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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildqualitätsverbesserung eines mit einer Magnetresonanzeinrichtung aufgenommenen dreidimensionalen Magnetresonanzbilddatensatzes, eine Recheneinrichtung und ein Computerprogramm.
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Die Magnetresonanzbildgebung hat sich als Modalität bei der Untersuchung von Patienten in medizinischen Einrichtungen inzwischen etabliert, da einige Vorteile gegeben sind, insbesondere der hervorragende Weichteilkontrast der Magnetresonanzbildgebung. Allerdings bestehen bezüglich der Magnetresonanzbildgebung noch immer Einschränkungen, die teilweise inhärent sind, teilweise jedoch auch durch für die Aufnahme eines Magnetresonanzbilddatensatzes spezifische Umstände bedingt sind. Diese Einschränkungen gehen zu Lasten der Bildqualität des Magnetresonanzbilddatensatzes. Beispielsweise dauern Aufnahmen mit hoher Ortsauflösung meist länger, so dass Bewegungen im Aufnahmegebiet auftreten können. Ansätze zur Verkürzung der Messzeiten für Magnetresonanzbilddatensätze sind beispielsweise eine Unterabtastung von Bereichen des k-Raums, was ebenso zu Einschränkungen der Bildqualität führen kann. Eine weitere, die Bildqualität der Magnetresonanzbildgebung einschränkende Problemstellung ist die Homogenität der eingesetzten Magnetresonanzfelder, wobei sich bereits kleine Abweichungen von dieser Homogenität deutlich in Einschränkungen der Bildqualität manifestieren können.
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Zur Kompensation dieser Einschränkungen wurde vorgeschlagen, Kombinationsbildaufnahmeeinrichtungen zu verwenden, die eine Magnetresonanzeinrichtung und eine Bildaufnahmeeinrichtung einer weiteren Modalität, beispielsweise eine Röntgeneinrichtung, kombinieren. Beispielsweise wurden Magnetresonanz-Röntgen-Kombinationsbildaufnahmeeinrichtungen vorgeschlagen, bei denen eine Aufnahmeanordnung einer Röntgeneinrichtung mit Röntgenquelle und Röntgendetektor vollständig mechanisch in die Patientenaufnahme einer Magnetresonanzeinrichtung integriert wurde. So wird es ermöglicht, gleichzeitig Magnetresonanzbilddatensätze und Röntgenbilddatensätze aufzunehmen.
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Dabei besteht jedoch das Problem, dass beide Bildgebungsmodalitäten als separate Bildgebungskette realisiert sind. Einschränkungen einer Modalität, beispielsweise also der Magnetresonanzbildgebung, werden nur dadurch kompensiert, dass gleichzeitig medizinische Bilddatensätze der anderen Modalität bereitgestellt werden können, die typischerweise diese Einschränkungen nicht aufweist.
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Jedoch wäre insgesamt auch eine weitere Qualitätsverbesserung von Magnetresonanzbilddatensätzen wünschenswert, die über bislang existente Ansätze, beispielsweise Filteralgorithmen zur Reduzierung von Artefakten, hinausgeht und insbesondere auch Magnetresonanzbilddatensätze mit Bildeigenschaften bereitstellen kann, die trotz der Einschränkungen der Magnetresonanzbildgebung denen anderer Modalitäten entsprechen oder diesen zumindest nahekommen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Verbesserung der Bildqualität von Magnetresonanzdatensätzen im Hinblick auf Einschränkungen im Vergleich zu anderen Modalitäten, insbesondere Röntgenbildgebung, anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass aus wenigstens einem mit einer anderen Modalität als Magnetresonanzbildgebung aufgenommenen, mit dem Magnetresonanzbilddatensatz registrierten, wenigstens teilweise dasselbe Aufnahmegebiet wie der Magnetresonanzbilddatensatz zeigenden Korrekturbilddatensatz, insbesondere Röntgenbilddatensatz, ortsaufgelöst für die Magnetresonanzbildgebung relevante Materialparameter abgeleitet werden, die zur Ermittlung eines virtuellen Magnetresonanzvergleichsdatensatzes in einer Simulation verwendet werden, wobei in Abhängigkeit eines Vergleichs des Magnetresonanzbilddatensatzes mit dem Magnetresonanzvergleichsdatensatz wenigstens ein eine im k-Raum anzuwendende Bildqualitätsverbesserungsmaßnahme beschreibender Maßnahmenparameter bestimmt und die Bildqualitätsverbesserungsmaßnahme mit dem Maßnahmenparameter bezüglich des Magnetresonanzbilddatensatzes durchgeführt wird.
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Die Erfindung schlägt mithin eine bevorzugt iterative Bildqualitätsverbesserungsmethode für die Magnetresonanzbildgebung vor, die im k-Raum angewandt wird und Korrekturbilddatensätze einer anderen Modalität, insbesondere Röntgenbilddatensätze, verwendet, um die Bildqualität von Magnetresonanzbilddatensätzen zu optimieren. Mithin wird letztlich die Information, die mit einer anderen Bildgebungsmodalität gewonnen wurde, genutzt, um Einschränkungen der Magnetresonanzbildgebung zumindest teilweise kompensieren zu können. Es wird ausgenutzt, dass die Korrekturbilddatensätze Informationen über die Materialien im Aufnahmegebiet enthalten, so dass diese hinsichtlich der Magnetresonanzbildgebung klassifizierbar sind, mithin in ihren magnetischen Eigenschaften beschreibbar sind, was es wiederum ermöglicht, abzuschätzen, welches Ergebnis die Magnetresonanzbildgebung unter idealisierten Bedingungen erbracht haben könnte. Dieses Ergebnis wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung in Form des virtuellen Magnetresonanzvergleichsdatensatzes erzeugt, welcher letztlich eine Art Orientierungspunkt darstellt, der anzeigen kann, wo und/oder wie Korrekturen am Magnetresonanzbilddatensatz vorzunehmen sind, um die Bildqualität hinsichtlich von Einschränkungen der Magnetresonanzbildgebung zu verbessern, die mit der anderen Modalität nicht vorliegen. Mithin ermöglicht es der Vergleich des Magnetresonanzbilddatensatzes und des Magnetresonanzvergleichsdatensatzes, welcher bevorzugt, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, zumindest teilweise auch im k-Raum durchgeführt wird, Maßnahmenparameter, beispielsweise Filterparameter, Interpolationsparameter, Entzerrungsparameter und dergleichen, zu bestimmen, um konkrete Bildqualitätsverbesserungsmaßnahmen durchzuführen. Diese werden im k-Raum angewandt, nachdem sich Unzulänglichkeiten beziehungsweise Einschränkungen der Magnetresonanzbildgebung genau an diesem Ort originär in den Magnetresonanzbilddaten äußern, mithin insbesondere scharf lokalisiert sind. Diese Lokalisierung ginge im Ortsraum jedoch verloren, so dass das erfindungsgemäße Verfahren zweckmäßig unmittelbar im k-Raum zur Korrektur ansetzt.
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Insgesamt ist es unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, die Anwendbarkeit der Magnetresonanzbildgebung im medizinischen Umfeld deutlich zu erweitern. Besonders voreilhaft ist es dabei, wenn der Korrekturbilddatensatz mit derselben Bildaufnahmeeinrichtung, die eine Kombinationsbildaufnahmeeinrichtung ist, wie der Magnetresonanzbilddatensatz aufgenommen wird. Eine Kombinationsbildaufnahmeeinrichtung, die insbesondere eine Magnetresonanzeinrichtung und eine Röntgeneinrichtung enthalten kann, ermöglicht es mit besonderem Vorteil, grundsätzlich registrierte Magnetresonanzbilddatensätze und Korrekturbilddatensätze in zeitlich und räumlich geringem Abstand aufzunehmen, so dass eine äußerst verlässliche Basis für den Vergleich entsteht. Besonders zweckmäßig ist eine Verwendung der vorliegenden Erfindung bei Angiographie-Magnetresonanz-Röntgen-Kombinationsbildaufnahmeeinrichtungen, wie sie im Stand der Technik bereits vorgeschlagen wurden, gegeben, nachdem eine deutliche Verbesserung der Magnetresonanz-Bildqualität insbesondere auch bei kombinierten Aufnahmen der digitalen Subtraktionsangiographie und der Time-of-Flight-Magnetresonanzangiographie, ermöglicht wird, wobei insbesondere darauf hingewiesen sei, dass Materialeigenschaften auch aus Maskenbildern beziehungsweise noch nicht der Subtraktion unterzogenen Füllungsbildern der Röntgenbildgebung abgeleitet werden können, da diese die Anatomie selbstverständlich noch immer enthalten.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass es im Hinblick auf den Vergleich äußerst sinnvoll ist, eine Normierung der Magnetresonanzbilddaten und der Magnetresonanzvergleichsdaten vorzunehmen, mithin eine adäquate Signalnormierung für den Magnetresonanzbilddatensatz und den Magnetresonanzvergleichs- datensatz anzuwenden, um die Stabilität des hier vorgestellten Verfahrens zu verbessern und einen aussagekräftigen Vergleich zu ermöglichen.
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Zur Ermittlung der Materialparameter kann ein Material und/oder eine Materialzusammensetzung für jedes Bildelement des Korrekturbilddatensatzes ermittelt werden und/oder es können als Materialparameter die Protonendichte und/oder wenigstens eine Relaxationskonstante und/oder Spineigenschaften verwendet werden. Eine solche Ableitung von Materialeigenschaften aus Bilddatensätzen, insbesondere Röntgenbilddatensätzen, ist im Stand der Technik bereits grundsätzlich bekannt, wobei automatische Bildverarbeitungstechniken eingesetzt werden können, beispielsweise schwellwertbasierte Segmentierungen und dergleichen. Dies erlaubt eine Klassifizierung der Inhalte einzelner Bildelemente, bei dreidimensionalen Korrekturbilddatensätzen mithin Voxel, wobei den jeweilig identifizierten beziehungsweise angenommenen Materialien beziehungsweise Materialzusammensetzungen, beispielsweise Wasser, Fett und dergleichen, für die Magnetresonanzbildgebung relevante Eigenschaften zugeordnet werden können, insbesondere die Protonendichte, Relaxationskonstanten und Spineigenschaften. Die Materialparameter können als virtuelles, insbesondere ebenso dreidimensionales Bildelementmodell beziehungsweise Voxelmodell verstanden werden, in dem mithin den einzelnen Bildelementen Materialeigenschaften zugeordnet sind. Dieses virtuelle Modell kann nun genutzt werden, hieraus den Magnetresonanzvergleichsdatensatz abzuleiten.
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In diesem Kontext sieht eine zweckmäßige Weiterbildung vor, dass aus den Materialparametern eine der Simulation zugrundeliegende Magnetisierung unter Verwendung der Bloch-Gleichungen ermittelt wird. In einem ersten Schritt wird also das durch die Materialparameter gegebene virtuelle Bildelementmodell genutzt, um mit Hilfe der Bloch-Gleichungen die lokale Magnetisierung zu errechnen.
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Im Rahmen der Simulation werden dann wenigstens ein Aufnahmeparameter des Magnetresonanzbilddatensatzes und/oder wenigstens ein Betriebsparameter der Magnetresonanzeinrichtung berücksichtigt, das bedeutet, es wird ausgenutzt, dass für den Magnetresonanzbilddatensatz bekannt ist, mit welcher Magnetresonanzeinrichtung unter Verwendung welcher Aufnahmeparameter er aufgenommen wurde. Die Eigenschaften der Magnetresonanzeinrichtung beschreibenden Betriebsparameter und die bei der Aufnahme des konkreten Magnetresonanzbilddatensatzes verwendeten Aufnahmeparameter werden mithin zur Durchführung der Simulation genutzt. Bei diesen Parametern kann es sich beispielsweise um die Stärke des Grundmagnetfeldes, eingesetzte Gradientenfelder, die verwendeten Hochfrequenzpulse und dergleichen handeln. Beispielsweise kann im Rahmen der Simulation der Bildgebungsprozess selbst simuliert werden, wobei dann als Ergebnis unmittelbar die Magnetresonanzvergleichsdaten im k-Raum erhalten werden. Es sind auch Simulationsverfahren denkbar, in denen der Magnetresonanzvergleichsdatensatz unmittelbar im Ortsraum erhalten wird und durch Fouriertransformation erst in den k-Raum transformiert werden muss, wenn, was, wie bereits erwähnt, bevorzugt ist, der Vergleich wenigstens teilweise im k-Raum durchzuführen ist und/oder Magnetresonanzvergleichsdaten zu Bildverbesserungszwecken im k-Raum benötigt werden, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden soll.
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Besonders zweckmäßig ist es in diesem Zusammenhang, wenn zur Ermittlung des Magnetresonanzvergleichsdatensatzes idealisierte Aufnahmebedingungen angenommen werden. Der Magnetresonanzvergleichsdatensatz soll dazu dienen, Einschränkungen der Magnetresonanzbildgebung zu kompensieren, die letztlich dadurch entstehen, dass keine idealen Aufnahmebedingungen bei der Aufnahme von Magnetresonanzbilddatensätzen vorliegen beziehungsweise überhaupt möglich sind, insbesondere was beispielsweise die Ortsauflösung, Messzeiten, Homogenitäten und dergleichen angeht. Mit anderen Worten können die zu kompensierenden Effekte, die bei der Aufnahme des Magnetresonanzbilddatensatzes vorlagen, gerade von der Simulation ausgeschlossen werden, so dass letztlich die Simulationsparameter zwar in Anlehnung an die tatsächlichen Aufnahmebedingungen vorgegeben werden, jedoch soweit angepasst sind, dass die magnetresonanzspezifischen Artefakte beziehungsweise Einschränkungen vermieden werden. Beispielsweise kann für die Simulation angenommen werden, dass eine perfekte Homogenität vorliegt, keinerlei Bewegungen im Aufnahmegebiet während der beliebig langen Messzeit auftreten und dergleichen.
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Es entsteht also ein virtueller, insbesondere dreidimensionaler Magnetresonanzvergleichsbilddatensatz, der auf der Basis des bevorzugt dreidimensionalen Korrekturbilddatensatzes, insbesondere Röntgenbilddatensatzes, erzeugt wurde.
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Dabei sei hervorgehoben, dass sich die Eigenschaften der k-Räume des Magnetresonanzvergleichsdatensatzes und des Magnetresonanzbilddatensatzes selbstverständlich nicht zwangsläufig entsprechen müssen, sondern die Eigenschaften des zugehörigen k-Raums des Magnetresonanzvergleichsdatensatzes so gewählt sind, dass die gewünschte Bildqualitätsverbesserung auch ermöglicht wird. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass ein zum k-Raum des Magnetresonanzbilddatensatzes unterschiedliche Eigenschaften aufweisender k-Raum für den Magnetresonanzvergleichsdatensatz verwendet wird, insbesondere ein eine andere Nyquist-Frequenz aufweisender, erweiterter k-Raum für den Magnetresonanzvergleichsdatensatz verwendet wird. Unterschiede können selbstverständlich über eine auf eine Verbesserung der Ortsauflösung abzielende Erweiterung des k-Raums hinaus vorliegende Magnetresonanzvergleichsdaten für andere, im Magnetresonanzbilddatensatz nicht abgetastete k-Raumpunkte enthalten, beispielsweise dann, wenn eine Unterabtastung des Magnetresonanzbilddatensatzes in Bereichen des k-Raums vorlag und dergleichen. Der Magnetresonanzvergleichsdatensatz kann also auch Magnetresonanzvergleichsdaten in Bereichen des k-Raums zur Verfügung stellen, die im Magnetresonanzbilddatensatz nicht vorliegen. Konkrete Anwendungsbeispiele werden im Folgenden noch näher diskutiert werden.
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Wie bereits erwähnt wurde, sehen besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung vor, dass die Ermittlung der Maßnahmenparameter iterativ in einem Optimierungsverfahren erfolgt, insbesondere in einem auf die Minimierung des Unterschieds zwischen dem Magnetresonanzbilddatensatz und dem Magnetresonanzvergleichsdatensatz bezogenen Optimierungsverfahren. Insbesondere bei komplexeren, größere Bereiche von Magnetresonanzbilddaten betreffenden Bildqualitätsverbesserungsmaßnahmen, beispielsweise bei der Verwendung von Faltungskernen und dergleichen, ist mithin eine iterative Ermittlung von Maßnahmenparametern in einem Optimierungsverfahren denkbar, um die optimale Bildqualität erreichen zu können. Damit liegt aber letztlich auch eine iterative Bildqualitätsverbesserung vor, denn der Vergleich muss immer bezüglich des mit den aktuellen Maßnahmenparametern bearbeiteten Magnetresonanzbilddatensatzes erfolgen. Dabei kann es je nach Ausgestaltung und Aspekt, dem bezüglich die Bildqualität verbessert werden soll, zweckmäßig sein, den Vergleich auf bestimmte Frequenzbereiche beziehungsweise Frequenzbänder einzuschränken, wobei derartige konkrete Ansätze im Folgenden noch genauer diskutiert werden. Es können verschiedene, im Stand der Technik grundsätzlich bekannte Optimierungsalgorithmen eingesetzt werden, beispielsweise Nelder-Mead-Algorithmen, Lagrange-Algorithmen, SQP-Algorithmen und dergleichen. Der zur Durchführung des Optimierungsverfahrens eingesetzte Optimierungsalgorithmus gibt für den nächsten Schritt der iterativen Bestimmung der Maßnahmenparameter vor, welche Werte getestet werden sollen.
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In einer konkreten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass ein Rauschen enthaltendes Frequenzband beschreibende Maßnahmenparameter innerhalb des Optimierungsverfahrens ermittelt werden, wobei als Bildqualitätsverbesserungsmaßnahme ein auf das Frequenzband bezogener Tiefpassfilter angewendet wird. Auf diese Weise lässt sich eine dedizierte Rauschunterdrückung innerhalb der Magnetresonanzbilddaten erreichen. Über den Vergleich des Magnetresonanzbilddatensatzes mit dem Magnetresonanzvergleichsdatensatz im k-Raum kann das Rauschspektrum im Magnetresonanzbilddatensatz abgeschätzt werden, letztlich also das Frequenzband bestimmt werden, welches das Rauschen enthält. Für verschiedene Grenzen dieses Frequenzbandes, wobei es auch ausreichend sein kann, eine Grenze des Frequenzbandes als die Nyquist-Frequenz fest anzusetzen, werden in dem Optimierungsverfahren die Ergebnisse einer Rauschunterdrückung betrachtet. Somit stellt in diesem Fall die Bildqualitätsverbesserungsmaßnahme eine optimale Tiefpassfilterung für den konkreten Magnetresonanzbilddatensatz dar.
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Eine besonders bevorzugte konkrete Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass bei einem nicht in dem Magnetresonanzbilddatensatz enthaltene Punkte im k-Raum enthaltenden Magnetresonanzvergleichsdatensatz der Magnetresonanzbilddatensatz als Bildqualitätsverbesserungsmaßnahme um wenigstens einen Teil dieser Punkte ergänzt wird, wobei die Maßnahmenparameter k-Raumbereiche beschreiben, in denen ergänzt werden soll, und der Vergleich des Magnetresonanzbilddatensatzes mit dem Magnetresonanzvergleichsdatensatz im Ortsraum durchgeführt wird. Die letztgenannte Maßnahme ist dabei der Tatsache geschuldet, dass bei einem Hinzufügen der Abstand zwischen den Datensätzen ja unverändert bleibt. In dieser Variante könnten die im Magnetresonanzbilddatensatz enthaltenen Magnetresonanzbilddaten letztlich um weitere Bereiche beziehungsweise Punkte im k-Raum ergänzt werden, sei es über die bisherige Begrenzungsfrequenz hinaus, um eine bessere Ortsauflösung zu erzielen, oder um eine Unterabtastung oder dergleichen zu kompensieren. In einer der genannten Varianten kann also die Detaildarstellbarkeit, das heißt die Ortsauflösung, innerhalb der Magnetresonanzbilddaten verbessert werden, indem der hochfrequente k-Raum der Magnetresonanzbilddaten durch die entsprechenden k-Raumpunkte des virtuellen Magnetresonanzvergleichsdatensatzes aufgefüllt wird.
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In diesem Kontext sieht eine Weiterbildung vor, dass bei einer Ergänzung nicht abgedeckter Frequenzbereiche oberhalb der Nyquist-Frequenz des Magnetresonanzvergleichsdatensatzes die hinzuzufügenden Anteile des Magnetresonanzvergleichsdatensatzes zuvor mit einer Dämpfungsfunktion multipliziert werden. Hinsichtlich der Anwendbarkeit im medizinischen Kontext kann es zweckmäßig sein, die Magnetresonanzvergleichsdaten der zu ergänzenden Punkte im k-Raum zunächst durch eine Dämpfungsfunktion zu bearbeiten, um weiterhin einen charakteristischen Magnetresonanz-Bildeindruck zu gewährleisten. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein stetiger Übergang zu Null bei höheren Frequenzen gegeben ist.
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Eine weitere besonders vorteilhafte, konkrete Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass im Rahmen des im k-Raum durchgeführten Vergleichs Magnetresonanzbilddaten identifiziert werden, für die eine ein Abweichungskriterium erfüllende Abweichung des Magnetresonanzbilddatensatzes von dem Magnetresonanzvergleichsdatensatz vorliegt, wobei die identifizierten Magnetresonanzbilddaten in Abhängigkeit der entsprechenden Magnetresonanzvergleichsdaten korrigiert werden. Dabei müssen nicht unbedingt nur oder grundsätzlich erlaubter Weise einzelne Punkte im k-Raum betrachtet werden, sondern es durchaus denkbar, k-Raumbereiche aufzufinden, in denen Abweichungen vorliegen. Der Vergleich findet bei dieser Ausgestaltung also im k-Raum statt. Hierdurch wird eine spezifische Bildverbesserung in einzelnen Frequenzbereichen, unter Umständen auch für einzelne k-Raumpunkte, zur Reduzierung von Artefakten erlaubt. Über den Vergleich, insbesondere im Rahmen einer Differenzberechnung, der beiden Datensätze können jene k-Raumbereiche innerhalb des Magnetresonanzbilddatensatzes identifiziert werden, die eine Signalabweichung aufweisen, wobei beispielsweise Schwellwertvergleiche durchgeführt werden können. Derart als voraussichtlich fehlerhaft identifizierte Magnetresonanzbilddaten können modifiziert und/oder ersetzt werden.
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Dabei sieht eine einfache, weniger bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vor, dass die abweichenden Magnetresonanzbilddaten durch die entsprechenden Magnetresonanzvergleichsdaten ersetzt werden, wobei jedoch eine Orientierung an den tatsächlich bemessenen Magnetresonanzbilddaten zweckmäßiger sein kann.
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Mithin sieht eine besonders vorteilhafte Weiterbildung vor, dass einen die Berechnung von Ersatzdaten für die identifizierten Magnetresonanzbilddaten aus den identifizierten Magnetresonanzbilddaten benachbarten Magnetresonanzbilddaten erlaubenden Interpolationskern beschreibende Maßnahmenparameter, insbesondere in dem Optimierungsverfahren, ermittelt werden, wobei als Bildqualitätsverbesserungsmaßnahme die Ersatzdaten die identifizierten Magnetresonanzbilddaten ersetzen. Es kann mithin ein Interpolationskern, der durch die beziehungsweise einen Teil der Maßnahmenparameter parametrisiert ist, verwendet werden, um Ersatzdaten für abweichende Magnetresonanzbilddaten aus den benachbarten Magnetresonanzbilddaten, die ja tatsächlich gemessen wurden, abzuleiten, so dass letztlich lediglich die Form der Interpolation durch die Magnetresonanzvergleichsdaten beeinflusst wird. Häufig ist es nicht ausreichend, einfach eine lineare oder anderweitig fest vorbestimmte Interpolation anzusetzen. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Maßnahmenparameter im Rahmen des bereits genannten iterativen Optimierungsverfahrens bestimmt werden, so dass der optimale Interpolationskern identifiziert werden kann. Dieser optimale Interpolationskern wird auf den Magnetresonanzbilddatensatz angewendet, um die abweichenden Magnetresonanzdaten zu ersetzen.
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Eine weitere zweckmäßige, konkrete Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass in dem im k-Raum durchgeführten Vergleich einen eine Verzerrung im k-Raum beschreibenden Faltungskern definierende Maßnahmenparameter ermittelt werden, wobei als Bildqualitätsverbesserungsmaßnahme der Faltungskern auf den Magnetresonanzbilddatensatz angewandt wird. Auf diese Weise können magnetresonanzspezifische Artefakte, die beispielsweise durch Feldinhomogenitäten oder magnetische Suszeptibilitäten ausgelöst werden können, reduziert werden, denn diese führen zu einer charakteristischen Störung des k-Raums. Das bedeutet, entsprechend vorliegende Störungen, beispielsweise Inhomogenitäten, verzerren den k-Raum. Diese charakteristische Verzerrung für einen Magnetresonanzbilddatensatz kann durch Vergleich mit dem für idealisierte Bedingungen erzeugten Magnetresonanzvergleichsdatensatz identifiziert werden, so dass auch, insbesondere in dem beschriebenen Optimierungsverfahren, ein optimaler Faltungskern identifiziert werden kann. Über diesen Faltungskern kann eine entsprechende Verzerrung realisiert werden, so dass der Faltungskern letztlich auf den Magnetresonanzbilddatensatz angewendet wird, um den k-Raum zu korrigieren. Letztlich wird dabei eine Verschiebung von k-Raumpunkten durch entsprechende Rückverschiebung korrigiert.
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Die hier beschriebenen konkreten Möglichkeiten für Bildqualitätsverbesserungsmaßnahmen können selbstverständlich auch miteinander oder mit weiteren, hier nicht beschriebenen Bildqualitätsverbesserungsmaßnahmen kombiniert werden.
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Eine allgemein nützliche Variante der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Ermittlung der Maßnahmenparameter und die Durchführung der Bildqualitätsverbesserungsmaßnahmen nur auf einem durch einen Benutzer wählbaren und/oder automatisch bestimmten Zielanteil des Magnetresonanzbilddatensatzes erfolgen. Mithin können spezifische Bildbereiche im Ortsraum der entsprechenden Bilddaten vorgegeben werden, was entweder automatisch, beispielsweise durch einen Bildverarbeitungsalgorithmus, der bestimmte Strukturen in den Magnetresonanzbilddaten erkennen kann, oder aber auch durch eine manuelle Markierung durch einen Benutzer erfolgen kann. Wird beispielsweise ein rechteckiger beziehungsweise quaderförmiger Zielanteil automatisch bestimmt beziehungsweise manuell definiert, bildet sich dieser in Form von Sinc-Funktionen im k-Raum ab, die auch dort eine Einschränkung der zu betrachtenden Magnetresonanzbilddaten und Magnetresonanzvergleichsdaten erlaubt. Bei einer solchen Beschränkung auf einen Zielanteil werden letztlich dieselben Bildqualitätsverbesserungsschritte wie bereits vorgestellt durchgeführt, jedoch lediglich innerhalb eines k-Raums angewendet, der zu dem durch den Zielanteil beschriebenen spezifischen Bildbereich im Ortsraum korrespondiert.
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Üblicherweise wird ein dreidimensionaler Korrekturbilddatensatz verwendet werden, um einen maximalen Vorteil aus den Bildverbesserungsmaßnahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ziehen zu können. Es ist jedoch auch denkbar, zweidimensionale Korrekturbilddatensätze einzusetzen, wobei beispielsweise vorgesehen sein kann, dass ein zweidimensionaler Projektionsbilddatensatz als Korrekturbilddatensatz verwendet wird, wobei zur Durchführung des Vergleichs als Magnetresonanzvergleichsdatensatz ein entsprechend der Aufnahmegeometrie des Projektionsbilddatensatzes in den Projektionsrichtungen aufintegrierter Integrationsvergleichsdatensatz ermittelt wird und mit einem entsprechend aus dem Magnetresonanzbilddatensatz ermittelten Integrationsbilddatensatz verglichen wird. Unter Verwendung der entsprechenden Simulationsumgebung kann also auch aus einem zweidimensionalen Projektionsbilddatensatz, beispielsweise einem Röntgen-Projektionsbilddatensatz, ein virtueller Magnetresonanzvergleichsdatensatz im k-Raum ermittelt werden. Um eine entsprechende Korrespondenz der Magnetresonanzbilddaten und der virtuellen Magnetresonanzvergleichsdaten zu gewährleisten, wird der k-Raum der Magnetresonanzbilddaten entsprechend der Aufnahmegeometrie, mithin der Projektionsrichtungen des zweidimensionalen Projektionsbilddatensatzes, aufintegriert. Es erfolgt also letztlich eine Projektion der Magnetresonanzbilddaten gemäß der beispielsweise verwendeten Kegelstrahlgeometrie einer Röntgeneinrichtung. Die Magnetresonanzvergleichsdaten sind ebenso projiziert. Dies ermöglicht einen zweidimensionalen Vergleich. Dennoch lassen sich auch in diesem Zusammenhang selbstverständlich Maßnahmenparameter für die dreidimensionalen Magnetresonanzbilddaten ermitteln, zumindest dann, wenn, wie beschrieben, ein iteratives Optimierungsverfahren verwendet wird, innerhalb welchem sich die korrekten Verteilungen bei den aufintegrierten Werten im dreidimensionalen k-Raum einstellen.
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Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung auch eine Recheneinrichtung, insbesondere eine Steuereinrichtung einer Kombinationsbildaufnahmeeinrichtung für Magnetresonanzbildgebung und wenigstens eine weitere Modalität, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Recheneinrichtung übertragen, mit welcher mithin auch die bereits genannten Vorteile erhalten werden können. Insbesondere kann die Recheneinrichtung also eine Materialparameterermittlungseinheit zur Ermittlung der Materialparameter, eine Simulationseinheit zur Ermittlung des virtuellen Magnetresonanzvergleichsdatensatzes, eine Maßnahmenparameterbestimmungseinheit zur Bestimmung der insbesondere optimalen Maßnahmenparameter und eine Bildqualitätsverbesserungseinheit zur Durchführung der Bildqualitätsverbesserungsmaßnahmen aufweisen. Zweckmäßig kann eine Steuereinrichtung einer Kombinationsbildaufnahmeeinrichtung entsprechend ausgebildet werden, so dass in einer kombinierten Auswertung von zeitgleich oder zeitlich benachbart aufgenommenen Bilddatensätzen der unterschiedlichen Modalitäten unmittelbar die Bildqualitätsverbesserung des Magnetresonanzbilddatensatzes auf Grundlage des Korrekturbilddatensatzes vorgenommen werden kann. Bevorzugt handelt es sich um eine Magnetresonanz-Röntgen-Kombinationsbildaufnahmeeinrichtung, welche insbesondere zur angiographischen Bildgebung ausgestaltet sein kann.
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Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Computerprogramm, das die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchführt, wenn es auf einer Recheneinrichtung, insbesondere der erfindungsgemäßen Recheneinrichtung, ausgeführt wird. Auch für das Computerprogramm gelten die bisherigen Ausführungen fort; es kann beispielsweise auf einem nichttransienten Datenträger, beispielsweise einer CD-ROM, abgespeichert sein.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden Beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
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1 einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 einen Ablaufplan zu einer ersten Möglichkeit der Bildqualitätsverbesserung,
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3 einen Ablaufplan zu einer zweiten Möglichkeit zur Bildqualitätsverbesserung,
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4 einen Ablaufplan zu einer dritten Möglichkeit zur Bildqualitätsverbesserung,
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5 einen Ablaufplan zu einer vierten Möglichkeit zur Bildqualitätsverbesserung, und
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6 eine Kombinationsbildaufnahmeeinrichtung.
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1 zeigt einen Ablaufplan eines allgemeinen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie es an einer Kombinationsbildaufnahmeeinrichtung durchgeführt werden kann, die eine Magnetresonanzeinrichtung und eine Röntgeneinrichtung vereint. Das bedeutet, die Kombinationsbildaufnahmeeinrichtung erlaubt die zumindest im Wesentlichen simultane Aufnahme von Magnetresonanzbilddatensätzen und Röntgenbilddatensätzen, wobei im hier näher dargestellten Verfahren ein dreidimensionaler Röntgenbilddatensatz zur Bildqualitätsverbesserung eines dreidimensionalen Magnetresonanzbilddatensatzes eingesetzt wird, beispielsweise im Rahmen angiographischer Untersuchungen.
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In entsprechenden Schritten S1 und S2 werden mithin der Magnetresonanzbilddatensatz und der Röntgenbilddatensatz mit der Kombinationsbildaufnahmeeinrichtung aufgenommen und dann einer Steuereinrichtung der Kombinationsbildaufnahmeeinrichtung zur gemeinsamen Verarbeitung zugeführt, Schritt S3. Dort wird nun zunächst in einem Schritt S4 der Röntgenbilddatensatz, der in diesem Ausführungsbeispiel den Korrekturbilddatensatz darstellt, verwendet, um zumindest für das Aufnahmegebiet des Magnetresonanzbilddatensatzes, welches auch in dem Röntgenbilddatensatz enthalten ist, ortsaufgelöst Materialparameter zu bestimmen. Hierzu werden im Schritt S4 Klassifizierungsalgorithmen eingesetzt, die beispielsweise auf einer schwellwertbasierten Segmentierung beruhen können und den einzelnen Voxeln als Bildelementen Materialien oder Materialzusammensetzungen zuordnen. Diesen Materialien beziehungsweise Materialzusammensetzungen sind wiederum Protonendichten, Relaxationskonstanten und Spineigenschaften als die Materialparameter zugeordnet.
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In einem Schritt S5 wird unter Verwendung dieser Materialparametern nun ein virtueller Magnetresonanzvergleichsdatensatz durch Simulation ermittelt. Dazu werden zunächst als Grundlage der Simulation die Materialparameter genutzt, um unter Verwendung der Bloch-Gleichungen einer Simulation der Magnetresonanzbildgebung zugrundezulegende Magnetisierungen im Aufnahmegebiet (und gegebenenfalls auch noch um dieses herum) zu berechnen. Nachdem die Aufnahmeparameter des Magnetresonanzbilddatensatzes und die Betriebsparameter der Magnetresonanzeinrichtung als Teil der Kombinationsbildaufnahmeeinrichtung bekannt sind, können diese auch in die nun folgende Simulation eines Magnetresonanz-Messvorgangs eingehen, der im hier dargestellten Ausführungsbeispiel unmittelbar den Magnetresonanzvergleichsdatensatz im k-Raum liefert. Dabei werden die Bedingungen bei der Aufnahme des Magnetresonanzbilddatensatzes jedoch nicht komplett abgebildet, sondern idealisiert, insbesondere hinsichtlich der Homogenität der verwendeten Magnetfelder und der Abtastung, für die virtuell ja beliebig lange Messzeiten vorliegen. Auch hinsichtlich des Nichtvorliegens von Bewegungen im Aufnahmegebiet wird idealisiert. Betriebs- beziehungsweise Aufnahmeparameter können beispielsweise die Hauptmagnetfeldstärke, verwendete Gradientenfelder, Hochfrequenzanregungen und dergleichen umfassen.
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Hier einsetzbare Simulationsmethoden wurden bereits zu anderen Zwecken im Stand der Technik diskutiert.
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Im folgenden Schritt S6 werden abhängig von einem Vergleich des Magnetresonanzbilddatensatzes mit dem Magnetresonanzvergleichsdatensatz Maßnahmenparameter bestimmt, die die konkrete Form wenigstens einer Bildqualitätsverbesserungsmaßnahme beschreiben, welche in einem Schritt S7 auf dem Magnetresonanzbilddatensatz angewendet wird beziehungsweise bei mehreren Bildqualitätsverbesserungsmaßnahmen angewendet werden. Die Schritt S6 und S7 können für unterschiedliche Bildqualitätsverbesserungsmaßnahmen jeweils getrennt durchgeführt werden, es ist in vielen Fällen jedoch auch möglich, Maßnahmenparameter unterschiedlicher Bildqualitätsverbesserungsmaßnahmen gleichzeitig zu bestimmen, insbesondere, wenn jeweils ein entsprechender Vergleich zugrunde liegt, beispielsweise der bevorzugte Vergleich im k-Raum. Bevorzugt ist ferner, soweit möglich, die Maßnahmenparameter iterativ in einem Optimierungsverfahren zu ermitteln, was durch den gestrichelten Pfeil 1 angedeutet wird. Dies kann auch nur für einen Teil der Bildqualitätsverbesserungsmaßnahmen, falls mehrere vorgesehen sind, durchgeführt werden.
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In einem Schritt S8 endet dann das Verfahren mit einem bezüglich seiner Bildqualität unter Verwendung des Röntgenbilddatensatzes verbesserten Magnetresonanzbilddatensatz.
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Im Folgenden sollen nun konkrete Varianten beziehungsweise Möglichkeiten für Bildverbesserungsmaßnahmen dargestellt werden, die selbstverständlich allesamt miteinander kombinierbar sind.
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2 zeigt einen Ablaufplan, wenn die Ortsauflösung des Magnetresonanzbilddatensatzes verbessert werden soll. Dabei wurde der Magnetresonanzvergleichsdatensatz so bestimmt, dass er auch k-Raumpunkte in hochfrequenten Bereichen des k-Raums enthält, welche in einem Schritt S6a zunächst einer Dämpfungsfunktion, die durch entsprechende Dämpfungsparameter beschrieben ist, unterworfen werden, welche insbesondere für einen stetigen Übergang auf Null bei hohen Frequenzen sorgen kann. Im Schritt S6b wird ein initialer beziehungsweise aktuell zu verwendender Frequenzbereich ab der bisherigen Grenzfrequenz des Magnetresonanzbilddatensatzes festgelegt, in dem die Ergänzung vorgenommen werden soll. Dieser zu ergänzende Frequenzbereich, der durch die Magnetresonanzbilddaten bislang nicht abgedeckt war, und/oder die Dämpfungsparameter der Dämpfungsfunktion sind in diesem Fall die Maßnahmenparameter, die vorgegeben sein können oder einmalig bestimmt werden können, so dass im Schritt S7a mit der entsprechenden Ergänzung des Magnetresonanzbilddatensatzes auch bereits die Durchführung der Bildqualitätsverbesserungsmaßnahme abgeschlossen wäre. Denkbar ist es jedoch selbstverständlich auch, bezüglich dieser Maßnahmenparameter die bereits beschriebene iterative Optimierung gemäß Pfeil 1 durchzuführen.
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3 betrifft eine weitere Möglichkeit, die sich auf die spezifische Korrektur einzelner Frequenzbereiche bezieht. Dabei werden zunächst in einem Schritt S6c im Rahmen des Vergleichs Abweichungskriterien überprüft, wobei bei Erfüllung von Abweichungskriterien für k-Raumpunkte (der Vergleich wird im k-Raum durchgeführt) Bereiche des k-Raums identifiziert werden, in denen zu starke Abweichungen zwischen den Magnetresonanzbilddaten und den Magnetresonanzvergleichsdaten vorliegen. Die so stark abweichenden Magnetresonanzbilddaten sollen durch Ersatzdaten ersetzt werden, vorliegend durch solche, die durch Anwendung eines Interpolationskerns auf das Abweichungskriterium nicht erfüllende, den das Abweichungskriterium erfüllenden Magnetresonanzbilddaten benachbarte Magnetresonanzbilddaten bestimmt werden sollen. Die Interpolationsparameter dieses Interpolationskerns stellen die Maßnahmenparameter dar, die vorliegend iterativ im Optimierungsverfahren bestimmt werden, mithin im Schritt S6d für den nächsten Iterationsschritt vorgegeben werden, so dass im Schritt S7b der Interpolationskern angewandt werden kann und ein neuer Magnetresonanzbilddatensatz mit Ersatzdaten entsteht, der wieder im Vergleich bewertet werden kann. Liegt kein Abbruchkriterium vor, wird das Optimierungsverfahren fortgesetzt. So werden optimierte Interpolationskerne für abweichende k-Raumbereiche bestimmt und mithin optimale Ersatzdaten ermittelt.
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4 zeigt Bildqualitätsverbesserungsmaßnahmen zur dedizierten Rauschunterdrückung innerhalb der Magnetresonanzbilddaten. Im Vergleichsschritt S6e wird dabei das Frequenzband abgeschätzt, in dem Rauschen vorliegen könnte, wobei dann im Schritt S7c ein auf dieses Frequenzband bezogener Tiefpassfilter auf den Magnetresonanzbilddatensatz angewendet wird. Auch dieses Verfahren wird in den das Frequenzband beschreibenden Maßnahmenparametern iterativ optimierend durchgeführt.
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5 zeigt schließlich ein viertes Beispiel für konkrete Bildqualitätsverbesserungsmaßnahmen, wobei dort im Rahmen des Vergleichs Verzerrungen im k-Raum im Schritt S6f festgestellt werden, die zur Vorgabe von Faltungsparametern eines Faltungskerns als Maßnahmenparameter führen. Dieser Faltungskern wird im Schritt S7d auf den Magnetresonanzbilddatensatz angewandt, um den k-Raum zu entzerren. Auch die Faltungsparameter können iterativ im Optimierungsverfahren immer weiter verbessert werden, bis der optimale Faltungskern gefunden ist. So können Artefakte, die beispielsweise durch Feldinhomogenitäten/magnetische Suszeptibilitäten entstehen, korrigiert werden.
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6 zeigt schließlich eine Prinzipskizze einer Kombinationsbildaufnahmeeinrichtung 2, deren Steuereinrichtung 3 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Eine Grundmagnetfeldeinheit 4 einer enthaltenen Magnetresonanzeinrichtung definiert die Patientenaufnahme 5. Diese umgebend sind wie grundsätzlich bekannt Spulenanordnungen 6 vorgesehen, insbesondere eine Gradientenspulenanordnung und eine Hochfrequenzspulenanordnung. Zentral sind diese jedoch unterbrochen, um Platz für eine integrierte Gantry 7, einer Röntgeneinrichtung zu schaffen, in der eine Aufnahmeanordnung aus Röntgenquelle 8 und Röntgendetektor 9, die sich gegenüberliegen, um den Patienten rotiert werden kann.
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Die Steuereinrichtung 3 ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet, wozu sie entsprechend, wie bereits beschrieben, eine Materialparameterermittlungseinheit 10, eine Simulationseinheit 11, eine Maßnahmenparameterbestimmungseinheit 12 und eine Bildqualitätsverbesserungseinheit 13 enthält.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
