DE102015222833A1

DE102015222833A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines Magnetresonanzbildgebungssystems zur simultanen Aufnahme von mehreren Teilvolumina

Info

Publication number: DE102015222833A1
Application number: DE102015222833.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Beck; Thorsten Feiweier
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2015-11-19
Filing date: 2015-11-19
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2035-11-20
Also published as: DE102015222833B4; US10338176B2; US20170146625A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines Magnetresonanzbildgebungssystems (1) zur Erzeugung von Magnetresonanzbilddaten (BD) eines Untersuchungsobjekts (O) beschrieben, bei dem Magnetresonanzrohdaten (RD) erfasst werden. Bei der Erfassung der Magnetresonanzrohdaten (RD) werden unterschiedliche Transversalmagnetisierungen in einer Mehrzahl von N abzubildenden Teilvolumina angeregt und zur Bildgebung genutzt. Dabei liegen diese unterschiedlichen Transversalmagnetisierungen mindestens in einem Zeitabschnitt der Messung simultan vor. Weiterhin wird ein Ansteuersequenz-Ermittlungssystem (22) beschrieben. Außerdem wird ein Magnetresonanzbildgebungssystem (1) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Magnetresonanzbildgebungssystems zur Erzeugung von Magnetresonanzbilddaten eines Untersuchungsobjekts, bei dem Magnetresonanzrohdaten erfasst werden. Ferner betrifft die Erfindung ein Ansteuersequenz-Ermittlungssystem. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Magnetresonanzbildgebungssystem.
Mit Hilfe moderner bildgebender Verfahren werden häufig zwei- oder dreidimensionale Bilddaten oder Zeitserien von Bilddaten erzeugt, die zur Visualisierung eines abgebildeten Untersuchungsobjekts genutzt werden können. Bildgebende Systeme, die auf einem Verfahren der Magnetresonanzmessung, insbesondere von Kernspins basieren, sogenannte Magnetresonanztomographen, haben sich durch vielfältige Anwendungen erfolgreich etabliert und bewährt. Bei dieser Art der Bildakquisition wird meist ein statisches Grundmagnetfeld B₀, das zur Anfangsausrichtung und Homogenisierung von zu untersuchenden magnetischen Dipolen dient, zur Ortsauflösung des bildgebenden Signals mit einem schnell geschalteten Magnetfeld, dem sogenannten Gradientenfeld, überlagert. Zur Bestimmung von Materialeigenschaften eines abzubildenden Untersuchungsobjekts wird die Dephasierung bzw. Relaxationszeit nach einer Auslenkung der Magnetisierung aus der Anfangsausrichtung ermittelt, sodass verschiedene materialtypische Relaxationsmechanismen bzw. Relaxationszeiten identifiziert werden können. Die Auslenkung erfolgt meist durch eine Anzahl von HF-Pulsen und die Ortsauflösung beruht dabei auf einer zeitlich festgelegten Manipulation der ausgelenkten Magnetisierung mit Hilfe des Gradientenfeldes in einer sogenannten Messsequenz bzw. Ansteuersequenz, welche eine genaue zeitliche Abfolge von HF-Pulsen, der Änderung des Gradientenfeldes (durch Aussenden einer Schaltsequenz von Gradientenpulsen) sowie der Erfassung von Messwerten festlegt. Neben der Relaxation gibt es noch eine Reihe weiterer Mechanismen zur Kontrastbildung, wie zum Beispiel die Flussmessung und die Diffusionsbildgebung.
Typischerweise erfolgt eine Zuordnung zwischen gemessener Magnetisierung – aus der die erwähnten Materialeigenschaften abgeleitet werden können – und einer Ortskoordinate der gemessenen Magnetisierung im Ortsraum, in dem das Untersuchungsobjekt angeordnet ist, mit Hilfe eines Zwischenschritts. In diesem Zwischenschritt werden erfasste Magnetresonanz-Rohdaten an Auslesepunkten im sogenannten „k-Raum“ angeordnet, wobei die Koordinaten des k-Raums als Funktion des Gradientenfeldes kodiert sind. Der Betrag der Magnetisierung (insbesondere der Quermagnetisierung, in einer Ebene quer zum vorbeschriebenen Grundmagnetfeld bestimmt) an einem bestimmten Ort des Untersuchungsobjekts kann aus den k-Raum-Daten mit Hilfe einer Fourier-Transformation ermittelt werden. Anders ausgedrückt, werden die k-Raum-Daten (Magnitude und Phase) benötigt, um eine Signalstärke des Signals und gegebenenfalls dessen Phase im Ortsraum zu berechnen.
Die Magnetresonanztomographie ist eine relativ langsam arbeitende Art eines bildgebenden Verfahrens, da die Daten entlang von Trajektorien, wie zum Beispiel Zeilen oder Spiralen, im Fourierraum bzw. im k-Raum sequentiell aufgenommen werden. Das Verfahren der Aufnahme von Bildern in zweidimensionalen Schichten ist im Vergleich zur Aufnahme in drei Dimensionen deutlich weniger fehleranfällig, weil die Zahl der Kodierungsschritte kleiner ist als bei einem dreidimensionalen Verfahren. Daher werden bei vielen Anwendungen Bildvolumen mit Stapeln von zweidimensionalen Schichten statt einer einzigen dreidimensionalen Aufnahme verwendet. Allerdings sind die Bildaufnahmezeiten aufgrund der langen Relaxationszeiten der Spins sehr lang, was beispielsweise für zu untersuchende Patienten eine Verringerung des Komforts bedeutet. Auch können die Patienten während der Aufnahme nicht kurz den Magnetresonanztomographen verlassen oder auch nur ihre Position ändern, da dies aufgrund der Positionsveränderung den Bildaufnahmevorgang zunichtemachen würde und der gesamte Prozess von vorne beginnen müsste. Folglich besteht ein wichtiges Ziel darin, die Aufnahme von zweidimensionalen Schichtstapeln zu beschleunigen.
Bei einer anderen Abtastungsart werden selektiv angeregte Subvolumen oder Teilvolumen, sogenannte „Slabs“, mit Hilfe eines dreidimensionalen Abtastverfahrens ortskodiert. Auch bei dieser Vorgehensweise besteht ein Bedarf, die Aufnahmegeschwindigkeit zu beschleunigen.
Zur Beschleunigung der Bildaufnahme finden beispielsweise parallele Bildaufnahmetechniken Anwendung. Mit diesen unter den Namen „Simultaneous Multi-Slice“ (SMS-Bildaufnahmen), „Slice Acceleration“ oder auch „Multiband“ bekannten Technologien werden mehrere Schichten gleichzeitig angeregt und ausgelesen (siehe z.B. Breuer et al. MRM 53:684 (2005), Souza et al. JCAT 12:1026 (1988), Larkman et al. JMRI 13:313 (2001), (MRM = Magnetic Resonance in Medicine, JCAT = Journal of Computer Assisted Tomography, JMRI = Journal of Magnetic Resonance Imaging)). Beispielsweise werden bei einem Beschleunigungsfaktor von 3 jeweils 3 Schichten gleichzeitig angeregt und ausgelesen. Hierdurch reduziert sich die benötigte Repetitionszeit TR (Repetitionszeit TR = Zeit, bis aufeinanderfolgende Pulsfolgen auf die gleiche Schicht angewandt werden) auf 1/3 der benötigten Zeit. Vorteilhaft wird mit diesen Methoden die Messzeit reduziert beziehungsweise die zeitliche Abtastrate erhöht.
Auch bei der Abtastung von selektiv angeregten Subvolumen besteht die Möglichkeit, mit Hilfe einer „Multi-Slab“-Bildgebung simultan mehrere Subvolumen abzutasten, um den Aufnahmevorgang zu beschleunigen. Eine solche Vorgehensweise kann als Zwischenstufe zwischen einer 2D-Mehrschicht-Bildgebung und einer vollständigen 3D-Bildgebung angesehen werden.
Abhängig von der Pulsfolge der zu beschleunigenden Sequenz ist es nicht ohne weiteres möglich, alle Pulse gleichzeitig auf mehrere Schichten anzuwenden, ohne beispielsweise SAR-Schwellwerte (SAR = specific absorption rate = spezifische Absorptionsrate = Maß für die Absorption von elektromagnetischen Feldern in einem Material) oder die verfügbare Spitzenleistung des HF-Verstärkers zu überschreiten. Diese Beschränkung betrifft beispielsweise Anregungspulse, d.h. HF-Pulse, mit denen Spins in einem bestimmten Bereich des Untersuchungsobjekts manipuliert, beispielsweise angeregt oder refokussiert werden,

a) mit hohen Flipwinkeln, wie beispielsweise 180°-Refokussierungspulse der TSE-Sequenz (TSE = Turbo-Spin-Echo), oder
b) mit hoher Bandbreite, wie bei spektral selektiven Anregungen oder schnellen Gradientenecho-Sequenzen.

Bei Anwendungen im Ultrahochfeld-Bereich, beispielsweise 3T und höher, insbesondere 7T und höher, werden sehr leicht physiologische (SAR-Belastung) und/oder technische Grenzwerte (HF-Spitzenleistung) erreicht.
Wird zum Beispiel zunächst eine Bildaufnahme mit einer simultanen Anregung mehrerer Schichten mit einem ersten Flipwinkel α₁ für alle Schichten durchgeführt und anschließend eine weitere simultane Anregung mit einem zweiten Flipwinkel α₂ mit einem anderen Wert für alle Schichten durchgeführt wird, so hat das den Nachteil, dass für die MR-Bildaufnahme mit dem größeren Flipwinkel sowohl die SAR-Belastung als auch die benötigte HF-Spitzenleistung um den Faktor N der Anzahl simultan angeregter Schichten höher ausfallen würde. Aufgrund dieses starken Anstiegs werden bei SMS-Messungen leicht Belastungs- und Leistungsgrenzwerte überschritten.
Eine weitere Problematik bei SMS-Bildaufnahmen betrifft die zeitliche Konsistenz von Bilddaten mit unterschiedlichen Kontrasten. Im Stand der Technik erfahren die Spins in den mehreren simultan angeregten Schichten die gleiche Kontrastevolution. Werden für die Diagnose jedoch Bilder mit unterschiedlichen Kontrastevolutionen benötigt, werden diese herkömmlich in einzelnen Messungen nacheinander aufgenommen. Zwar wird mit simultanen Mehrschichtverfahren die Aufnahmedauer der Einzelmessung reduziert, allerdings vergeht zwischen den Messungen mit unterschiedlichen Kontrasten in der Regel eine Zeitspanne, die bis zu einigen Minuten betragen kann. In diesem Zeitintervall treten meist Veränderungen, insbesondere Bewegungen, im zu untersuchenden Bereich auf. Eine Zuordnung der Bildinformationen zwischen den unterschiedlichen Kontrasten erfordert somit in der Regel aufwändige und fehleranfällige Registrierungsverfahren. Ein ähnliches Problem tritt auch auf, wenn für verschiedene Schichten unterschiedliche Sequenztypen angewandt werden sollen. Auch bei dieser Anwendung werden herkömmlich unterschiedliche Sequenzen zeitlich nacheinander ausgespielt.
Eine Möglichkeit, SAR-Grenzwerte einzuhalten, besteht darin, die erlaubten Beschleunigungsfaktoren und damit die Anzahl der simultan auszulesenden Schichten derart einzuschränken, dass die SAR-Grenzwerte bzw. die verfügbare HF-Spitzenleistung nicht überschritten werden. In manchen Szenarien lassen sich dann jedoch bereits Beschleunigungsfaktoren von 2 nicht mehr realisieren. Alternativ dazu existieren Ansätze, welche beispielsweise die Anregungspulse leicht zeitlich gegeneinander verschieben, um damit eine konstruktive Interferenz der Anregungspulse zu reduzieren. So wird in DE 10 2011 082 010 B4 und später in Auerbach et al. MRM 69:1261 (2013) ein Verfahren zur zeitlichen Verzögerung zwischen der Anwendung von HF-Anregungen einzelner Bänder vorgeschlagen. Dadurch ist die benötigte Spitzenleistung im Vergleich zu unbeschleunigten Pulsen kaum erhöht. Die Anregungspulse der einzelnen Schichten unterscheiden sich bei dieser Anwendung nicht. Es wird somit der identische Puls (mit dem identischen Flipwinkel) an anderer Position etwas zeitversetzt ausgeführt. Letzteres stellt allerdings eine Einschränkung des Verfahrens dar, da beide Schichten zunächst eine etwas unterschiedliche Dephasierung erfahren, der durch geeignete Kompensationsmaßnahmen (z.B. Berücksichtigung bei der Anwendung eines Refokussierungspulses) Rechnung getragen werden muss.
In Norris et al. MRM 66:1234 (2011) wird ein als PINS („Power Independent of Number of Slices“) bezeichneter Ansatz vorgeschlagen, um die SAR-Exposition zu begrenzen. Diesem Ansatz liegt eine Faltung des Anregungspulses mit einer Diracschen Kammfunktion zugrunde. Hierdurch wird eine periodische Wiederholung des Schichtprofils erzielt, wobei jedoch die SAR-Exposition unabhängig von der Anzahl angeregter Schichten ist und im Vergleich zu dem Standard-Ansatz von Simultaneous Multi-Slice deutlich reduziert ist. Ein Nachteil dieser Technik liegt darin begründet, dass das sich wiederholende Anregungsmuster bis ins Unendliche fortgesetzt wird und somit je nach Positionierung des Bildvolumens auch (unerwünschte) weiter entfernte anatomische Strukturen angeregt werden. Außerdem muss bei der praktischen Anwendung dieses Verfahrens mit einer Verlängerung der HF-Pulsdauer gerechnet werden.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein schnelles Magnetresonanzbildgebungsverfahren zu entwickeln, mit dem eine geringere SAR-Belastung erzielt werden kann sowie Bilder mit unterschiedlichen Kontrasten mit höherer Präzision und niedrigerem Nachbearbeitungsaufwand aufgenommen werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1, durch eine Ansteuersequenz gemäß Patentanspruch 11, durch ein Ansteuersequenz-Ermittlungssystem gemäß Patentanspruch 12 und durch ein Magnetresonanzbildgebungssystem gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ansteuerung eines Magnetresonanzbildgebungssystems zur Erzeugung von Magnetresonanzbilddaten eines Untersuchungsobjekts, bei dem Magnetresonanzrohdaten erfasst werden, werden unterschiedliche Transversalmagnetisierungen in einer Mehrzahl von N abzubildenden Teilvolumina angeregt und zur Bildgebung genutzt. Als N abzubildende Teilvolumina können beispielsweise unterschiedliche Schichten oder auch die vorstehend als „Slabs“ bezeichneten Teilvolumen verstanden werden. Dabei liegen diese unterschiedlichen Transversalmagnetisierungen mindestens in einem Zeitabschnitt der Messung simultan vor. Als Transversalmagnetisierung soll in diesem Fall eine Magnetisierung verstanden werden, welche in Transversalrichtung zu dem Grundmagnetfeld ausgerichtet ist. Werden also von mehreren simultan abzubildenden Teilvolumina unterschiedliche Transversalmagnetisierungen ausgelesen, so können beispielsweise zeitgleich Bilder mit unterschiedlichen Kontrasten aufgenommen werden. Eine solche Vorgehensweise bedeutet nicht nur einen Zeitgewinn im Vergleich zur herkömmlichen Vorgehensweise, dadurch kann auch eine aufwändige Nachbearbeitung von unterschiedlichen kontrastierten Bildaufnahmen von bewegten Objekten vermieden werden. Denn die Messdaten zu unterschiedlichen Kontrasten werden im Gegensatz zu herkömmlichen sequentiellen Verfahren simultan erfasst.
Die erfindungsgemäße Ansteuersequenz zur Ansteuerung eines Magnetresonanzbildgebungssystems weist mindestens einen Pulssequenzabschnitt mit einem Anregungsabschnitt auf. Der Anregungsabschnitt umfasst folgende Pulsanordnung: mindestens einen Schichtselektionsgradientenpuls in Schichtselektionsrichtung, mindestens einen HF-Anregungspuls zur Beeinflussung von N simultan abzubildenden Teilvolumina derart, dass sich der Magnetisierungszustand zumindest eines Teils der Mehrzahl von N simultan abzubildenden Teilvolumina beeinflusst durch einen weiteren Bildgebungsparameter, welcher nicht die Selektion der einzelnen Teilvolumina betrifft, unterscheidet. Als die Selektion der einzelnen Teilvolumina betreffender Bildgebungsparameter kann zum Beispiel die Anregungsfrequenz oder die relative Phase, mit der die betreffenden Teilvolumina angeregt werden, verstanden werden. Weiterhin weist die Ansteuersequenz einen Ausleseabschnitt auf, welcher ein Auslesefenster zum Auslesen von HF-Signalen zur Akquisition von Magnetresonanzrohdaten umfasst. Als Schichtselektionsgradient soll ein Magnetfeldgradient verstanden werden, mit dem einzelnen Teilvolumina, beispielsweise Schichten oder „Slabs“, ein in einer Richtung ortsabhängiges Magnetfeld aufgeprägt wird. D.h., unterschiedlichen Schichten werden unterschiedliche Magnetfeldstärken zugeordnet, so dass ein gleichzeitig mit dem Schichtselektionsgradientenpuls ausgestrahlter HF-Anregungspuls nur auf die selektierte Schicht bzw. das selektierte Teilvolumen wirkt.
Als weitere Bildgebungsparameter sollen insbesondere Größen verstanden werden, welche den Bildkontrast der MR-Bildaufnahmen beeinflussen. Der Pulssequenzabschnitt kann auch mehrere Gradientenpulse in Schichtselektionsrichtung umfassen. In diesem Sinn soll die den unbestimmten Artikel verwendende Formulierung nicht einschränkend verstanden werden. Unter einer Pulssequenz soll wie üblich in der Magnetresonanztomographie eine Abfolge von Hochfrequenzpulsen und Magnetfeldgradientenschaltungen unterschiedlicher Stärke und Dauer verstanden werden, mit der ein Kerspinresonanzsignal erzeugt wird. Ein Pulssequenzabschnitt soll ein von der Grundkonzeption her sich mehrfach wiederholender Abschnitt der Pulssequenz verstanden werden, wobei bei jeder Wiederholung Änderungen, beispielsweise bezüglich der Gradientenschaltungen, vorgenommen werden können.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können simultan MR-Bildaufnahmen mit unterschiedlichen Kontrasten aufgenommen werden. Dabei ist implizit sichergestellt, dass die mit den unterschiedlichen Kontrasten aufgenommenen Bilder bestmöglich registriert sind, d.h. konsistent hinsichtlich ihrer räumlichen Information sind.
Außerdem lassen sich durch simultane Aufnahmen mit verschiedenen Bildgebungsparametern aufgrund eines Mittelungseffekts über die unterschiedlichen Bildgebungsparameter niedrigere SAR-Belastungen und niedrigere HF-Spitzenleistungen erzielen als es bei herkömmlichen simultanen Bildgebungsverfahren der Fall ist.
Das erfindungsgemäße Ansteuersequenz-Ermittlungssystem ist dazu ausgebildet, die erfindungsgemäße Ansteuersequenz zu ermitteln.
Das erfindungsgemäße Magnetresonanzbildgebungssystem weist eine Steuereinrichtung auf, welche zur Steuerung des Magnetresonanzbildgebungssystems unter Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist und vorzugsweise das erfindungsgemäße Ansteuersequenz-Ermittlungssystem umfasst.
Die wesentlichen Komponenten der Steuerungseinrichtung des erfindungsgemäßen Magnetresonanzbildgebungssystems können zum überwiegenden Teil in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. Dies betrifft insbesondere das erfindungsgemäße Ansteuersequenz-Ermittlungssystem oder auch andere Teile der Steuereinrichtung des erfindungsgemäßen Magnetresonanzbildgebungssystems. Grundsätzlich können diese Komponenten aber auch zum Teil, insbesondere wenn es um besonders schnelle Berechnungen geht, in Form von softwareunterstützter Hardware, beispielsweise FPGAs oder dergleichen, realisiert sein. Ebenso können die benötigten Schnittstellen, beispielsweise wenn es nur um eine Übernahme von Daten aus anderen Softwarekomponenten geht, als Softwareschnittstellen ausgebildet sein. Sie können aber auch als hardwaremäßig aufgebaute Schnittstellen ausgebildet sein, die durch geeignete Software angesteuert werden.
Insbesondere kann die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung Teil eines Benutzerterminals bzw. einer Steuereinrichtung eines MR-Systems sein.
Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete Steuereinrichtungen auf einfache Weise durch ein Software-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung einer Steuereinrichtung eines Magnetresonanztomographiesystems ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in der Steuereinrichtung ausgeführt wird. Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile wie z. B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten auch Hardware-Komponenten, wie z.B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen.
Zum Transport zur Steuereinrichtung und/oder zur Speicherung an oder in der Steuereinrichtung kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechnereinheit der Steuereinrichtung einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind. Die Rechnereinheit kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen.
Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. Dabei können insbesondere die Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein. Zudem können im Rahmen der Erfindung auch die verschiedenen Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbeispiele und Ansprüche auch zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Ansteuerung des Magnetresonanzbildgebungssystems mindestens ein Pulssequenzabschnitt erzeugt. Der Pulssequenzabschnitt weist einen Anregungsvorgang und einen Auslesevorgang auf. Bei dem Anregungsvorgang wird ein Schichtselektionsgradientenpuls in Schichtselektionsrichtung erzeugt. Wie bereits erwähnt, können auch mehrere Schichtselektionsgradientenpulse ausgespielt werden. Beispielsweise kann jeder Schicht ein eigener Schichtselektionsgradient zugeordnet sein. Es können aber auch gemeinsame Schichtselektionsgradienten für mehrere Schichten ausgespielt werden. Die Schichten können simultan angeregt werden, sie können auch alternativ zeitlich nacheinander angeregt werden.
Ein möglicher Anregungsvorgang kann zum Beispiel derart gestaltet sein, dass ein einziger HF-Puls N Teilvolumina, vorzugsweise N Schichten, simultan anregt. Alternativ können auch mehrere HF-Pulse nacheinander N Teilvolumina, vorzugsweise N Schichten, anregen. Es können aber auch beliebige Mischformen der beiden vorstehend beschriebenen Vorgehensweisen angewandt werden. Dabei kann ein erster HF-Puls K Teilvolumina, vorzugsweise K Schichten, anregen, ein zweiter HF-Puls L Teilvolumina, vorzugsweise L Schichten, anregen und ein dritter HF-Pulse regt M Teilvolumina, vorzugsweise M Schichten, an etc., wobei K + L + M + ... = N ist und K, L, M, N ganze Zahlen sind. In der Einleitung wurde zum Beispiel ein Verfahren zur zeitlichen Verzögerung zwischen der Anwendung von HF-Anregungen einzelner Bänder vorgeschlagen. Beispielsweise kann dieses mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombiniert werden, so dass die SAR-Belastung weiter reduziert wird.
Außerdem werden im Rahmen des Anregungsvorgangs unterschiedliche Transversalmagnetisierungen durch Einstrahlen mindestens eines HF-Anregungspulses zur Beeinflussung von N simultan abzubildenden Teilvolumina, vorzugsweise N simultan abzubildenden Schichten, erzeugt. Dies geschieht derart, dass sich der Magnetisierungszustand der N simultan abzubildenden Teilvolumina beeinflusst durch einen weder die Anregungsfrequenz noch die Anregungsphase betreffenden weiteren Bildgebungsparameter unterscheidet. Bei dem nachfolgenden Auslesevorgang, werden ein oder mehrere gemeinsame Auslese-Gradientenpulse für die N simultan abzubildenden, durch Einstrahlen der HF-Pulse beeinflussten Teilvolumina, erzeugt. Schließlich werden im Rahmen des Ausleseprozesses HF-Signale zur Akquisition von Magnetresonanzrohdaten empfangen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen die weiteren unterschiedlich gewählten Bildgebungsparameter mindestens eine der folgenden Größen:

– Amplitudenwert,
– Amplitudenverlauf,
– Startzeitpunkt und Dauer,
– Anzahl der HF-Pulse,
– Sequenztyp.

Bevorzugt werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung unterschiedlicher Transversalmagnetisierungen nur für einen Teil der simultan anzuregenden N Teilvolumina Refokussierungspulse ausgespielt. Bei einer Anwendung von HF-Refokussierungspulsen nur auf einen Teil der Teilvolumina oder Schichten kann eine Reduktion der SAR-Belastung und der HF-Spitzenleistung erreicht werden, insbesondere dann, wenn simultan ausgelesene Schichten, die nicht mit Refokussierungspulsen belegt werden, zeitlich versetzt zu den Refokussierungspulsen angeregt werden.
In einer besonders praktikablen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mit Hilfe der unterschiedlich gewählten Parameter zumindest für einen Teil der N Teilvolumina, beispielsweise Schichten, Anregungen mit unterschiedlichen Flipwinkeln erzeugt. Wie bereits erwähnt, fallen bei der herkömmlichen simultanen Bildgebung die SAR-Belastung sowie die HF-Spitzenleistung im Vergleich zu einer Einzelschicht-Bildaufnahme mit dem größten Flipwinkel α_max um den Faktor N höher aus, wobei N die Anzahl der simultan ausgelesenen Teilvolumina umfasst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dagegen erhöhen sich diese Belastungen relativ zu der Bildaufnahme mit dem größten Flipwinkel bei M unterschiedlichen Flipwinkeln nur um den Wert N/M·(α₁ + α₂ + ... α_M)/α_max. Bei zwei unterschiedlichen Flipwinkeln ergibt sich somit ein Wert von N/2(α₁ + α₂)/2.
Werden zum Beispiel zwei Bildkontraste mit einem ersten Flipwinkel α₁ = 10° und einem zweiten Flipwinkel α₁ = 60° erzeugt und werden N = 2 Schichten simultan angeregt, so wäre bei einer herkömmlichen Vorgehensweise bei der Messung mit dem größeren Flipwinkel das Untersuchungsobjekt mit der doppelten SAR-Belastung sowie das Magnetresonanzbildgebungssystem mit der doppelten HF-Spitzenleistung beaufschlagt. Dagegen wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bei der Messung mit dem größeren Flipwinkel nur eine im Vergleich zu einer Einzelschichtmessung um den Faktor (10° + 60°)/60° ≈ 1,2 erhöhte Belastung erreicht. Bei der simultanen Bildgebung mehrerer Schichten mit unterschiedlichen Flipwinkeln wird also im Vergleich zur simultanen Bildgebung mit identischen Flipwinkeln eine deutliche Reduktion der SAR-Belastung erzielt.
Besonders bevorzugt werden zumindest für einen Teil der N Teilvolumina, beispielsweise Schichten, Anregungen mit unterschiedlichen Pulssequenzen, vorzugsweise Spin-Echo-Sequenzen und/oder Gradienten-Echo-Sequenzen erzeugt. Es werden also Pulssequenzen mit verschiedenen Sequenztypen gleichzeitig ausgespielt. Eine solche Vorgehensweise kann zum Beispiel einen Zeitvorteil bewirken, da unterschiedliche Kontraste simultan aufgenommen werden können. Ein besonderer Vorteil ergibt sich bei der Anwendung von Spin-Echo-Sequenzen, da sich diese für eine herkömmliche simultane Mehrschichtmessung nicht besonders eignen. Bei Spin-Echo-Sequenzen werden Refokussierungspulse eingesetzt, die sich bei einer gleichzeitigen Anwendung von mehreren Refokussierungspulsen auf benachbarte Teilvolumina konstruktiv überlagern, so dass die SAR-Belastung sowie die HF-Spitzenleistung stark erhöht sind. Wird bei den Simultanmessungen jedoch für simultan abzubildende Teilvolumina ein anderer Sequenztyp ohne Refokussierungspuls verwendet, so kann diese konstruktive Überlagerung vermieden werden.
Eine Reduktion der SAR-Belastung und der HF-Spitzenbelastung kann dadurch erreicht werden, dass der Refokussierungspuls der Spin-Echo-Sequenz sowie ein HF-Anregungspuls der simultan verwendeten Gradienten-Echo-Sequenz nicht genau gleichzeitig, sondern zeitlich etwas versetzt ausgespielt werden, so dass sich der HF-Anregungspuls und der Refokussierungspuls nicht konstruktiv überlagern.
In einer besonders vorteilhaft anzuwendenden Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch Permutation der Zuordnung von Positionen von Teilvolumina, beispielsweise Schichtpositionen, und Bildgebungsparametern erreicht, dass für unterschiedliche Anregungen das gesamte Volumen, beispielsweise der gesamte Schichtstapel, der simultan aufzunehmenden Teilvolumina mit allen zu messenden Bildgebungsparametern bildlich erfasst wird. Auf diese Weise werden für unterschiedliche Bildkontraste alle Teilvolumina eines Gesamtvolumens, beispielsweise alle Schichten eines Schichtstapels, erfasst. Bei einer solchen Vorgehensweise werden die simultan abgebildeten Teilvolumina, beispielsweise Schichtstapel, in mehreren Durchläufen wiederholt abgebildet, wobei die erwähnten Permutationen durchgeführt werden. Hierdurch wird es ermöglicht für jedes abzubildende Teilvolumen jede Konfiguration hinsichtlich der unterschiedlichen Bildgebungsparameter zu berücksichtigen. Beispielsweise können also für jedes Teilvolumen unterschiedliche Kontrastpräparationen, Sequenztypen oder selektive Anregungen durchgeführt werden. Durch dieses Vorgehen werden von einem zu untersuchenden Bereich mehrere Abbildungen mit unterschiedlichen Bildgebungsparametern zeitgleich erzeugt. Dabei erhöht sich vorteilhafter Weise die Messzeit im Vergleich zu einer nicht beschleunigten Einzelschichtmessung, insbesondere bei einer Mehrzahl von Bildaufnahmen eines dynamischen Vorgangs, nur geringfügig aufgrund eines einmalig vorab vorgenommenen Referenzscans. Außerdem entfällt aufgrund der zeitgleichen Bildaufnahme eine bei einer sequentiellen Aufnahme unterschiedlicher Kontraste meist notwendige Ko-Registrierung der Bilddaten oder wird zumindest erheblich vereinfacht.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein MR-Fingerprinting für unterschiedliche, simultan aufgenommene Teilvolumina durchgeführt werden.
Bei dem Fingerprinting, welches beispielsweise in Dan Ma et al. Nature 495:187 (2013) beschrieben ist, wird sukzessiv in sehr schneller Abfolge und mit jeweils unterschiedlichen Flipwinkeln und Repetitionszeiten eine große Anzahl von Rohdaten einer Schicht bzw. mehrerer Schichten aufgenommen. Die bei dem Fingerprinting verwendeten unterschiedlichen Flipwinkel können in einem weiten Bereich von beispielsweise 30° bis 80° liegen. Solche Messungen sind aufgrund der zahlreichen aufzunehmenden Messinformationen sehr zeitaufwändig. Daher bietet sich grundsätzlich eine simultane Mehrschichtaufnahme an. Wird diese wie herkömmlich sequenziell mit unterschiedlichen Flipwinkeln durchgeführt, so ergibt sich die bereits oben beschriebene Problematik, dass sich die SAR-Belastung sowie die HF-Spitzenleistung um den Faktor N der simultan aufzunehmenden Schichten erhöhen. Aus diesem Grund lassen sich bei diesem speziellen Verfahren insbesondere im Ultrahochfeldbereich herkömmliche simultane Mehrschichtmessungen nur mit großen Einschränkungen realisieren. Dagegen kann bei einer erfindungsgemäßen simultanen Anwendung von unterschiedlichen Bildgebungsparametern für unterschiedliche simultan angeregte Schichten eine Art Komplementäreffekt erzielt werden, so dass die SAR-Belastung sowie die HF-Spitzenleistung deutlich geringer als herkömmlich ausfällt.
Zum Beispiel kann durch Wahl einer unterschiedlichen Abfolge von unterschiedlichen Flipwinkeln für jeweils simultan angeregte Schichten erreicht werden, dass die Anregung mit einem großen Flipwinkel in einer Schicht durch die Anregung mit einem kleinen Flipwinkel komplementiert wird. Auf diese Weise kann die SAR-Belastung sowie die HF-Spitzenleistung im Vergleich zu einer herkömmlichen simultanen Mehrschichtmessung reduziert werden.
Die für die Bildrekonstruktion bei dem Fingerprinting notwendigen Nachschlagetabellen müssen an die Verwendung unterschiedlicher Bildgebungsparameter für simultan angeregte Schichten entsprechend angepasst werden.
Alternativ kann auch unter Verwendung eines Binomialpulses für einen Teil der N anzuregenden Teilvolumina, vorzugsweise Schichten, ein Teil der Teilvolumina chemisch selektiv angeregt werden oder es können unter Verwendung von mehreren unterschiedlichen Binomialpulsen verschiedene Gruppen der N Teilvolumina unterschiedlich chemisch selektiv angeregt werden.
In einer speziellen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für einen Teil der N anzuregenden Teilvolumina, vorzugsweise Schichten, eine Kontrastpräparation durchgeführt oder es werden unterschiedliche Kontrastpräparationen für verschiedene Gruppen der N Teilvolumina durchgeführt. Kontrastpräparationen werden zum Beispiel zur Unterdrückung von bei der Bildgebung störenden Materialanteilen eines zu untersuchenden Bereichs eingesetzt. Ein wichtiges Beispiel sind Fettsättigungen, bei denen vermieden wird, dass während der Bildgebung Signale von Fettmolekülen die Bildgebung anderer Strukturen beeinträchtigen. Ein weiteres Beispiel sind Inversionspräparationen, mit denen sich Materialanteile mit spezifischen T1-Relaxationszeiten unterdrücken lassen. Beispielsweise lassen sich so Signalanteile von Flüssigkeiten oder auch wieder von Fettmolekülen reduzieren. Ein anderes Beispiel ist die T2-Präparation, bei der eine intrinsische Erhöhung des Kontrasts zwischen dem abzubildenden Objekt und dessen Umgebung erreicht wird. Mit dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens können also nicht nur simultan mehrere Bildaufnahmen mit unterschiedlichen Kontrasteigenschaften erzeugt werden, die einzelnen Bildaufnahmen können auch noch zum Zweck der Kontrastoptimierung mit individuellen Präparationen versehen werden. Somit wird ein besonders anpassungsfähiges und zeitsparendes Bildaufnahmeverfahren mit hoher Bildqualität erreicht.
Bei einer Variante, bei der eine Permutation der simultanen Abbildung von Teilvolumina, insbesondere Schichten, und der dabei verwendeten Bildgebungsparameter bzw. gewünschten Zielkontraste durchgeführt wird, kann zumindest für einen Teil der Zielkontraste, d.h. einen Teil der unterschiedlichen Transversalmagnetisierungen, eine Referenzmessung durchgeführt werden. Anschließend erfolgt eine Berechnung von Faltungsmatrizen durch eine permutierte Kombination der einzelnen Referenzmessungen, wobei eine Anpassung der Berechnung der Faltungsmatrizen dahingehend erreicht wird, dass zumindest für einen Teil der Permutationen der Zielkontraste oder der Reihenfolge von Teilvolumina spezifische Faltungskerne bzw. Faltungsmatrizen berechnet werden. Die Berechnung von Faltungskernen dient dazu, für die Auswertung der Messdaten der eigentlichen Bildaufnahme eine Datenbasis zu erhalten, mit der eine Trennung von simultan aufgenommenen Messdaten und deren Zuordnung zu unterschiedlichen Teilvolumina, insbesondere Schichten, und Kontrasten durchgeführt werden kann, so dass letztendlich auf Basis einer SMS-Messung eine Mehrzahl von separaten Bilddarstellungen mit unterschiedlichen Kontrasteigenschaften erzeugt werden können.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer simultanen Mehrschicht-Bildakquisition,
2 den zeitlichen Verlauf einer SMS-Pulssequenz gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 die Berechnung von Faltungskernen im Rahmen einer Referenzmessung,
4 die Anwendung der in 3 veranschaulichten Faltungskerne zur Trennung zeitgleich gemessener k-Raum-Rohdaten,
5 ein Pulssequenz-Diagramm zur Veranschaulichung einer SMS-Pulssequenz gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6 ein Pulssequenz-Diagramm zur Veranschaulichung einer SMS-Pulssequenz gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
7 ein Pulssequenz-Diagramm zur Veranschaulichung einer SMS-Pulssequenz gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
8 ein Pulssequenz-Diagramm zur Veranschaulichung einer SMS-Pulssequenz gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
9 ein Pulssequenz-Diagramm zur Veranschaulichung einer SMS-Pulssequenz gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
10 ein Pulssequenz-Diagramm zur Veranschaulichung einer SMS-Pulssequenz gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
11 ein Pulssequenz-Diagramm zur Veranschaulichung einer SMS-Pulssequenz gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
12 ein Flussdiagramm, mit dem ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht wird, und
13 eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage.
In 1 sind drei Teilschaubilder zur Veranschaulichung eines Akquisitionsschemas für eine simultane Mehrschicht-Bildgebung (SMS) gezeigt. In einer linken Teilabbildung ist ein Akquisitionsschema für ein MR-Magnetresonanzbildgebungsverfahren mit Einzelschichtaufnahme gezeigt. Dabei wird eine unbeschleunigte Messung mit 6 verschachtelt aufgenommenen Schichten dargestellt. Dafür sind für den Fall einer Echoplanar-Bildgebung 6 Schicht-Anregungen und 6 Auslesezyklen erforderlich. Am linken Rand des linken Teilschaubilds ist ein Schichtindex SI einer jeweiligen Schicht angegeben. Der Schichtindex SI läuft in diesem Fall von 0 bis 5. Am rechten Rand des linken Teilschaubilds sind Akquisitionsindizes AI angegeben. Diese zeigen an, in welcher Reihenfolge welche Schicht angeregt und ausgelesen wird. Bei dem linken Teilschaubild erfolgt eine verschachtelte Anregung von Einzelschichten. D.h., es werden die Schichten in der Reihenfolge 1, 3, 5, 0, 2, 4 angeregt und ausgelesen.
In einer mittleren Bilddarstellung werden ebenfalls 6 Schichten aufgenommen, jedoch mit einem beschleunigten SMS-Bildgebungsverfahren mit dem Beschleunigungsfaktor 2. D.h., es werden gleichzeitig immer 2 Schichten angeregt und auch ausgelesen. Somit sind bei diesem Bildgebungsverfahren für die Akquisition lediglich 3 Anregungs- und Auslesezyklen erforderlich. Dies ist auch mit den am rechten Rand dargestellten Akquisitionsindizes AI angedeutet, die in diesem Fall nur von 0 bis 2 laufen. In einem ersten Anregungs- und Auslesezyklus werden die Schichten 1 und 4 aufgenommen, in einem zweiten Zyklus die Schichten 0 und 3 und in einem dritten Zyklus die Schichten 2 und 5.
Ein rechtes Teilschaubild zeigt eine Bildaufnahme von 21 Schichten mit Hilfe eines beschleunigten SMS-Bildgebungsverfahrens mit dem Beschleunigungsfaktor 3. D.h., es werden gleichzeitig immer 3 Schichten angeregt und auch ausgelesen. Somit sind bei diesem Bildgebungsverfahren für die Akquisition lediglich 7 Anregungs- und Auslesezyklen erforderlich. Dies ist auch mit den am rechten Rand dargestellten Akquisitionsindizes AI angezeigt, die in diesem Fall nur von 0 bis 6 laufen. Die simultan ausgelesenen Schichten gehören jeweils einer der Schichtgruppen SG1, SG2, SG3 an. D.h., es wird simultan aus jeder der drei Schichtgruppen SG1, SG2, SG3 eine Schicht ausgelesen. In einem ersten Anregungs- und Auslesezyklus werden die Schichten 0, 7 und 14 aufgenommen, in einem zweiten Zyklus die Schichten 2, 9 und 16 und in einem dritten Zyklus die Schicht 4, 11 und 18. In einem vierten Anregungs- und Auslesezyklus werden die Schichten 6, 13 und 20 aufgenommen, in einem fünften Zyklus die Schichten 1, 8 und 15 und in einem sechsten Zyklus die Schichten 3, 10 und 17. Schließlich werden in einem siebten Zyklus noch die verbleibenden Schichten 5, 12 und 19 aufgenommen.
In 2 ist der zeitliche Verlauf einer SMS-Pulssequenz gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Zahl der simultan angeregten und ausgelesenen Schichten auf 2 beschränkt. Dies dient jedoch nur der besseren Veranschaulichung. Selbstverständlich können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch mehr als zwei Schichten gleichzeitig angeregt und ausgelesen werden. Außerdem erfolgt bei einer Abtastung eines zu untersuchenden Bereichs eine Wiederholung einer Anregung mit der gezeigten Pulssequenz, wobei sich jedoch die Parameter der Anregungspulse und Gradienten ändern. Diese Wiederholung ist in 2 der Einfachheit halber nicht gezeigt.
In 2 ist in der ersten Zeile HF1 ein erster HF-Anregungspuls HF1a mit einem Frequenzoffset ω₁ und einem Flipwinkel α₁ gezeigt. In der zweiten Zeile HF2 ist ein zweiter HF-Anregungspuls HF2a mit einem sich von dem Frequenzoffset ω₁ des ersten HF-Anregungspulses HF1a unterscheidenden Frequenzoffset ω₂ und einem sich von dem Flipwinkel α₁ unterscheidenden Flipwinkel α₂ gezeigt. Mit dem zweiten HF-Anregungspuls HF2a wird simultan zu dem ersten HF-Anregungspuls HF1a eine andere Schicht angeregt als mit dem ersten HF-Anregungspuls HF1a. In der dritten Zeile Gs ist ein Schichtselektionsgradient Gs1 (gefolgt von einem weiteren Gradienten Gs2) gezeigt. Die Frequenzoffsets ω₁, ω₂ der HF-Anregungspulse HF1a, HF2a bestimmen zusammen mit der Amplitude des Schichtselektionsgradienten GS1 die Position der angeregten Schichten. In der vierten Zeile Gr sind zwei Frequenzkodiergradienten Gr1, Gr2 zu erkennen und in der fünften Zeile Gp ist ein Phasenkodiergradient Gp1 dargestellt. Mit Hilfe der Frequenzkodiergradienten Gr1, Gr2 und des Phasenkodiergradienten Gp1 erfolgt eine Abtastung des k-Raums für die mit dem Schichtselektionsgradient Gs1 ausgewählten beiden Schichten. Die Trennung der akquirierten Rohdaten bzw. rekonstruierten Bilddaten der beiden Schichten wird anschließend in einem Auswertungsschritt auf Basis der räumlichen Sensitivitätsprofile der Empfangsspulen, zum Beispiel mit dem grundsätzlich bekannten GRAPPA-Verfahren oder dem SENSE-Verfahren durchgeführt. Anschließend erfolgt (für den Fall des GRAPPA-Verfahrens) noch eine Bildrekonstruktion der separierten Rohdaten auf die bereits in der Einleitung beschriebene Art und Weise.
Indem für die beiden Schichten Spins mit unterschiedlichen Flip-Winkeln angeregt werden, werden simultan zwei Bilder mit unterschiedlichen Kontrasteigenschaften aufgenommen. Der Zusammenhang zwischen der Anregung der Flipwinkel α_i und der Bildintensität S sowie weiteren Parametern wie der Echozeit TE und der Repetitionszeit TR ergibt sich im Fall des Gradientenechos bei gegebenen Materialparametern, d.h. der Longitudinalrelaxation T1, der Transversalrelaxation T2(*) und der Protonendichte PD, zu:
Bei der Anregung mit unterschiedlichen Flipwinkeln α_i haben unterschiedliche Schichten also unterschiedliche Bildintensitätswerte S und damit auch unterschiedlich Kontrastwerte. Somit ist es möglich, von einem abzubildenden Bereich eines zu untersuchenden Objekts gleichzeitig zwei Bilder mit unterschiedlichen Kontrasten aufzunehmen. Im Vergleich zu einer Aufnahme von Bildern mit unterschiedlichen Kontrasten nacheinander wird eine kürzere Gesamtaufnahmezeit erreicht. Zudem entfällt insbesondere bei bewegtem Objekt eine zusätzliche Registrierung der Bilder mit unterschiedlichem Kontrast, denn die simultan aufgenommenen Bilder mit unterschiedlichem Kontrast sind bestmöglich konsistent hinsichtlich ihrer räumlichen Informationen, da sie ja gleichzeitig aufgenommen wurden. Durch die Permutation von Schichtpositionen und Flipwinkeln α_i wird zudem erreicht, dass für beide gewünschten Kontraste der gesamte Schichtstapel aufgenommen wird.
Das in der 2 veranschaulichte Verfahren erfordert bei dem Schritt der Separation der Bilddaten unter Umständen eine zusätzliche Anpassung. Es kann nämlich erforderlich sein, die Trennung der gleichzeitig gemessenen Schichtinformationen an unterschiedliche Bildgebungsparameter anzupassen. Dieser Sachverhalt ist in 3 und 4 veranschaulicht.
Die Trennung gleichzeitig gemessener Schichten kann zum Beispiel wie von Stäb et al. MRM 65:157 (2011) vorgeschlagen durchgeführt werden. Das vorgeschlagene Verfahren beinhaltet, die von Griswold et al. MRM (2002) beschriebene GRAPPA-Technik zur Trennung gleichzeitig angeregter Schichten anzuwenden, welche mit der CAIPIRINHA-Technik von Breuer et al. MRM 53:684–691 (2005) gegeneinander verschobenen sind. Hierzu wird im Rahmen eines Referenzscans (vor Durchführung der bildgebenden Pulssequenz) das darzustellende Volumen gemessen. Dabei wird zum Beispiel ein vollständiges Volumen mit identischen Protokollparametern ohne Anwendung der SMS-Beschleunigung sequentiell gemessen. Aus diesen Referenzdaten wird künstlich das Signal erzeugt, welches bei gleichzeitiger Anregung mehrerer Schichten zu erwarten wäre.
Die Protokollparameter müssen allerdings nicht identisch sein. Ganz im Gegenteil können geeignete Sequenzen gewählt werden, die sich schnell akquirieren lassen und vorteilhafte Eigenschaften aufweisen (z.B. robust gegen Bewegung sind). Diese Vorgehensweise wird in Bhat et al., ISMRM 22 (2014) beschrieben (ISMRM = International Society for Magnetic Resonance in Medicine).
In 3 bezeichnet „Ch n, S0“ gemessene Frequenzdaten des nten Spulenelementes aus der Schicht S0 der sequentiellen Messung. Diese Bildinformation (Rohdaten im k-Raum) wird in einer Faltungsmatrix (M0 + M1) kombiniert, welche die gleichzeitig gemessenen Daten repräsentiert. Nachfolgend gilt es für jede zu trennende Schicht j einen Faltungskern K_i,j zu bestimmen, der in der Lage ist die Bildinformation I_i,j (Rohdaten) des i-ten Spulenelementes aus der Faltungsmatrix (M0 + M1) zu extrahieren. Wie in 3 zu erkennen ist, werden zum Beispiel sequentiell von der Spule 0 gemessene Rohdaten der Schichten S0 und der Schicht S1 gemessen, zu den Faltungsmatrizen M0 und M1 phasenverschoben und kombiniert und diese Kombination M0 + M1 mit den sequentiell von den Schichten S0 und S1 gemessenen Rohdaten I_0,0 (I_0,0 nicht gezeigt) und I_0,1 verglichen. Daraus ergeben sich die Faltungskerne K_0,0 (K_0,0 nicht gezeigt) bzw. K_0,1.
Es werden also Rohdaten von mehreren Einzelschichten aufgenommen und ein kombiniertes Signal generiert, welches dem gemessenen Signal einer beschleunigten Messung entspricht. Dann werden mit Hilfe der erhaltenen generierten Mehrschichtdaten sowie der durch die sequentiellen Messungen bekannten Bildinformation I_i,j Faltungskerne K_i,j berechnet, welche auf die beschleunigte Bildaufnahme angewandt werden können, um die gemessenen Rohdaten nach Schichten und Spulen wieder zu trennen.
Anders ausgedrückt, werden im Rahmen der Bildakquisition durch die SMS-beschleunigte MR-Sequenz die so bestimmten Faltungskerne K_i,j eingesetzt, um die gleichzeitig gemessene Information in die den einzelnen Schichten zugeordnete Information zu zerlegen. Dieser Vorgang ist in 4 veranschaulicht. Um einen Datenpunkt in der Rohdatenschicht S0 des Spulenelementes Ch0 zu berechnen, werden die gemessenen Rohdaten der simultan gemessenen Schichten S0 + S1 aller Spulenelemente 0 bis N mit den jeweils zugehörigen Kerneln K_i,j gewichtet (wobei i = 0, ... Anzahl der Spulenelemente, j = 0, 1, ... Anzahl der simultan ausgelesenen Schichten).
Das in 2 veranschaulichte Verfahren erfordert unter Umständen eine Anpassung der Berechnung dieser Faltungskerne.
So ist es denkbar, dass für Permutationen der Bildgebungsparameter (z.B. Flipwinkel) und Schichtreihenfolge spezifische Faltungskerne berechnet werden müssen. Wird zum Beispiel eine Schicht S1 mit Bildgebungsparametern P1 gemessen und eine Schicht S2 mit Parametern P2, so kann ein gesonderter Kern im Vergleich zur Akquisition der Schicht S1 mit Parametern P2 und zur Akquisition der Schicht S2 mit Parametern P1 notwendig sein. Für höhere Beschleunigungsfaktoren ist dieses Konzept analog für alle Permutationen an Bildgebungsparametern zu erweitern. Die Notwendigkeit spezifischer Faltungskerne richtet sich jedoch nach der Unterscheidung des Bildinhaltes und kann nicht universell beantwortet werden, sondern ist spezifisch für jede Anwendung zu prüfen. Im Idealfall können Faltungskerne symmetrisch, d.h. für alle Schicht-Kontrast-Permutationen gemeinsam, verwendet werden, so dass keine zusätzlichen Referenzdaten aufgenommen werden müssen. Zwar bringt eine solche Referenzmessung einen gewissen Zeitaufwand mit sich, werden jedoch insbesondere Zeitserien von Bilddaten mit SMS-Technik aufgenommen, so übertrifft der bei der eigentlichen simultanen Bildaufnahme resultierende Zeitvorteil den anfänglich investierten Zeitaufwand bei Weitem.
Die Referenzdaten können auch mit einer dedizierten, schnellen Messung mit gegebenenfalls abweichendem Kontrast aufgenommen werden. Wie bereits erwähnt, müssen die Protokollparameter nicht identisch sein. Ganz im Gegenteil können geeignete Sequenzen gewählt werden, die sich schnell akquirieren lassen und vorteilhafte Eigenschaften aufweisen (z.B. robust gegen Bewegung sind). Diese Vorgehensweise wird in Bhat et al., ISMRM 22 (2014) beschrieben (ISMRM = International Society for Magnetic Resonance in Medicine).
In 5 ist ein Pulssequenz-Diagramm zur Veranschaulichung einer SMS-Pulssequenz gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel werden im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel für unterschiedliche simultan angeregte Schichten Pulssequenzen mit unterschiedlichem Sequenztyp verwendet. Es erfolgt also simultan eine Akquisition einer ersten Schicht mit einer ersten Pulssequenz, beispielsweise mit einer Spin-Echo-Sequenz, und die Akquisition einer zweiten Schicht mit einer zweiten Sequenz, in dem konkret gezeigten Fall eine Gradienten-Echo-Sequenz. Hierzu wird eine erste Schicht durch einen ersten Anregungspuls HF1a mit einem ersten Flipwinkel α₁ und einem Frequenz-Offset ω₁ angeregt. Teil der Spin-Echo-Sequenz, mit der die erste Schicht angeregt wird, ist auch ein Refokussierungspuls HF1b mit einem Flipwinkel β₁ und demselben Frequenzoffset ω₁ wie dem des ersten Anregungspulses HF1a. Der Frequenzoffset des Refokussierungspulses HF1b muss nur dann gleich dem des ersten Anregungspulses HF1a sein, wenn auch die Amplituden des jeweils zugeordneten Schichtselektionsgradienten gleich sind. Im Allgemeinen können die zugehörigen Schichtselektionsgradienten unterschiedliche Amplituden haben und damit auch die Frequenzen des ersten Anregungspulses HF1a und des Refokussierungspulses HF1b unterschiedlich sein. Mit dem Refokussierungspuls HF1b wird eine Refokussierung der in der ersten Schicht mit Hilfe des ersten Anregungspulses HF1a angeregten Spins durchgeführt. Weiterhin wird im Rahmen des simultanen Bildgebungsverfahrens eine zweite Schicht mit einem zweiten Anregungspuls HF2a mit einem Flipwinkel α₂ und einem Frequenzoffset ω₂ angeregt, welche sich jeweils von dem Flipwinkel α₁ bzw. dem Frequenzoffset ω₁ des auf die erste Schicht angewandten Anregungspulses HF1a und Refokussierungspulses HF1b unterscheiden. Zur Schichtselektion wird ein Schichtselektionsgradient Gs1 gleichzeitig mit dem ersten Anregungspuls HF1a ausgespielt. Zusätzlich werden in z-Richtung ein Schichtselektionsgradient Gs2 und anschließend ein Rephasierungsgradient Gs3 eingespielt. Der Gradient Gs2 dient sowohl als Schichtselektionsgradient des Refokussierungspulses HF1b der Spin-Echo-Sequenz als auch als Schichtselektionsgradient des Anregungspulses HF2a der Gradienten-Echo-Sequenz. Mit Hilfe der Gradienten Gr1, Gr2 und Gp1 erfolgt dann wie bei dem Bildgebungsverfahren in 2 ein Abtasten des k-Raums für die beiden simultan abzubildenden Schichten.
Bei dieser Kombination simultan angeregter Spin- und Gradientenechos gilt es, die für beide Schichten wirksamen Gradientenpulse sorgfältig einzustellen. Für beide Echopfade müssen die folgenden beiden Bedingungen gelten:

– Es muss (bei Phasenkodierung der zentralen Zeile, d.h. Gp1 = 0), das effektive Gradientenmoment zum Echozeitpunkt (Mitte von Gr2) verschwinden.
– Gleichzeitig muss für den Spin-Echo-Pfad vor Anwendung des Refokussierungspulses HF1b ein von Null verschiedenes Gradientenmoment vorhanden sein.

Erreicht wird dies beispielsweise mit der in 5 dargestellten Abfolge. Dabei wirken alle Gradienten bis zur Mitte des zweiten Anregungspulses HF2a nur auf den Spin-Echo-Pfad und alle späteren Gradienten in gleicher Weise auf beide Echo-Pfade.
Auslese- und Phasenkodierungsgradienten werden in diesem Beispiel ausschließlich nach dem zweiten Anregungspuls HF2a appliziert und wirken darum auf beide Echo-Pfade. Die Gradientenpulse Gs1, Gs2, Gs3 entlang der Schichtachse werden so angewandt, dass die zuvor genannten Bedingungen erfüllt werden. Der Gradientenecho-Pfad erfährt lediglich die Schichtgradientenpulse Gs2 (ab Mitte Anregungspuls HF2a) und Gs3. Gs3 ist in Amplitude und Dauer gerade so gewählt, dass der relevante Anteil von Gs2 für den Gradientenechopfad kompensiert wird.
Würde man den Refokussierungspuls HF1b des Spin-Echos (Zeile HF1) zeitgleich mit dem Anregungspuls HF2a der Gradientenecho-Sequenz (Zeile HF2) anwenden, müsste das effektive Schicht-Gradientenmoment nach Mitte des Refokussierungspulses HF1b gleich null gewählt werden. Entsprechend müsste man auch vor dem Refokussierungspuls HF1b ein Schicht-Moment von null einstellen, was aber der zweiten genannten Bedingung, die gerade fordert, dass vor Anwendung des Refokussierungspulses HF1b ein von Null verschiedenes Gradientenmoment vorhanden ist, widerspräche. Aus diesem Grund wird der Refokussierungspuls HF1b zeitversetzt appliziert, was gleichzeitig hinsichtlich der notwendigen HF-Spitzenleistung einen weiteren Vorteil darstellt. Beispielsweise kann der Refokussierungspuls HF1b zeitlich gerade so weit nach vorn verschoben werden, dass gilt:
Dabei ist T(HF1a, α₁) die Zeitdauer des ersten Anregungspulses HF1a, gibt Tshift die Verschiebungszeit an, mit der der der Refokussierungspuls HF1b relativ zu dem zweiten Anregungspuls HF2a verschoben ist, und ist T(Gs3) die Zeitdauer des dritten Gradienten Gs3 in Schichtrichtung.
Größere Verschiebungen lassen sich realisieren, indem beispielsweise gleichzeitig der erste Gradient Gs1 in Schichtrichtung über die Dauer des ersten Anregungspulses HF1a hinaus verlängert wird oder gleichzeitig der zweite Gradient Gs2 in Schichtrichtung bereits vor Beginn des Refokussierungspulses HF1b beginnt.
Neben der zeitgleichen Akquisition verschiedener Kontraste ist ein weiterer zentraler Vorteil darin zu erkennen, dass die vorgeschlagene Technik für Spin-Echo-Sequenzen angewandt werden kann, für die eine Beschleunigung durch Simultaneous Multi-Slice nur sehr eingeschränkt möglich ist. Der hierbei maßgeblich limitierende Faktor ist die zeitgleiche Durchführung des 180°-Pulses (HF-Refokussierungspulses) auf eine Mehrzahl an Schichten zur Erzeugung des Spin-Echos. Ursächlich hierfür ist eine Überschreitung des zulässigen Höchstwertes für den SAR-Eintrag durch konstruktive Überlagerung der 180°-Pulse. Durch die im Zusammenhang mit der 5 beschriebene Vorgehensweise, bei der eine zeitlich versetzte Einspielung des Anregungspulses der Gradienten-Echo-Sequenz und des 180°-Pulses, d.h. des HF-Refokussierungspulses der Spin-Echo-Sequenz vorgenommen wird, wird genau diese Problematik umgangen, da eine gleichzeitige Refokussierung der Magnetisierung benachbarter Schichten vermieden wird.
In 6 ist ein Pulssequenz-Diagramm zur Veranschaulichung einer SMS-Pulssequenz mit einer Sequenzkombination gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei gleichzeitig in einer ersten Schicht (Schicht 1, entspricht Zeile HF1) ein Turbo-Spin-Echo und in einer zweiten Schicht (Schicht 2, entspricht Zeile HF2) ein Gradientenecho aufgenommen wird. Auslese- und Phasenkodierungsgradienten Gr1, Gr2, Gp1 sind dabei für beide Signalpfade identisch, die Bilder sind also implizit aufeinander registriert. Bis zur Aufnahme des ersten Echos entspricht dies der vorhergehenden Darstellung in 5. Die Auslesegradienten Gr1, Gr2 und der Phasenkodierungsgradient Gp1 werden nach der ersten Datenaufnahme durch die Gradienten Gr3 und Gp2 rephasiert. Vor jedem weiteren Refokussierungspuls HF1c muss ein zusätzlicher Gradient Gs4 mit dem Moment Gs1·T(HF1, α₁)/2 appliziert werden, um dem zusätzlichen Schicht-Gradientenmoment durch Pulsverschiebung und Rephasierungsgradient Rechnung zu tragen. Anschließend erfolgt ein erneutes Auslösen eines Gradientenechos mit Hilfe eines zweiten Refokussierungspulses HF1c und eines zeitlich leicht versetzten HF-Anregungspulses HF2b und damit zeitlich abgestimmten Gradientenpulsen Gs3, Gs5 in Schichtrichtung. Der Phasenkodierungs- und Auslesevorgang der zweiten Echosignale erfolgt nun mit Hilfe der Gradienten Gr4, Gr5, Gp3. Nach der zweiten Datenaufnahme werden die Auslesegradienten Gr4, Gr5 und der Phasenkodierungsgradient Gp3 durch die Gradienten Gr6 und Gp4 rephasiert.
Das Diagramm in 7 zeigt eine Anwendung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel zur zeitgleichen Akquisition einer Diffusions-Sequenz, in dem konkret gezeigten Fall eine echoplanare Spin-Echo-Sequenz, und einer funktionellen Bildgebungssequenz, in diesem Fall eine echoplanare Gradienten-Echo-Sequenz, welche bei der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI = functional magnetic resonance imaging) eingesetzt wird. Mit der funktionellen Magnetresonanztomographie ist es möglich, Durchblutungsänderungen von Hirnarealen sichtbar zu machen, die auf Stoffwechselvorgänge zurückgeführt werden, welche mit neuronaler Aktivität im Zusammenhang stehen. Bei diesem Verfahren nutzt man die unterschiedlichen Eigenschaften von oxygeniertem und desoxygeniertem Blut. Diese unterschiedlichen Eigenschaften werden auch als BOLD-Kontrast bezeichnet.
Die Anwendung der in 7 gezeigten Pulssequenz hat neben der deutlichen Reduzierung der Messzeit den entscheidenden Vorteil, dass die durch die funktionelle Magnetresonanztomographie detektierte Hirnaktivität bei zeitgleicher Akquisition des Diffusions-Kontrasts mit diesem deckungsgleich ist. Eine aufwändige und fehleranfällige Ko-Registrierung ist somit vermeidbar bzw. wird stark vereinfacht. Wie bei der in 6 veranschaulichten dritten Ausführungsform müssen auch bei der in 7 gezeigten vierten Ausführungsform die Gradienten in Schichtrichtung Gs1, Gs2, Gs3, Gs4, Gs5 so angeordnet werden, dass die beiden im Zusammenhang mit dem zweiten Ausführungsbeispiel diskutierten Bedingungen erfüllt sind. Während es sich bei dem Gradienten Gs1 um einen Schichtselektionsgradienten handelt, sind die beiden Gradienten Gs2 und Gs3 Diffusionskodierungsgradienten. Diese müssen nicht zwingend in Schichtrichtung appliziert werden. Beispielsweise können während der Messung nacheinander Diffusionsgradienten mit unterschiedlichen Richtungen und Amplituden ausgespielt werden, um Informationen über die Amplitude und die Richtung der Beweglichkeit der Moleküle im abzubildenden Bereich zu erhalten. Die Diffusionsgradienten müssen auch nicht zwingend unmittelbar nacheinander appliziert werden, wie es in 7 gezeigt ist, sondern sie können auch einen zeitlichen Abstand aufweisen. Es können auch mehr als zwei Diffusionsgradienten ausgespielt werden, sofern sich in Summe ein verschwindendes Gradientenmoment ergibt.
7 zeigt ein Beispiel, bei dem Diffusions-Kodierungsgradienten Gs2, Gs3 nur vor dem Refokussierungspuls HF1b appliziert werden. Wenn der Spin-Echo-Refokussierungspuls HF1b und der Gradientenecho-Anregungspuls HF2a zeitlich vollständig getrennt sind (vgl. Ausführung zur Verlängerung von T_shift oben), können Diffusionsgradienten aber auch auf die Zeiten vor und nach dem Refokussierungspuls verteilt werden. Die für die beiden Echoplanarsequenzen gemeinsam verwendeten Frequenzkodiergradienten Gr1 und Phasenkodiergradienten Gp1 ermöglichen das Auslesen einer Mehrzahl von Echosignalen nach einer einzigen bzw. in diesem Fall zwei simultanen Anregungen.
In 8 ist ein Pulssequenz-Diagramm zur Veranschaulichung einer SMS-Pulssequenz gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Dabei wird eine der beiden Schichten beispielsweise durch Verwendung eines Binomialpulses chemisch selektiv angeregt. Unter einem Binomialpuls ist eine Pulsfolge mehrerer Teilanregungspulse HF1a, HF1b, HF1c zu verstehen. Die Bezeichnung leitet sich aus dem Amplitudenverhältnis der Einzelpulse ab. Beispielsweise sind Amplitudenverhältnisse 1-1, 1-2-1 oder 1-3-3-1 entsprechend den Binomialkoeffizienten möglich. Bei einer solchen Anregung wird zunächst ein erster HF-Teilanregungspuls HF1a mit einem ersten Flipwinkel α₁ und einem ersten Frequenzoffset ω₁ für eine erste Schicht (siehe Zeile 1, mit HF1 gekennzeichnet) ausgespielt. Anschließend wird mit einem zweiten HF-Teilanregungspuls HF1b mit dem doppelten Flipwinkel 2α₁ und dem gleichen Frequenzoffset ω₁ die sich zwischenzeitlich in Abhängigkeit von der chemischen Verschiebung entwickelte Magnetisierung in dieser Schicht weiter angeregt. Nach einer weiteren Entwicklungszeit wird ein dritter HF-Teilanregungspuls HF1c mit dem Flipwinkel α₁ und dem ersten Frequenzoffset ω₁ für die erste Schicht ausgespielt. Simultan zu den jeweiligen HF-Pulsen HF1a, HF1b, HF1c werden auch Gradientenpulse Gs1, Gs2, Gs3 in Schichtrichtung ausgespielt, mit denen ein anzuregender Schichtstapel selektiert wird. Simultan mit dem dritten HF-Teilanregungspuls HF1c für die erste Schicht wird auch ein HF-Anregungspuls HF2a mit einem zweiten Flipwinkel α₂ und einem zweiten Frequenzoffset ω₂ für die zweite Schicht ausgespielt. Die zweite Schicht (siehe zweite Zeile HF2) wird mit einer Gradienten-Echo-Sequenz angeregt. Dabei wird der bereits für die Schichtselektion des dritten HF-Teilanregungspulses HF1c der ersten Schicht verwendete dritte Schichtselektionsgradient Gs3 auch für die Schichtselektion des HF-Anregungspulses HF2a der zweiten Schicht verwendet. Überdies wird ein vierter Gradient Gs4 in Schichtrichtung anschließend für die Rephasierung der Magnetisierung in beiden Schichten ausgespielt. Die Anregung der Spins der unterschiedlichen Moleküle wird zwischen den Teilanregungspulsen kurz unterbrochen, um eine gewünschte Phasenevolution der mit einer anderen Frequenz präzedierenden zweiten Spin-Spezies zu erlauben. Da unterschiedliche Bindungszustände der Protonen in unterschiedlichen Molekülen vorliegen, weisen die Protonen in unterschiedlichen Molekülen unterschiedliche Präzessionsfrequenzen auf und können somit mit HF-Anregungspulsen mit unterschiedlichen Frequenzoffsets ω₁, ω₂ selektiv angeregt werden. Die Phasenkodierung sowie der Auslesevorgang erfolgen wie üblich mit Hilfe der Gradienten Gp1, Gr1, Gr2.
In 9 ist ein Pulssequenz-Diagramm zur Veranschaulichung einer SMS-Pulssequenz gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Dabei werden im Unterschied zu dem in 8 gezeigten fünften Ausführungsbeispiel bei dem sechsten Ausführungsbeispiel in beiden Schichten unterschiedliche Spin-Spezies chemisch selektiv angeregt. Bei Verwendung von Binomialpulsen gelingt dies beispielsweise durch Invertierung der Phase jedes zweiten HF-Teilanregungspulses HF2b. Für den speziellen Fall, dass in einer Schicht Wasserstoffkerne der Fettmoleküle mit angeregt werden und in der anderen Schicht Wasserstoffkerne der Wassermoleküle angeregt werden, findet hierbei in der Schicht mit Anregung der Kerne der fettgebundenen Wasserstoffatome keine Vorsättigung des wassergebundenen Anteils statt. Bei einer solchen Anregung wird zunächst ein erster HF-Teilanregungspuls HF1a mit einem ersten Flipwinkel α₁ und einem ersten Frequenzoffset ω₁, für eine erste Schicht (siehe Zeile 1, mit HF1 gekennzeichnet) ausgespielt. Danach erfolgt eine kurze Pause, in der eine gewünschte Phasenevolution zwischen einer ersten Spin-Spezies und einer mit einer anderen Frequenz präzedierenden zweiten Spin-Spezies einer zweiten Molekülart, beispielsweise Wassermoleküle, ermöglicht wird. Anschließend werden mit einem zweiten HF-Teilanregungspuls HF1b mit dem doppelten Flipwinkel 2α₁ und dem gleichen Frequenzoffset ω₁ die entwickelte Magnetisierung in dieser Schicht weiter angeregt. Nach einer weiteren Entwicklungszeit wird ein dritter HF-Teilanregungspuls HF1c mit dem Flipwinkel α₁ und dem ersten Frequenzoffset ω₁ für die erste Schicht ausgespielt. Simultan zu den jeweiligen HF-Pulsen HF1a, HF1b, HF1c der ersten Schicht werden auch Gradientenpulse Gs1, Gs2, Gs3 in Schichtrichtung ausgespielt, mit denen ein anzuregender Schichtstapel, an dem die erste Schicht Anteil hat, selektiert wird. Simultan mit dem ersten HF-Teilanregungspuls HF1a für die erste Schicht wird auch ein erster HF-Teilanregungspuls HF2a mit einem zweiten Flipwinkel α₂ und einem zweiten Frequenzoffset ω₂ und einer Phase mit dem Wert 0 für die zweite Schicht ausgespielt. Anschließend bzw. simultan mit dem zweiten HF-Teilanregungspuls HF1b der ersten Schicht wird auch ein zweiter HF-Teilanregungspuls HF2b für die zweite Schicht ausgespielt. Der zweite HF-Teilanregungspuls HF2b für die zweite Schicht weist im Vergleich zu dem ersten HF-Teilanregungspuls HF2a den doppelten Flipwinkel 2α₂ und den gleichen Frequenzoffset ω₂, aber eine um 180° unterschiedliche Phase auf. Nachfolgend wird simultan mit dem dritten HF-Teilanregungspuls HF1c für die erste Schicht auch ein dritter HF-Teilanregungspuls HF2c für die zweite Schicht ausgespielt, welcher denselben Flipwinkel α₂ und denselben Frequenzoffset ω₂ und dieselbe Phase mit dem Wert 0 wie der erste HF-Teilanregungspuls HF2a für die zweite Schicht aufweist. In beiden Schichten erfolgt die Schichtstapelselektion mit denselben Gradientenpulsen Gs1, Gs2, Gs3. Nach dem Ausspielen der Binomialpulse wird in Schichtrichtung noch ein Rephasiergradient Gs4 geschaltet. Die Phasenkodierung sowie der Auslesevorgang erfolgen wie üblich mit Hilfe der Gradienten Gp1, Gr1, Gr2.
10 ist ein Pulssequenz-Diagramm zur Veranschaulichung einer SMS-Pulssequenz gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Dabei werden schichtabhängige Kontrastpräparationen – beispielsweise eine Inversions-, Sättigungs- oder T2-Präparation – nur für eine der beiden Schichten durchgeführt. Hierzu wird ein erster HF-Präparationspuls P1 mit einem Flipwinkel von 180° und einem Frequenzoffset ω₁ zur Präparation des Kontrasts einer ersten Schicht (siehe erste Zeile HF1) ausgespielt. Gleichzeitig dazu wird ein erster Schichtselektionsgradient Gs1 ausgespielt. Anschließend werden als Gradientenpulse Spoilerpulse Gs2, Gr1 und Gp1 in allen Richtungen, d.h., in Schichtselektionsrichtung, in Frequenzkodierrichtung und in Phasenkodierrichtung ausgespielt. Als nächstes werden simultan HF-Anregungspulse HF1a, HF2a für die beiden Schichten mit demselben Flipwinkel, aber verschiedenen Frequenzoffsets ω1, ω2 für verschiedene Schichten ausgespielt. In diesem speziellen Fall sind diese HF-Anregungspulse Teil einer Gradientenecho-Sequenz. Daher folgt auf einen simultan zu den HF-Anregungspulsen HF1a, HF2a ausgespielten Gradientenpuls Gs3 in Schichtrichtung ein weiterer Rephasierungspuls Gs4, welcher ebenfalls auf beide Schichten wirkt. Schließlich erfolgt ein Auslesevorgang auf die übliche Weise mit Hilfe von Gradienten Gr2, Gr3 in Frequenzkodierrichtung und einem Gradienten Gp2 in Phasenkodierrichtung.
11 ist ein Pulssequenz-Diagramm zur Veranschaulichung einer SMS-Pulssequenz gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Hierbei werden unterschiedliche schichtabhängige Kontrastpräparationen für beide Schichten verwendet. Der Aufbau der Pulssequenz gemäß dem achten Ausführungsbeispiel entspricht weitgehend dem Aufbau der Pulssequenz gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel, mit der Ausnahme, dass simultan zu dem Präparationspuls P1 für die erste Schicht ein Präparationspuls P2 für die zweite Schicht ausgespielt wird. Dieser zweite Präparationspuls P2 weist einen Flipwinkel von 90° sowie eine von dem Frequenzoffset ω₁ des ersten Präparationspulses P1 unterschiedlichen Frequenzoffset ω₂ auf. Auf diese Weise können unterschiedliche Präparationen in unterschiedlichen Schichten durchgeführt werden und entsprechend unterschiedliche Kontraste simultan erfasst werden.
In 12 ist ein Flussdiagramm gezeigt, mit dem ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht wird. Bei dem Verfahren zur Ansteuerung eines Magnetresonanzbildgebungssystems wird eine Pulssequenz erzeugt, wobei zunächst im Rahmen eines Anregungsvorgangs bei dem Schritt 12.I ein Schichtselektionsgradientenpuls GS in Schichtselektionsrichtung erzeugt wird. Bei dem Schritt 12.II werden unterschiedliche Transversalmagnetisierungen durch Erzeugen von HF-Anregungspulsen HF1, HF2 zur Anregung von in diesem speziellen Ausführungsbeispiel 2 simultan anzuregenden Schichten derart erzeugt, dass sich der Magnetisierungszustand der 2 simultan angeregten Schichten hinsichtlich eines nicht die Anregungsfrequenz betreffenden weiteren Bildgebungsparameters, in diesem Fall der Flipwinkel α, unterscheidet. Bei einem nachfolgenden Auslesevorgang werden bei dem Schritt 12.III ein oder mehrere gemeinsame Auslese- und PHasenkodier-Gradientenpulse Gr, Gp für die 2 simultan angeregten Schichten erzeugt. Schließlich werden bei dem Schritt 12.IV HF-Signale zur Akquisition von Magnetresonanzrohdaten erfasst.
13 zeigt grob schematisch eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage bzw. ein Magnetresonanzbildgebungssystem 1. Sie umfasst den eigentlichen Magnetresonanzscanner 2 mit einem darin befindlichen Messraum 8 bzw. Patiententunnel. Eine Liege 7 ist in diesen Patiententunnel 8 hineinfahrbar, so dass ein darauf liegendes Untersuchungsobjekt O (beispielsweise Patient/ Proband oder ein zu untersuchendes Material) während einer Untersuchung an einer bestimmten Position innerhalb des Magnetresonanzscanners 2 relativ zu dem darin angeordneten Magnetsystem und Hochfrequenzsystem gelagert werden kann bzw. auch während einer Messung zwischen verschiedenen Positionen verfahrbar ist.
Wesentliche Komponenten des Magnetresonanzscanners 2 sind ein Grundfeldmagnet 3, ein Gradientensystem 4 mit Gradientenspulen, um beliebige Magnetfeldgradienten in x-, y- und z- Richtung anzulegen, sowie eine Ganzkörper-Hochfrequenzspule 5. Alternativ oder zusätzlich können auch lokale Sendespulen zur Anregung von Magnetresonanzsignalen eingesetzt werden, wie es zum Beispiel bei der Kniebildgebung häufig der Fall ist.
Der Empfang von im Untersuchungsobjekt O induzierten Magnetresonanzsignalen kann über die Ganzkörperspule 5 erfolgen, mit der in der Regel auch die Hochfrequenzsignale zur Induzierung der Magnetresonanzsignale ausgesendet werden. Üblicherweise werden diese Signale aber mit beispielsweise auf oder unter das Untersuchungsobjekt O gelegten Lokalspulen 6 empfangen. Alle diese Komponenten sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt und daher in der 5 nur grob schematisch dargestellt.
Die Ganzkörper-Hochfrequenzspule 5 kann z. B. in Form einer so genannten Birdcage-Antenne eine Anzahl N von einzelnen Antennenstäben aufweisen, die als einzelne Sendekanäle S1, ..., SN separat von einer Steuereinrichtung 10 ansteuerbar sind, d. h. es handelt sich bei dem Magnetresonanztomographiesystem 1 um ein pTX-fähiges System. Es wird aber ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch an klassischen Magnetresonanztomographiegeräten mit nur einem Sendekanal anwendbar ist.
Bei der Steuereinrichtung 10 kann es sich um einen Steuerrechner handeln, der auch aus einer Vielzahl von – gegebenenfalls auch räumlich getrennten und über geeignete Bussysteme bzw. Kabel oder dergleichen untereinander verbundenen – Einzelrechnern bestehen kann. Über eine Terminalschnittstelle 17 ist diese Steuereinrichtung 10 mit einem Terminal 20 verbunden, über das ein Bediener die gesamte Anlage 1 ansteuern kann. Im vorliegenden Fall weist dieses Terminal 20 einen Rechner 21 mit Tastatur 28, einem oder mehreren Bildschirmen 27 sowie weiteren Eingabegeräten wie beispielsweise Maus oder dergleichen auf, so dass dem Bediener eine grafische Benutzeroberfläche zur Verfügung steht.
Die Steuereinrichtung 10 weist u. a. eine Gradienten-Steuereinheit 11 auf, die wiederum aus mehreren Teilkomponenten bestehen kann. Über diese Gradienten-Steuereinheit 11 werden die einzelnen Gradientenspulen mit Steuersignalen SGx, SGy, SGz beschaltet. Hierbei handelt es sich um Gradientenpulse, die während einer Messung an genau vorgesehenen zeitlichen Positionen und mit einem genau vorgegebenen zeitlichen Verlauf gesetzt werden, um das Untersuchungsobjekt O und den zugeordneten k-Raum vorzugsweise in einzelnen Schichten SL gemäß einer Ansteuersequenz AS abzutasten.
Die Steuereinrichtung 10 weist außerdem eine Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit 12 auf. Diese HF-Sende-/Empfangseinheit 12 besteht ebenfalls aus mehreren Teilkomponenten, um jeweils separat und parallel auf die einzelnen Sendekanäle S1, ... SN, d. h. in diesem Fall auf die einzeln ansteuerbaren Antennenstäbe der Bodycoil 5, Hochfrequenzpulse aufzugeben. Über die Sende-/Empfangseinheit 12 können auch Magnetresonanzsignale empfangen werden. In diesem Ausführungsbeispiel geschieht dies aber mit Hilfe der Lokalspulen 6. Die mit diesen Lokalspulen 6 empfangenen Rohdaten RD werden von einer HF-Empfangseinheit 13 ausgelesen und verarbeitet. Die hiervon oder von der Ganzkörperspule 5 mittels der HF-Sende-/Empfangseinheit 12 empfangenen Magnetresonanzsignale werden als Rohdaten RD an eine Rekonstruktionseinheit 14 übergeben, die daraus die Bilddaten BD rekonstruiert und diese in einem Speicher 16 hinterlegt und/oder über die Schnittstelle 17 an das Terminal 20 übergibt, so dass der Bediener sie betrachten kann. Die Bilddaten BD können auch über ein Netzwerk NW an anderen Stellen gespeichert und/oder angezeigt und ausgewertet werden. Sofern die Lokalspulen 6 eine geeignete Umschalteinheit aufweisen, können auch diese an eine HF-Sende-/Empfangseinheit 12 angeschlossen sein, um die Lokalspulen auch zum Senden insbesondere im pTX-Betrieb zu verwenden.
Die Gradientensteuerung 11, die HF-Sende-/Empfangseinheit 12 und die Empfangseinheit 13 für die Lokalspulen 6 werden jeweils koordiniert durch eine Messsteuereinheit 15 angesteuert. Diese sorgt durch entsprechende Befehle dafür, dass ein gewünschter Gradienten-Pulszug GP durch geeignete Gradientensteuersignale SGx, SGy, SGz ausgesendet wird, und steuert parallel die HF-Sende-/Empfangseinheit 12 so an, dass ein Mehrkanal-Pulszug MP ausgesendet wird, d. h. dass auf den einzelnen Sendekanälen S1, ... SN parallel die passenden Hochfrequenzpulse auf die einzelnen Sendestäbe der Ganzkörperspule 5 gegeben werden. Außerdem muss dafür gesorgt werden, dass zum passenden Zeitpunkt die Magnetresonanzsignale an den Lokalspulen 6 durch die HF-Empfangseinheit 13 bzw. eventuelle Signale an der Ganzkörperspule 5 durch die HF-Sende-/Empfangseinheit 12 ausgelesen und weiterverarbeitet werden. Die Messsteuereinheit 15 gibt die entsprechenden Signale, insbesondere den Mehrkanal-Pulszug MP an die Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit 12 und den Gradienten-Pulszug GP an die Gradienten-Steuereinheit 11, gemäß einem vorgegebenen Steuerprotokoll P vor. In diesem Steuerprotokoll P sind alle Steuerdaten hinterlegt, die während einer Messung gemäß einer vorgegebenen Ansteuersequenz AS eingestellt werden müssen.
Üblicherweise sind in einem Speicher 16 eine Vielzahl von Steuerprotokollen P für verschiedene Messungen hinterlegt. Diese könnten über das Terminal 20 vom Bediener ausgewählt und gegebenenfalls variiert werden, um dann ein passendes Steuerprotokoll P für die aktuell gewünschte Messung zur Verfügung zu haben, mit dem die Messsteuereinheit 15 arbeiten kann. Im Übrigen kann der Bediener auch über ein Netzwerk NW Steuerprotokolle P, beispielsweise von einem Hersteller des Magnetresonanzsystems, abrufen und diese dann gegebenenfalls modifizieren und nutzen.
Der grundlegende Ablauf einer solchen Magnetresonanzmessung und die genannten Komponenten zur Ansteuerung sind dem Fachmann aber bekannt, so dass sie hier im Detail nicht weiter besprochen werden. Im Übrigen kann ein solcher Magnetresonanzscanner 2 sowie die zugehörige Steuereinrichtung noch eine Vielzahl weiterer Komponenten aufweisen, die hier ebenfalls nicht im Detail erläutert werden. Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der Magnetresonanzscanner 2 auch anders aufgebaut sein kann, beispielsweise mit einem seitlich offenen Patientenraum, und dass im Prinzip die Hochfrequenz-Ganzkörperspule nicht als Birdcage-Antenne aufgebaut sein muss.
In 13 ist außerdem eine erfindungsgemäße Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung 22 schematisch dargestellt, die zur Ermittlung einer Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz AS dient. Diese Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz AS enthält u. a. für eine bestimmte Messung eine Pulssequenz mit einem Pulszug GP, um eine bestimmte Trajektorie im k-Raum zu durchlaufen, sowie einen dazu koordinierten Hochfrequenz-Pulszug, hier einen Mehrkanal-Pulszug MP, zur Ansteuerung der einzelnen Sendekanäle 1, ..., SN. Die Magnetresonanzsystem-Ansteuersequenz AS wird im vorliegenden Fall auf Basis von im Messprotokoll P vorgegebenen Parametern PD insbesondere nach einem bezüglich der 2, 5 bis 11 beschriebenen Verfahren erstellt. Die Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung 22 kann dabei in dem Magnetresonanzsystem 1 umfasst sein und Bestandteil des Terminals 20 (siehe 13) oder insbesondere auch Bestandteil der Steuereinrichtung 10 sein. Jedoch kann die Steuersequenz-Ermittlungseinrichtung 22 auch extern als eigenständige Baueinheit vorliegen und zur Nutzung mit mehreren unterschiedlichen Magnetresonanzsystemen ausgebildet sein.
Aus dem zuvor Beschriebenen wird deutlich, dass die Erfindung wirkungsvoll Möglichkeiten bereitstellt, um ein Verfahren zur Ansteuerung eines Magnetresonanzbildgebungssystems zur Erzeugung von Magnetresonanzbilddaten bezüglich Geschwindigkeit, Flexibilität und Bildqualität zu verbessern.
Dabei ist darauf hinzuweisen, dass die Merkmale sämtlicher Ausführungsbeispiele oder in Figuren offenbarter Weiterbildungen in beliebiger Kombination verwendet werden können.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den zuvor beschriebenen detaillierten Verfahren und Aufbauten um Ausführungsbeispiele handelt und dass das Grundprinzip auch in weiten Bereichen vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011082010 B4 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Breuer et al. MRM 53:684 (2005) [0006]
Souza et al. JCAT 12:1026 (1988) [0006]
Larkman et al. JMRI 13:313 (2001) [0006]
Auerbach et al. MRM 69:1261 (2013) [0012]
Norris et al. MRM 66:1234 (2011) [0013]
Dan Ma et al. Nature 495:187 (2013) [0039]
Stäb et al. MRM 65:157 (2011) [0067]
Griswold et al. MRM (2002) [0067]
Breuer et al. MRM 53:684–691 (2005) [0067]
Bhat et al., ISMRM 22 (2014) [0068]
Bhat et al., ISMRM 22 (2014) [0074]

Claims

Verfahren zur Ansteuerung eines Magnetresonanzbildgebungssystems (1) zur Erzeugung von Magnetresonanzbilddaten (BD) eines Untersuchungsobjekts (O), bei dem Magnetresonanzrohdaten (RD) erfasst werden, wobei unterschiedliche Transversalmagnetisierungen in einer Mehrzahl von N abzubildenden Teilvolumina angeregt werden und zur Bildgebung genutzt werden, wobei diese unterschiedlichen Transversalmagnetisierungen mindestens in einem Zeitabschnitt der Messung simultan vorliegen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Ansteuerung des Magnetresonanzbildgebungssystems (1) mindestens ein Pulssequenzabschnitt erzeugt wird, mit einem Anregungsvorgang, welcher folgende Schritte umfasst: – Erzeugen eines Schichtselektionsgradientenpulses (Gs1) in Schichtselektionsrichtung, – Erzeugen der unterschiedlichen Transversalmagnetisierungen durch Einstrahlen mindestens eines HF-Anregungspulses (HF1a, HF2a) zur Beeinflussung von N simultan abzubildenden Teilvolumina, derart, dass sich der Magnetisierungszustand der N simultan abzubildenden Teilvolumina beeinflusst durch einen weder die Anregungsfrequenz noch die Anregungsphase betreffenden weiteren Bildgebungsparameter unterscheidet, und einem nachfolgenden Auslesevorgang, welcher folgende Schritte umfasst: – Erzeugen eines oder mehrerer gemeinsamer Auslese-Gradientenpulse (Gr1, Gr2, Gp1) für die N simultan abzubildenden, durch Einstrahlen der HF-Anregungspulse (HF1a, HF2a) beeinflussten Teilvolumina, – Empfangen von HF-Signalen zur Akquisition von Magnetresonanzrohdaten (RD).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die weiteren unterschiedlich gewählten Bildgebungsparameter mindestens eine der folgenden Größen umfassen: – Amplitudenwert, – Amplitudenverlauf, – Anzahl der Anregungspulse, – Startzeitpunkt und Dauer, – Sequenztyp.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mit Hilfe der unterschiedlich gewählten Bildgebungsparameter zumindest für einen Teil der N abzubildenden Teilvolumina Anregungen mit unterschiedlichen Flipwinkeln (α₁, α₂) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zumindest für einen Teil der N abzubildenden Teilvolumina Anregungen mit unterschiedlichen Pulssequenzen, vorzugsweise Spin-Echo-Sequenzen und/oder Gradienten-Echo-Sequenzen erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei durch Permutation der Zuordnung von Positionen von Teilvolumina und Bildgebungsparametern erreicht wird, dass für unterschiedliche Anregungen das gesamte Volumen bildlich erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein MR-Fingerprinting für unterschiedliche, simultan aufgenommene Teilvolumina durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei bei dem Einsatz eines Magnetresonanzbildgebungssystems mit einer Mehrzahl von M Spulen zumindest für einen Teil der Zielkontraste, d.h. einen Teil der unterschiedlichen Transversalmagnetisierungen, eine Referenzmessung durchgeführt wird und eine Berechnung von Faltungsmatrizen (M_- + M_j) durch permutierte Kombination der einzelnen Referenzmessungen erfolgt, wobei eine Anpassung der Berechnung der Faltungsmatrizen (M_i + M_j) dahingehend erfolgt, dass zumindest für einen Teil der Permutationen der Zielkontraste und der Positionen von Teilvolumina spezifische Faltungskerne (K_i,j) berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei unter Verwendung eines Binomialpulses (HF1a, HF1b, HF1c) für einen Teil der N abzubildenden Teilvolumina ein Teil der Teilvolumina chemisch selektiv angeregt wird oder unter Verwendung von mehreren unterschiedlichen Binomialpulsen (HF1a, HF1b, HF1c, HF2a, HF2b, HF2c) verschiedene Gruppen der N abzubildenden Teilvolumina unterschiedlich chemisch selektiv angeregt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei für einen Teil der N abzubildenden Teilvolumina eine Kontrastpräparation (P1) durchgeführt wird oder unterschiedliche Kontrastpräparationen (P1, P2) für verschiedene Gruppen der N abzubildenden Teilvolumina durchgeführt werden.
Ansteuersequenz (AS) zur Ansteuerung eines Magnetresonanzbildgebungssystems (1), aufweisend mindestens einen Pulssequenzabschnitt mit einem Anregungsabschnitt, welcher folgende Pulsanordnung umfasst: – einen Schichtselektionsgradientenpuls (Gs1) in Schichtselektionsrichtung, – mindestens einen HF-Anregungspuls (HF1, HF2) zur Beeinflussung von N simultan abzubildenden Teilvolumina derart, dass sich der Magnetisierungszustand zumindest eines Teils der Mehrzahl von N simultan abzubildenden Teilvolumina beeinflusst durch einen weder die Anregungsfrequenz noch die Anregungsphase betreffenden weiteren Bildgebungsparameter unterscheidet, und einem nachfolgenden Ausleseabschnitt, welcher ein Auslesefenster zum Auslesen von HF-Signalen zur Akquisition von Magnetresonanzrohdaten (RD) umfasst.
Ansteuersequenz-Ermittlungssystem (22), welches dazu ausgebildet ist, eine Ansteuersequenz (AS) gemäß Anspruch 11 für ein Magnetresonanzbildgebungssystem (1) zu ermitteln.
Magnetresonanzbildgebungssystem (1), umfassend eine Steuereinrichtung (10), welche zur Steuerung des Magnetresonanzbildgebungssystems (1) unter Nutzung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist, welches vorzugsweise ein Ansteuersequenz-Ermittlungssystem (22) nach Anspruch 12 umfasst.
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, welches direkt in eine Speichereinrichtung einer Steuereinrichtung (10) eines Magnetresonanzbildgebungssystems (1) ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Steuereinrichtung (10) des Magnetresonanzbildgebungssystems (1) ausgeführt wird.
Computerlesbares Medium, auf welchem von einer Rechnereinheit einlesbare und ausführbare Programmabschnitte gespeichert sind, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen, wenn die Programmabschnitte von der Rechnereinheit ausgeführt werden.