR zwischen 10 und 14 ms und der Messparameter Flipwinkel zwischen 5 und 60° variiert, könnten die MR-Daten für das weitere MR-Bild beispielsweise mit einem TR von 12 ms und einem Flipwinkel von 32,5° erfasst werden.
Vorab wurde für die Rekonstruktion des weiteren MR-Bildes ausgeführt, dass anstelle von K-Raum-Daten, welche für das weitere MR-Bild nicht erfasst wurden, K-Raum-Daten von einem anderen MR-Bild verwendet werden. Dieses Vorgehen kann erfindungsgemäß für jedes (unterabgetastete) MR-Bild eingesetzt werden. Mit anderen Worten werden für MR-Daten von bestimmten K-Raum-Punkten oder K-Raum-Zeilen, welche für das jeweilige MR-Bild nicht erfasst wurden, die MR-Daten von K-Raum-Punkten bzw. K-Raum-Zeilen verwendet, welche für ein anderes MR-Bild erfasst wurden. Dabei liegen die bestimmten K-Raum-Punkte, welche nicht erfasst wurden, im K-Raum an derselben Stelle wie die K-Raum-Punkte, welche im Rahmen der MR-Daten-Erfassung für das andere MR-Bild erfasst wurden.
Als das andere MR-Bild, von welchem die MR-Daten verwendet werden, wird dabei vorteilhafterweise dasjenige der MR-Bilder gewählt, dessen Messparameter den Messparametern des weiteren MR-Bildes am nächsten liegen.
Indem als das andere MR-Bild ein MR-Bild gewählt wird, dessen Messparameter den Messparametern des weiteren MR-Bildes möglichst gut gleichen, kann vorteilhafterweise davon ausgegangen werden, dass auch die MR-Daten der K-Raum-Punkte des anderen MR-Bildes möglichst gut den nicht erfassten MR-Daten der bestimmten K-Raum-Punkte des weiteren MR-Bildes entsprechen.
Gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform werden K-Raum-Daten, welche für ein MR-Bild nicht erfasst werden, anhand von K-Raum-Daten ersetzt, welche für eine der MR-Daten-Erfassung der MR-Bilder vorangeschalteten Messung (d. h. einem Vorscan) entnommen werden. Dieser Vorscan weist dabei insbesondere die gleiche Auflösung wie die Messungen der MR-Bilder auf. Die MR-Daten bzw. K-Raum-Daten des Vorscans können dabei zur Rekonstruktion des weiteren MR-Bildes (als Basis für das Modell der iterativen Rekonstruktion), aber auch zur Rekonstruktion beliebiger MR-Bilder eingesetzt werden.
Wie bei der Datenerfassung der MR-Daten für das weitere MR-Bild kann es für die Datenerfassung des Vorscans vorteilhaft sein, die Messparameter in der Mitte der Variationsbreite einzustellen, mit welcher der jeweilige Messparameter zum Erfassen der MR-Daten aller MR-Bilder variiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch mit anderen MR-Beschleunigungsmethoden, wie beispielsweise einer parallelen MR-Bild-Erfassung (z. B. GRAPPA („GeneRalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisition”)) und/oder mit einer so genannten „Partial Fourier”-Datenerfassung kombiniert werden.
Bei der „Partial Fourier”-Datenerfassung werden die K-Raum-Daten nicht symmetrisch um das K-Raum-Zentrum herum erfasst. Stattdessen wird eine Hälfte des K-Raums im Wesentlichen vollständig erfasst, während nur wenige K-Raum-Daten der anderen Hälfte erfasst werden.
Das Erfassen der mehreren MR-Bilder des Volumenabschnitts wird ausgeführt, indem in einem ersten Vorgang pro K-Raum genau eine K-Raum-Zeile erfasst wird, bevor eine zweite K-Raum-Zeile eines der K-Räume erfasst wird. Dabei werden jedoch alle zu erfassenden K-Raum-Zeilen desselben K-Raums immer mit demselben Messparametersatz (d. h. mit derselben Einstellung der Messparameter) erfasst.
Wenn mehrere multi-shot MR-Bilder zu anderen Zwecken (nicht für eine MR-Fingerprinting-Messung) erfasst werden, ist es in der Regel üblich, zuerst die MR-Daten eines dieser MR-Bilder vollständig zu erfassen, bevor die MR-Daten des nächsten MR-Bildes erfasst werden. Durch dieses Vorgehen, bei welchem K-Raum-Zeile nach K-Raum-Zeile mit denselben Messparametern erfasst wird, kommt die Magnetisierung in einen eingeschwungenen Zustand (steady state), was für eine MR-Fingerprinting-Messung unerwünscht ist. Daher werden gemäß der vorliegenden Erfindung niemals zwei K-Raum-Zeilen desselben K-Raums zeitlich direkt hintereinander erfasst. Stattdessen gehören vorteilhafterweise zwei zeitlich direkt hintereinander erfasste K-Raum-Zeilen immer zu unterschiedlichen K-Räumen und werden daher auch mit unterschiedlichen Messparametern erfasst.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn dazu im ersten Vorgang pro K-Raum nur eine K-Raum-Zeile erfasst wird, bevor in einem zweiten Vorgang pro K-Raum eine weitere K-Raum-Zeile erfasst wird. Dabei kann es sich bei dem ersten Vorgang in jedem K-Raum um eine andere K-Raum-Zeile handeln (beispielsweise wird im ersten K-Raum die dritte K-Raum-Zeile und im zweiten K-Raum die zehnte K-Raum-Zeile im ersten Vorgang abgetastet). Dieses Vorgehen wird fortgesetzt, bis in jedem K-Raum die abzutastenden K-Raum-Zeilen abgetastet sind. Dies bedeutet nicht, dass in jedem K-Raum dieselbe Anzahl von K-Raum-Zeilen abgetastet wird. Wenn beispielsweise in einem K-Raum nur 100 K-Raum-Zeilen abzutasten sind, wird im 101. Vorgang nur noch in denjenigen K-Räumen eine K-Raum-Zeile abgetastet, in welchen noch nicht alle abzutastenden K-Raum-Zeilen abgetastet sind.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch eine Magnetresonanzanlage zur Untersuchung eines vorbestimmten Volumenabschnitts eines Untersuchungsobjekts bereitgestellt. Dabei umfasst die Magnetresonanzanlage einen Hauptmagnet, eine Gradientenspuleneinheit mit einer Gradientensteuereinheit, eine HF-Antenneneinheit mit einer HF-Antennensteuereinheit und eine Recheneinheit. Die Magnetresonanzanlage ist ausgestaltet, um mehrere MR-Bilder des Volumenabschnitts zu erfassen, um dadurch einen MR-Signalverlauf für mehrere Voxel des Volumenabschnitts zu erstellen, um mit Hilfe einer Vergleichseinheit der Recheneinheit den MR-Signalverlauf des jeweiligen Voxels mit beispielsweise in einer Datenbank der Magnetresonanzanlage hinterlegten MR-Signalverläufen zu vergleichen, um denjenigen der hinterlegten MR-Signalverläufe zu ermitteln, der am besten mit dem erfassten MR-Signalverlauf des jeweiligen Voxels übereinstimmt, und um ein Ergebnis dieses Vergleichs bereitzustellen. Dabei gilt ein physikalischer Wert und/oder ein Stoffanteil des Voxels als das Ergebnis des Vergleichs.
Die Magnetresonanzanlage misst jeden K-Raum, welcher mit einem der MR-Bilder korrespondiert, mit mehreren Repetitionen.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Magnetresonanzanlage entsprechen dabei im Wesentlichen den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche vorab im Detail ausgeführt worden 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 des erfindungsgemäßen Verfahrens 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 des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden kann bzw. welche diese Ausführungsform ausführt. Dabei kann es sich bei der Software um einen Quellcode (z. B. C++), der noch kompiliert (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, eine Festplatte 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 des vorab beschriebenen Verfahrens durchgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung verfolgt das Ziel, bei MR-Fingerprinting-Messungen auf nicht robuste, anfällige Messverfahren (beispielsweise auf single-shot MR-Verfahren, die mit einer spiralförmigen K-Raum-Trajektorie arbeiten) verzichten zu können, ohne dass die Messzeit dadurch zu stark verlängert werden muss. Indem beispielsweise zum Abtasten jeder K-Raum-Zeile eine Repetition eingesetzt wird, kann die Qualität der erzeugten MR-Bilder drastisch gesteigert werden. Daher kann die Anzahl der MR-Bilder, welche nach dem Stand der Technik sehr hoch (z. B. bis 5000) ist, um systematische Fehler auszugleichen und etwaige auf starken Artefakten beruhende Fehler herausmitteln zu können, bei der vorliegenden Erfindung stark auf beispielsweise 100 MR-Bilder reduziert werden. Indem zusätzlich nur ein bestimmter Prozentsatz der K-Raum-Zeilen erfasst wird (d. h. der K-Raum wird unterabgetastet), liegt die Messzeit bei einer erfindungsgemäßen MR-Fingerprinting-Messung zumindest im Bereich einer MR-Fingerprinting-Messung nach dem Stand der Technik.
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.
Mit 2 wird das Vorgehen bei der vorliegenden Erfindung im Detail erläutert.
In 3 ist ein Flussplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
1 stellt eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage 10 schematisch dar. Die Magnetresonanzanlage 5 umfasst eine von einer Magneteinheit 13 gebildete Detektoreinheit mit einem Hauptmagneten 17 zum Erzeugen eines starken und insbesondere konstanten Hauptmagnetfelds 18. Zudem weist die Magnetresonanzanlage 10 einen zylinderförmigen Patientenaufnahmebereich 14 zur Aufnahme eines Untersuchungsobjekts 15, im vorliegenden Fall eines Patienten 15, auf, wobei der Patientenaufnahmebereich 14 in einer Umfangsrichtung von der Magneteinheit 13 zylinderförmig umschlossen ist. Der Patient 15 kann mittels einer Patientenlagerungsvorrichtung 16 der Magnetresonanzanlage 10 in den Patientenaufnahmebereich 14 geschoben werden. Die Patientenlagerungsvorrichtung 16 weist hierzu einen Liegentisch auf, der bewegbar innerhalb des Magnetresonanzgeräts 11 angeordnet ist. Die Magneteinheit 13 ist mittels einer Gehäuseverkleidung 31 der Magnetresonanzanlage 10 nach außen abgeschirmt.
Die Magneteinheit 13 weist weiterhin eine Gradientenspuleneinheit 19 zur Erzeugung von Magnetfeldgradienten auf, die für eine Ortskodierung während einer Bildgebung verwendet werden. Die Gradientenspuleneinheit 19 wird mittels einer Gradientensteuereinheit 28 angesteuert. Des Weiteren weist die Magneteinheit 13 eine Hochfrequenzantenneneinheit 20, welche im gezeigten Fall als fest in die Magnetresonanzanlage 10 integrierte Körperspule ausgebildet ist, und eine Hochfrequenzantennensteuereinheit 29 zu einer Anregung einer Polarisation, die sich in dem von dem Hauptmagneten 17 erzeugten Hauptmagnetfeld 18 einstellt, auf. Die Hochfrequenzantenneneinheit 20 wird von der Hochfrequenzantennensteuereinheit 29 angesteuert und strahlt hochfrequente Magnetresonanz-Sequenzen in einen Untersuchungsraum, der im Wesentlichen von dem Patientenaufnahmebereich 14 gebildet ist, ein. Die Hochfrequenzantenneneinheit 20 ist weiterhin zum Empfang von Magnetresonanz-Signalen, insbesondere aus dem Patienten 15, ausgebildet.
Zur Steuerung des Hauptmagneten 17, der Gradientensteuereinheit 28 und der Hochfrequenzantennensteuereinheit 29 weist die Magnetresonanzanlage 10 eine Recheneinheit 24 auf. Die Recheneinheit 24 steuert zentral die Magnetresonanzanlage 10, wie beispielsweise das Durchführen einer vorbestimmten bildgebenden Gradientenechosequenz. Steuerinformationen wie beispielsweise Bildgebungsparameter, sowie rekonstruierte MR-Bilder können auf einer Bereitstellungseinheit 25, im vorliegenden Fall einer Anzeigeeinheit 25, der Magnetresonanzanlage 10 für einen Benutzer bereitgestellt werden. Zudem weist die Magnetresonanzanlage 10 eine Eingabeeinheit 26 auf, mittels derer Informationen und/oder Parameter während eines Messvorgangs von einem Benutzer eingegeben werden können. Die Recheneinheit 24 kann die Gradientensteuereinheit 28 und/oder Hochfrequenzantennensteuereinheit 29 und/oder die Anzeigeeinheit 25 und/oder die Eingabeeinheit 26 umfassen.
Die Recheneinheit 24 umfasst im dargestellten Fall eine Vergleichseinheit 33.
Die Magnetresonanzanlage 10 umfasst weiterhin eine Signalverlaufserfassungseinheit 32. Die Signalverlaufserfassungseinheit 32 wird im vorliegenden Fall von der Magneteinheit 13 zusammen mit der Hochfrequenzantennensteuereinheit 29 und der Gradientensteuereinheit 28 gebildet. Die Magnetresonanzanlage 10 ist somit zusammen mit der Signalverlaufserfassungseinheit 32, der Recheneinheit 24 und der Bereitstellungseinheit 25 zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt, indem der MR-Signalverlauf anhand von MR-Bildern erstellt wird, welche jeweils mit mehreren Repetitionen (d. h. mit multi-shot MR-Verfahren) von der Magnetresonanzanlage 10 erfasst werden.
Die Auswahl entsprechender Steuerprogramme für eine MR-Fingerprinting-Untersuchung, welche z. B. auf einer DVD 36 gespeichert sind, sowie die Darstellung der damit erzeugten Ergebnisse erfolgt über einen Bildschirm 25. Die Eingabeeinheit 26 weist eine Tastatur 35, eine Maus 34 und den Bildschirm 25 auf.
Die dargestellte Magnetresonanzanlage 10 kann selbstverständlich weitere Komponenten umfassen, die Magnetresonanzanlagen 10 gewöhnlich aufweisen. Die allgemeine Funktionsweise einer Magnetresonanzanlage 10 ist zudem dem Fachmann bekannt, so dass auf eine detaillierte Beschreibung der weiteren Komponenten verzichtet wird.
Anhand der 2 soll die vorliegende Erfindung im Detail erläutert werden.
Im Rahmen einer MR-Fingerprinting-Messung wird ein MR-Signalverlauf (d. h. ein Verlauf eines MR-Signals S) pro Voxel 9 erstellt. Dazu ist die Erstellung mehrerer MR-Bilder B₁–B₅ erforderlich. Zur Erstellung der MR-Bilder B₁–B₅ wird ein vorbestimmter Volumenabschnitt mehrfach abgetastet, indem der mit dem Volumenabschnitt korrespondierende K-Raum K mehrfach abgetastet wird. Dazu werden bei der jeweiligen Abtastung des K-Raums K verschiedene Messparameter (Flipwinkel FW, Repetitionszeit TR) verwendet.
Der Verlauf des Flipwinkels FW ist in 2 anhand der Bezugszeichen FW₁ bis FW₅ und der Verlauf der Repetitionszeit TR anhand der Bezugszeichen TR₁ bis TR₅ zu erkennen. Mit diesen für den jeweiligen K-Raum K individuellen Messparametern FW, TR wird der jeweilige K-Raum K abgetastet. Während nach dem Stand der Technik der jeweilige K-Raum K₁ bis K₅ mit einem single-shot Messverfahren vollständig erfasst wird, wird der jeweilige K-Raum bei der vorliegenden Erfindung zeilenweise (d. h. pro Repetition eine K-Raum-Zeile) erfasst. Dabei werden allerdings erfindungsgemäß nicht alle K-Raum-Zeilen abgetastet, sondern gerade im Außenbereich des K-Raums (d. h. oben und unten in 2) werden nur wenige K-Raum-Zeilen erfasst, während die K-Raum-Zeilen in der Mitte (im K-Raum-Zentrum) möglichst vollständig erfasst werden.
Durch eine Rekonstruktion der erfassten MR-Daten werden die MR-Bilder B₁ bis B₅ rekonstruiert, wobei das MR-Signal S₁ bis S₅ desselben Voxels oder Pixels 9 für alle rekonstruierten MR-Bilder B₁ bis B₅ in Form eines MR-Signal-Verlaufs in 2 dargestellt ist.
In 3 ist ein Flussplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
Im ersten Schritt S1 wird ein Vorgehen definiert, um 100 Messparametersätze zur Durchführung einer Fingerprinting-Messung erzeugen zu können. Zusätzlich werden die Laufvariablen i und k auf 1 gesetzt.
Im Schritt S2 wird die k-te Zeile des i-ten K-Raums mit dem i-ten Messparametersatz erfasst. Mit anderen Worten wird jede zu erfassende K-Raum-Zeile desselben K-Raums mit demselben Messparametersatz, welcher sich von dem Messparametersatz der anderen K-Räume unterscheidet, erfasst. Dabei muss die k-te Zeile eines K-Raums bezüglich ihrer Lage im jeweiligen K-Raum nicht der k-ten Zeile eines anderen K-Raums entsprechen. Mit dem Erfassen der k-ten Zeile ist nur die als k-te (erste, zweite, dritte usw.) zu erfassende Zeile gemeint. Anders ausgedrückt kann es sich bei der k-ten Zeile eines K-Raums um die fünfte Zeile des K-Raums handeln, während es sich bei der k-ten Zeile eines anderen K-Raums um die achte Zeile handeln kann.
Nachdem im Schritt S3 der Laufindex i inkrementiert wird, wird im Schritt S4 überprüft, ob bereits für alle K-Räume eine K-Raum-Zeile erfasst worden ist. Solange dies noch nicht der Fall ist, werden die Schritte S2 und S3 wiederholt.
Der in 3 dargestellte Flussplan ist vereinfacht dargestellt. Erfindungsgemäß müssen nicht gleich viele K-Raum-Zeilen in jedem K-Raum erfasst werden. Daher wird im Schritt S2 für den i-ten K-Raum nur dann eine k-te Zeile erfasst, wenn nicht bereits alle für diesen i-ten K-Raum zu erfassenden K-Raum-Zeilen erfasst worden sind.
Wenn die Abfrage im Schritt S4 positiv beantwortet wird, wird im Schritt S5 zum einen der Laufindex k inkrementiert und zum anderen der Laufindex i auf 1 zurückgesetzt. Anschließend wird im Schritt S6 überprüft, ob der Laufindex k bereits sein Maximum erreicht hat. Im dargestellten Beispiel wird angenommen, dass für keinen K-Raum mehr als 128 K-Raum-Zeilen zu erfassen sind. Wenn der Laufindex k sein Maximum noch nicht erreicht hat, wird zum Schritt S2 zurückgekehrt.
Wenn alle MR-Daten erfasst worden sind (d. h. in allen K-Räumen wurden die zu erfassenden K-Raum-Zeilen abgetastet), kommt das Verfahren zum Schritt S7, in dem die MR Daten bzw. K-Raum-Daten für ein MR-Bild gesammelt werden. Da der jeweilige K-Raum nicht vollständig abgetastet wird, werden fehlende K-Raum-Daten von einem anderen K-Raum übernommen, für welchen die entsprechenden K-Raum-Daten erfasst wurden. Anschließend wird das jeweilige MR-Bild im Schritt S8 aus den vorher im Schritt S7 zusammen gesammelten K-Raum-Daten rekonstruiert. Falls im Schritt S9 erkannt wird, dass noch nicht alle (z. B. 100) MR-Bilder rekonstruiert worden sind, springt das Verfahren zum Schritt S7 zurück.
Im Schritt S10 ist sichergestellt, dass alle MR-Bilder rekonstruiert wurden. Nun wird im Schritt S10 anhand der rekonstruierten MR-Bilder ein MR-Signalverlauf für ein bestimmtes Voxel erstellt. Im folgenden Schritt S11 wird derjenige hinterlegte MR-Signalverlauf bestimmt, welcher am besten mit dem im Schritt S10 erstellten MR-Signalverlauf übereinstimmt. Anhand dieses bestimmten hinterlegten MR-Signalverlaufs wird eine Eigenschaft des Voxels (z. B. eine physikalische Größe oder ein in dem Voxel vorhandener Stoffanteil) bestimmt. Wenn die Eigenschaften für eine vorgegebene Menge an Voxeln bestimmt worden sind, endet das Verfahren, wobei das Verfahren sonst (,wenn die Eigenschaften von bestimmten Voxeln noch zu bestimmen sind,) zum Schritt S10 zurückspringt.

Claims

Verfahren zur Untersuchung eines vorbestimmten Volumenabschnitts eines Untersuchungsobjekts (15) mit einer Magnetresonanzanlage (10), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: • Erfassen mehrerer MR-Bilder (B₁–B₅) des Volumenabschnitts, • Erstellen eines MR-Signalverlaufs (S₁–S₅) für Voxel (9) des Volumenabschnitts aus den erfassten MR-Bildern (B₁–B₅), • Durchführen eines Vergleichs des MR-Signalverlaufs (S₁–S₅) des jeweiligen Voxels (9) mit hinterlegten MR-Signalverläufen, um denjenigen der hinterlegten MR-Signalverläufe zu ermitteln, welcher am besten mit dem MR-Signalverlauf (S₁–S₅) übereinstimmt, und • Bestimmen eines physikalischen Wertes und/oder eines Stoffanteils für ein Voxel als Ergebnis des Vergleichs, dadurch gekennzeichnet, dass jeder K-Raum (K₁–K₅), welcher mit einem der MR-Bilder (B₁–B₅) korrespondiert, mit mehreren Repetitionen durch ein multi-shot MR-Verfahren gemessen wird, wobei jede Repetition eine HF-Anregung und ein Auslesen von Daten umfasst, dass das Erfassen der mehreren MR-Bilder (B1–B5) des Volumenabschnitts durchgeführt wird, indem pro K-Raum genau eine K-Raum-Zeile erfasst wird, bevor eine zweite K-Raum-Zeile eines der K-Räume erfasst wird, und dass die K-Raum-Zeilen desselben K-Raums mit demselben Messparametersatz erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die K-Räume (K₁–K₅) unterabgetastet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das K-Raum-Zentrum weniger stark unterabgetastet wird als äußere K-Raum-Bereiche.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Häufigkeit, mit welcher ein bestimmter Bereich innerhalb der K-Räume erfasst wird, umso geringer ist, je weiter der Bereich vom K-Raum-Zentrum entfernt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder K-Raum-Punkt zumindest einmal beim Erfassen der MR-Bilder (B₁–B₅) erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rekonstruktion der unterabgetasteten MR-Bilder (B₁–B₅) ein iteratives Rekonstruktionsverfahren eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Modell für das iterative Rekonstruktionsverfahren eines der MR-Bilder (B₁–B₅) verwendet wird, welches als weiteres MR-Bild bezeichnet wird, dass zur Rekonstruktion des weiteren MR-Bildes anstelle von K-Raum-Daten, welche für das weitere MR-Bild nicht erfasst werden, entsprechende K-Raum-Daten von einem anderen der MR-Bilder (B₁–B₅) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Messparameter (FW, TR) für die Repetitionen für verschiedene der MR-Bilder (B₁–B₅) unterschiedlich eingestellt werden, und dass jeder der Messparameter (FW, TR) für das weitere MR-Bild in der Mitte einer Variationsbreite eingestellt wird, mit welcher der jeweilige Messparameter für die verschiedenen MR-Bilder variiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der K-Raum (K₁–K₅) eines weiteren der MR-Bilder (B₁–B₅) unvollständig abgetastet wird, dass zur Rekonstruktion des weiteren MR-Bildes anstelle von K-Raum-Daten, welche für das weitere MR-Bild nicht erfasst werden, entsprechende K-Raum-Daten von einem anderen der MR-Bilder (B₁–B₅) verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7–9, dadurch gekennzeichnet, dass Messparameter (FW, TR) für die Repetitionen für verschiedene der MR-Bilder (B₁–B₅) unterschiedlich eingestellt werden, und dass aus den MR-Bildern (B₁–B₅) dasjenige MR-Bild als das andere MR-Bild bestimmt wird, dessen Messparameter (FW, TR) den Messparametern des weiteren MR-Bildes am ähnlichsten sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7–10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rekonstruktion des weiteren MR-Bildes anstelle von K-Raum-Daten, welche für das weitere MR-Bild nicht erfasst werden, entsprechende K-Raum-Daten von einem MR-Bild verwendet werden, welches im Rahmen eines Vorscans vollständig erfasst wurde.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Messparameter (FW, TR) für die Repetitionen für verschiedene der MR-Bilder (B₁–B₅) unterschiedlich eingestellt werden, und dass jeder der Messparameter (FW, TR) für den Vorscan in der Mitte einer Variationsbreite eingestellt wird, mit welcher der jeweilige Messparameter für die verschiedenen MR-Bilder variiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die MR-Bilder (B₁–B₅) parallel und/oder mit einer Partial-Fourier-Technik erfasst werden.
Magnetresonanzanlage zur Untersuchung eines vorbestimmten Volumenabschnitts eines Untersuchungsobjekts (15), wobei die Magnetresonanzanlage (10) einen Hauptmagnet (17), eine Gradientenspuleneinheit (19) mit Gradientensteuereinheit (28), eine HF-Antenneneinheit (20) mit HF-Antennensteuereinheit (29) und eine Recheneinheit (24) umfasst, und wobei die Magnetresonanzanlage (10) ausgestaltet ist, um mehrere MR-Bilder (B₁–B₅) des Volumenabschnitts zu erfassen, um einen MR-Signalverlauf (S₁–S₅) für Voxel (9) des Volumenabschnitts aus den erfassten MR-Bildern (B₁–B₅) zu erstellen, um mit einer Vergleichseinheit (33) der Recheneinheit (24) den MR-Signalverlauf (S₁–S₅) des jeweiligen Voxels (9) mit hinterlegten MR-Signalverläufen zu vergleichen, um denjenigen der hinterlegten MR-Signalverläufe zu ermitteln, welcher am besten mit dem MR-Signalverlauf (S₁–S₅) übereinstimmt, und um einen physikalischen Wert und/oder einen Stoffanteil für ein Voxel als Ergebnis des Vergleichs zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetresonanzanlage (10) ausgestaltet ist, um jeden K-Raum (K₁–K₅), welcher mit einem der MR-Bilder (B₁–B₅) korrespondiert, mit mehreren Repetitionen durch ein multi-shot MR-Verfahren zu messen, wobei jede Repetition eine HF-Anregung und ein Auslesen von Daten umfasst, dass die Magnetresonanzanlage (10) ausgestaltet ist, um das Erfassen der mehreren MR-Bilder (B₁–B₅) des Volumenabschnitts durchzuführen, indem die Magnetresonanzanlage (10) pro K-Raum genau eine K-Raum-Zeile erfasst, bevor die Magnetresonanzanlage (10) eine zweite K-Raum-Zeile eines der K-Räume erfasst, und um die K-Raum-Zeilen desselben K-Raums mit demselben Messparametersatz zu erfassen.
Magnetresonanzanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetresonanzanlage (10) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2–13 ausgestaltet ist.
Computerprogrammprodukt, welches ein Programm umfasst und direkt in einen Speicher einer programmierbaren Recheneinheit (24) einer Magnetresonanzanlage (10) ladbar ist, mit Programm-Mitteln, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–13 auszuführen, wenn das Programm in der Recheneinheit (24) der Magnetresonanzanlage (10) ausgeführt wird.
Elektronisch lesbarer Datenträger mit darauf gespeicherten elektronisch lesbaren Steuerinformationen, welche derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers (36) in einer Recheneinheit (24) einer Magnetresonanzanlage (10) ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1–13 durchführen.