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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Synchronisieren einer MR-Bildgebung mit einem Atem-Ruhezustand bei einer Untersuchung mit angehaltenem Atem. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Atemsynchronisierungseinrichtung. Überdies betrifft die Erfindung ein Magnetresonanzbildgebungssystem.
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Bei vielen Untersuchungen mit Hilfe der Magnetresonanzbildgebung, insbesondere im Brust und Bauchbereich, treten Bewegungsartefakte aufgrund der Atembewegung des Patienten auf. Ein Ansatz, um diese Artefakte zu reduzieren, besteht darin, die Magnetresonanzbildgebung, im Folgenden abgekürzt als MR-Bildgebung bezeichnet, während eines Zeitintervalls durchzuführen, in dem der Patient den Atem anhält. Beispielsweise werden vor dem Starten einer Bildaufnahmesequenz dem Patienten automatisiert akustische Anweisungen erteilt, den Atem im Zuge des Ausatmungsvorgangs oder des Einatmungsvorgangs anzuhalten. Unmittelbar danach erfolgt der eigentliche MR-Bildgebungsprozess, auch Scan-Prozess genannt. Allerdings befolgen Patienten die gegebenen Anweisungen nicht immer wie gewünscht. Vielmehr benötigen sie zusätzlich Zeit, bis sie vollständig in Ruhe sind. Daher werden meist die ersten Bildakquisitionen einer Serie von Bildaufnahmen durch die Bewegung des Patienten beeinträchtigt. Dieses Phänomen ist insbesondere für die sogenannte VIBE-Bildgebung (VIBE = volumeinterpolated breathold examination = Bildgebung mit angehaltenem Atem und Volumeninterpolation) problematisch, da bei dieser in den ersten Sekunden typischerweise ein Referenzbild für die parallele Bildrekonstruktion aufgezeichnet wird. Wenn die Referenzbilddaten durch die Bewegung des Patienten beeinträchtigt sind, hat das Auswirkungen auf die Qualität der Rekonstruktion der kompletten nachfolgenden Bildaufnahme. Die Beeinträchtigung der Bildqualität ist auf eine Fehlkodierung der einem bestimmten Körperbereich zugeordneten MR-Resonanzsignale zurückzuführen. Bewegt sich der Patient, wird die Position des jeweiligen Körperbereichs geändert, so dass dieser Bereich einer anderen Gradientenstärke ausgesetzt ist als wenn er sich in seiner Ruheposition befindet. Damit kommt es zu einer Änderung der Larmor-Frequenz in dem bewegten Bereich und letztlich bei der Bildrekonstruktion zu einer räumlichen Fehlzuordnung der erfassten Signale.
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Es besteht somit das Problem, ein MR-Bildgebungsverfahren anzugeben, bei dem Bildartefakte bei Bildaufnahmen im Brust- und Bauchbereich reduziert sind.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Detektieren eines Atem-Ruhezustands bei einer Untersuchung mit angehaltenem Atem gemäß Patentanspruch 1, eine Atemsynchronisierungseinrichtung gemäß Patentanspruch 12 und ein Magnetresonanzbildgebungssystem gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Synchronisieren einer MR-Bildgebung mit einem Atem-Ruhezustand eines Patienten bei einer Untersuchung mit angehaltenem Atem wird eine Anweisung an den Patienten vorzugsweise automatisiert ausgegeben, den Atem anzuhalten. Alternativ zu einer automatisierten Ausgabe der Anweisung an den Patienten kann auch vom Bedienpersonal ein Schalter zum Auslösen eines Atemanhaltebefehls betätigt werden. Typischerweise benötigt der Patient eine gewisse individuelle Reaktionszeit, bis er nach Wahrnehmung des Atemanhaltebefehls seinen Atem auch anhält. Um zu verhindern, dass ein Bildgebungsvorgang zu früh gestartet wird, d.h. in einem Stadium, in dem der Patient noch atmet und sein Körper eine Atembewegung ausführt, wird nun erfindungsgemäß das Atemverhalten des Patienten in Echtzeit ermittelt. D.h., das Atemverhalten des Patienten wird im Rahmen der Bildgebung in zeitlicher Korrelation, vorzugsweise zeitnah zu dem Zeitpunkt der Ausgabe des Atemanhaltebefehls bzw. in einer vorbestimmten Zeitspanne, beispielsweise einem festen Zeitfenster, ermittelt. Das Zeitfenster kann zum Beispiel eine Zeitdauer von 1,5 s umfassen. Allgemein ausgedrückt sollte das Zeitfenster derart zeitnah zu dem Ereignis des Atemanhaltebefehls ausgebildet sein, dass nach der Ermittlung noch ausreichend Zeit für die MR-Bildgebung während der Phase des Atemruhezustands verbleibt.
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Schließlich wird die MR-Bildgebung in Abhängigkeit von dem ermittelten Atemverhalten vorzugsweise automatisiert gestartet. D.h., der Zeitpunkt des Startens der MR-Bildgebung wird derart festgelegt, dass der Akquisitionsprozess, insbesondere das Anregen und Auslesen von HF-Signalen im Rahmen der Bildgebung, während eines Atemruhezustands erfolgt, wobei dieser Atemruhezustand durch den vorzugsweise automatisiert erteilten Atemanhaltebefehl ausgelöst wurde. Unter Atemruhezustand, auch Atemanhaltezustand genannt, soll der Zustand eines Patienten verstanden werden, in dem er sich zwischen zwei Atembewegungen gerade nicht bewegt und den Atem anhält bzw. alternativ nach dem Ausatmen nicht einatmet, sondern in Ruhe verharrt, so dass sich insbesondere der Brustkorb nicht oder nur sehr wenig bewegt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine individuelle Anpassung des Startzeitpunkts einer MR-Bildgebung erreicht, so dass die Häufigkeit eines Auftretens von Bildartefakten aufgrund einer Atembewegung des Patienten stark reduziert werden kann. Vorteilhaft kann zudem eine Überwachung der Atembewegung auf einen Zeitraum nach oder um den Zeitpunkt der Ausgabe eines Atemanhaltebefehls beschränkt werden. Weiterhin ermöglicht die Kombination einer zeitweisen Überwachung der Atmung des Patienten und der Ausgabe eines Atembefehls im Vergleich zu einer Dauerüberwachung der Atembewegung des Patienten ohne Atemanhaltebefehl eine verlängerte MR-Bildaufnahmezeit, da der Patient nach einem Atemanhaltebefehl bemüht ist, seinen Atem möglichst lange anzuhalten und so die Ruhephase im Vergleich zu einer kontinuierlichen Atemtätigkeit deutlich verlängert ist. Die MR-Bildgebung kann also in längeren Zeitintervallen erfolgen und muss nicht so oft unterbrochen werden, wie bei einem Verfahren mit kontinuierlicher Atemtätigkeit. Dadurch verkürzt sich die Gesamtzeit des Untersuchungsprozesses, da das Verhältnis zwischen Bildgebungsintervallen und Pausen günstiger ist.
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Die erfindungsgemäße Atemsynchronisierungseinrichtung weist eine Befehlsausgabeeinheit zum vorzugsweise automatisierten Ausgeben einer Anweisung an den Patienten, den Atem anzuhalten, auf. Die Befehlsausgabeeinheit kann zum Beispiel mit einem im Bereich des Magnetresonanzscanners einer Magnetresonanzbildgebungseinrichtung vorhandenen Lautsprecher elektrisch verbunden sein, so dass einem in dem Magnetresonanzscanner befindlichen Patienten Anweisungen akustisch mitgeteilt werden können. Die Atembefehle bzw. Atemkommandos werden mittels einer Audio-Kommunikationseinheit dem in dem Magnetresonanzscanner befindlichen Patienten übertragen. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Atemsynchronisierungseinrichtung eine Atembewegungs-Ermittlungseinheit zum Ermitteln des Atemverhaltens des Patienten in Echtzeit. Teil der erfindungsgemäßen Atemsynchronisierungseinrichtung ist auch eine Startsynchronisierungseinheit zum Starten der MR-Bildgebung in Abhängigkeit von dem ermittelten Atemverhalten.
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Das erfindungsgemäße Magnetresonanzbildgebungssystem weist ein Hochfrequenz-Sendesystem, ein Gradientensystem und eine Steuereinrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, zur Durchführung einer gewünschten Messung auf Basis einer vorgegebenen Pulssequenz das Hochfrequenz-Sendesystem und das Gradientensystem anzusteuern. Weiterhin weist das Magnetresonanzbildgebungssystem die erfindungsgemäße Atemsynchronisierungseinrichtung auf. Die Atemsynchronisierungseinrichtung kann zum Beispiel Teil der Steuereinrichtung des erfindungsgemäßen Magnetresonanzbildgebungssystems sein. Sie kann auch nur teilweise Bestandteil der Steuereinrichtung sein und über mehrere Einheiten verteilt sein. Die Atemsynchronisierungseinrichtung kann auch als Zusatzeinheit bzw. Nachrüstsatz an einem Magnetresonanzbildgebungssystem montiert sein oder in dieses integriert sein.
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Die wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Atemsynchronisierungseinrichtung können zum überwiegenden Teil in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. Dies betrifft insbesondere Teile der Befehlsausgabeeinheit, der Atembewegungs-Ermittlungseinheit und der Startsynchronisierungseinheit. 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.
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Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete Magnetresonanzbildgebungssysteme oder Steuereinrichtungen von Magnetresonanzbildgebungssystemen 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 eines Magnetresonanzbildgebungssystems oder eine Speichereinrichtung einer Steuereinrichtung eines erfindungsgemäßen Magnetresonanzbildgebungssystems ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Steuereinrichtung und/oder dem Magnetresonanzbildgebungssystems ausgeführt wird.
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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.
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Zum Transport zur Speichereinrichtung der Steuereinrichtung des Magnetresonanzbildgebungssystems und/oder der Speichereinrichtung des Magnetresonanzbildgebungssystems 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 und/oder des Magnetresonanzbildgebungssystems einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind. Die Rechnereinheit kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen.
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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 die verschiedenen Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbeispiele und Ansprüche auch zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Synchronisieren einer MR-Bildgebung mit einem Atem-Ruhezustand eines Patienten bei einer Untersuchung mit angehaltenem Atem wird bei dem Ermitteln des Atemverhaltens zunächst eine Atemkurve zumindest nach dem Ausgeben der Anweisung an den Patienten aufgezeichnet. Das Aufzeichnen der Atemkurve kann auch bereits vorab, d.h. kurz vor dem Ausgeben der Anweisung an den Patienten, während dem Zeitpunkt des Ausgebens der Anweisung an den Patienten oder danach erfolgen. Die ersten beiden Varianten haben den zusätzlichen Vorteil, dass der Atemzyklus des Patienten vor dem Zeitpunkt des beabsichtigten Zeitraums des Atemanhaltens des Patienten als Referenzdaten und/oder Kalibrierungsdaten für den folgenden Detektionsschritt genutzt werden kann. Auf Basis der aufgezeichneten Atemkurve wird ein Zeitpunkt des Beginns eines Atem-Ruhezustands des Patienten ermittelt. Zusätzlich kann dem beschriebenen Verfahren auch eine Art Trainings/ oder Lernvorgang vorangesetzt werden, bei dem das Reaktionsverhalten des Patienten und die für verschiedene Phasen des Atemzyklus typischen Atemkurvenwerte ermittelt werden. Diese Werte können dann bei der Echtzeitermittlung des Zeitpunkts des Beginns des Atemanhaltens als Referenz- oder Kalibrierungswerte genutzt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Synchronisieren einer MR-Bildgebung mit einem Atem-Ruhezustand eines Patienten bei einer Untersuchung, welche mit angehaltenem Atem durchgeführt wird, erfolgt das Starten der MR-Bildgebung in Abhängigkeit von dem ermittelten Zeitpunkt des Beginns des Atemanhaltezustands, vorzugsweise unmittelbar nach dem ermittelten Zeitpunkt. Auf diese Weise wird der Zeitraum des Atemanhaltezustands des Patienten optimal für die MR-Bildgebung genutzt.
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In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Synchronisieren einer MR-Bildgebung mit einem Atem-Ruhezustand eines Patienten bei einer Untersuchung mit angehaltenem Atem wird für den Fall, dass innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls, beispielsweise 1,5 s, kein Zeitpunkt des Beginns eines Atem-Ruhezustands des Patienten ermittelt wurde, die MR-Bildgebung automatisiert gestartet. Bei dieser Variante wird erreicht, dass sich die Bildqualität für den Fall, dass der Patient tatsächlich nicht den Atem anhält, im Vergleich zu einer herkömmlichen Vorgehensweise nicht verschlechtert. Hat jedoch der Patient dem Atemanhaltebefehl Folge geleistet und wurde das Anhalten des Atems lediglich nicht detektiert, so wird sogar von einer verbesserten Bildqualität aufgrund des Atemanhaltezustands profitiert.
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Alternativ wird für den genannten Fall der MR-Bildgebungsprozess unterbrochen und dem Bedienpersonal automatisiert eine Mitteilung bezüglich der Unterbrechung mitgeteilt. Das Bedienpersonal kann dann zum Beispiel mit dem Patienten Rücksprache halten und eventuell aufgetretene Probleme oder Missverständnisse beheben. Weiter alternativ wird das Verfahren wiederholt und zusätzlich an den Patienten automatisiert eine Erinnerungsmitteilung übermittelt, der Anweisung an den Patienten sorgsamer Folge zu leisten. Auf diese Weise kann also während der Bildgebung auf das Verhalten des Patienten eingewirkt werden und dadurch die Bildqualität verbessert werden.
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In einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Synchronisieren einer MR-Bildgebung mit einem Atem-Ruhezustand eines Patienten bei einer Untersuchung mit angehaltenem Atem umfasst das Ermitteln des Atemverhaltens des Patienten in Echtzeit das Überwachen des Atemzyklus des Patienten mit Hilfe einer externen Einrichtung.
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Die externe Einrichtung kann zum Beispiel einen Atemgürtel oder einen Sensor, vorzugsweise basierend auf einer elektromagnetischen Reflektion oder einer Radartechnologie, umfassen. Mit einer solchen externen Einrichtung kann die Atembewegung des Patienten unabhängig von den Prozessen des Magnetresonanzbildgebungssystems aufgezeichnet werden. D.h., der Überwachungsprozess muss nicht direkt, beispielsweise als Pulssequenz, in den Arbeitsablauf des Magnetresonanzbildgebungssystems integriert sein.
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Das Ermitteln des Atemverhaltens des Patienten in Echtzeit kann auch das Überwachen des Atemzyklus des Patienten mit Hilfe einer internen Einrichtung umfassen. Zum Beispiel kann dies das Ausspielen einer MR-Navigator-Sequenz, vorzugsweise umfassend eine Serie von nicht-phasenkodierten Gradientenecho-Teilsequenzen aufweisen. Für das Ausspielen einer MR-Navigator-Sequenz kann eine entsprechende MR-Navigator-Sequenz in der verwendeten Steuereinrichtung oder Atemsynchronisierungseinrichtung abgespeichert sein oder dieser vor dem Start der eigentlichen MR-Bildgebung zugespielt werden. Vorteilhaft wird bei dieser Variante für die Atemzyklusüberwachung keine zusätzliche Hardware zu dem bereits für die MR-Bildgebung verwendeten Magnetresonanzbildgebungssystem benötigt.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine Platzierung des Navigators auf das Zwerchfell und eine bildbasierte Verfolgung der Zwerchfellbewegung erfolgen. Daraus ergibt dann ebenfalls eine Atemkurve. Diese Vorgehensweise kommt z.B. im Rahmen des PACE-Verfahrens zum Einsatz.
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Das Aufzeichnen der Atemkurve kann vorzugsweise durch Erfassen des MR-Signals des k-Raum-Zentrums bei einer Mehrzahl von Zeitpunkten und Extrahieren des Phasenanteils des erfassten MR-Signals erfolgen. Bei einem in einer Raumrichtung kodierten Signal, entspricht die Phase im k-Raum-Zentrum in etwa der über alle Ortraumpunkte gemittelten Phase.
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Die Atemkurve kann bevorzugt durch Erfassen des MR-Signals unter Anwendung einer Körperspule, Anwendung einer Fouriertransformation und Ermitteln einer signal-gewichteten Summe der Signalphasen für jedes Auslesezeitintervall ermittelt werden. Auf diese Weise kann eine glattere Atemkurve aufgenommen werden, mit der eine noch präzisere Vorhersage des Zeitpunkts des Beginns der Phase des Atemanhaltezustands des Patienten vorausgesagt werden kann.
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Mit Hilfe der Fouriertransformation erfolgt eine Transformation der bei der Aufnahme der Atemkurve erfassten k-Raum-Rohdaten in den Ortsraum. Im Ortsraum kann die Phase stabiler ermittelt werden. Wie bereits beschrieben, entspricht die k-Raum-Zentrums-Phase der Mittelung über die Phasen aller Punkte im Ortsraum. Ermittelt man im Ortsraum, kann eine gewichtete Mittelung erfolgen. Zum Beispiel kann man Punkte außerhalb des Körpers (mit hohem Rauschen verbunden) ausschließen und man kann eine Gewichtung, beispielsweise nach Signalintensität durchführen.
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In einer speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Ermittlung des Zeitpunkts des Beginns eines Atem-Ruhezustands des Patienten mindestens einen der folgenden Verfahrensschritte:
- – Vergleichen von zeitabhängigen Standardabweichungswerten der Phasenwerte der erfassten MR-Signale, welche mit gleitendem Zeitfenster ermittelt wurden,
- – Vergleichen von zeitlichen Ableitungswerten der Phasenwerte der erfassten MR-Signale mit zeitlich früheren Ableitungswerten,
- – Vergleichen von zeitlichen Ableitungswerten der Phasenwerte der erfassten MR-Signale mit einem Schwellwert,
- – Vergleichen der Absolutwerte der Phasenwerte der erfassten MR-Signale mit einem Referenzwert.
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Als ein gleitendes Zeitfenster soll in diesem Zusammenhang ein Zeitfenster verstanden werden, welches zeitlich mit der Aufzeichnung der Atemkurve mitwandert, so dass die jeweils aktuellen Aufzeichnungswerte in die Berechnung der beschriebenen Größen mit eingehen. Die erste Variante, welche das Vergleichen von zeitabhängigen Standardabweichungswerten der Phasenwerte der erfassten MR-Signale, welche mit gleitendem Zeitfenster ermittelt wurden, betrifft, kann auch ohne die vorherige Aufnahme von Referenzwerten durchgeführt werden, da die Vergleichswerte direkt aus der aufgenommenen Atemkurve gewonnen werden. Ähnliches gilt für die zweite Variante, bei der ein Vergleich von zeitlichen Ableitungswerten der Phasenwerte der erfassten MR-Signale mit zeitlich früheren Ableitungswerten erfolgt. Bei der dritten und vierten Variante kann die Ermittlung von Schwellwerten oder Referenzwerten zum Beispiel durch eine dem Bildgebungsprozess vorgeschaltete Lernphase erfolgen, wobei das Atemverhalten des betreffenden Patienten durch eine Vorabaufnahme einer Atemkurve untersucht wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Schaubild, welches eine Atemkurve in Abhängigkeit von einer Abtastzeit veranschaulicht,
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2 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Synchronisieren einer MR-Bildgebung mit einem Atem-Ruhezustand eines Patienten bei einer Untersuchung mit angehaltenem Atem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
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3 zwei Schaubilder, welche Atemkurven zeigen, welche im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgezeichnet und ausgewertet werden,
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4 ein Blockdiagramm, welches eine Atemsynchronisierungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
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5 ein Magnetresonanzbildgebungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In 1 ist beispielhaft eine Atemkurve AK gezeigt, die mit Hilfe einer MR-Navigatorsequenz mit einem nicht-phasenkodierten Gradientenecho mit einer Repetitionszeit TR = 5 ms und einem Flipwinkel von 4° aufgenommen wurde, wobei innerhalb von 16 Sekunden 3200 Repetitionen erfolgten. In 1 sind die Phasenwerte PHW von erfassten MR-Resonanzsignalen der MR-Navigatorsequenz in Abhängigkeit von der aktuellen Repetition ZRP aufgezeichnet. Die Kurve wurde durch einfaches Extrahieren des Phasenanteils des MR-Signals einer Körperspule (Bodycoil) aus dem k-Raumzentrum zu jedem einzelnen Zeitpunkt aufgenommen. Eine glattere Kurve könnte zum Beispiel durch die Anwendung von Oberflächenspulen und/oder die Anwendung einer Fouriertransformation und das signal-gewichtete Summieren der Bildphasen für jedes Echo erhalten werden. In dem in 1 gezeigten Atemdiagramm ist eine gleichmäßige flache Atmung eines Patienten ohne angehaltenen Atem zu erkennen.
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In 2 ist ein Flussdiagramm 200 gezeigt, welches ein Verfahren zum Synchronisieren einer MR-Bildgebung mit einem Atem-Ruhezustand eines Patienten bei einer Untersuchung mit angehaltenem Atem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Bei dem Schritt 2.I wird zunächst automatisiert ein akustischer Befehl AAH an den Patienten zum Anhalten seiner Atembewegung erteilt. Bei dem Schritt 2.II (siehe Schritt 2.IIb) erfolgt unmittelbar nach der Ausgabe des Atemanhaltbefehls AAH dann die Aufnahme einer Atemkurve AK. Optional kann zunächst bei einem Schritt 2.IIa das Aufzeichnen der Atemkurve für eine Lernphase LPH erfolgen. Beispielsweise kann die Aufzeichnung der Atemkurve AK auf der Erfassung von MR-Signalen mit Hilfe einer MR-Navigatorsequenz beruhen. Die aus den MR-Signalen rekonstruierten Phasenwerte PHW werden dabei als Amplitudenwerte der Atemkurve AK verwendet, mit der die jeweilige Phase der Atembewegung in Beziehung gesetzt werden kann. Beispielsweise werden Phasenwerte PHW ermittelt, bei denen der Atemstillstand einsetzt. Alternativ können auch Ableitungen der Atemkurve AK oder andere Größen ermittelt werden, welche mit dem Beginn des Atemanhaltezustands korreliert sind. Auf diese Weise werden Referenzwerte RW gebildet, die bei der folgenden Echtzeit-Kurvenaufzeichnung und Auswertung zur Ermittlung eines Zeitpunkts des Beginns eines Atemanhaltezustands zum Vergleich mit der aufgezeichneten Atemkurve AK verwendet werden. Bei dem Schritt 2.IIb erfolgt das Aufzeichnen der Atemkurve AK nach dem Ende der Lernphase LPH wiederum auf einen Atemhaltbefehl AAH gemäß Schritt 2.I hin. Alternativ oder zusätzlich kann bei dem Schritt 2.II auch eine Erfassung der Atemkurve AK mit Hilfe von externen Einheiten, wie zum Beispiel eines Atemgürtels oder mit Hilfe von Sensoren, beispielsweise basierend auf einer elektromagnetischen Reflektion oder einer Radartechnologie, erfolgen.
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Anschließend erfolgt bei dem Schritt 2.III eine Auswertung der aufgezeichneten Atemkurve AK mit Hilfe eines Vergleichs der aufgezeichneten Phasenwerte PHW der Atemkurve AK mit den bei der Lernphase aufgezeichneten Referenzwerten RW. Auf Basis der Auswertung der aufgezeichneten Atemkurve AK kann ermittelt werden, in welchem Stadium sich der Atemprozess des Patienten gerade befindet. Insbesondere wird bei dem Schritt 2.III ermittelt, ob der Patient beginnt, den Atem anzuhalten. Dieser Vorgang kann zum Beispiel mit einem Abflachen der aufgezeichneten Atemkurve AK verbunden sein. Für den Fall, dass der Zeitpunkt TAAH des Beginns des Atemanhaltezustands noch nicht erreicht ist, was in 2 mit „n“ gekennzeichnet ist, so wird bei dem Schritt 2.IV geprüft, ob eine vorbestimmte maximale Wartezeit TW, beispielsweise 1,5 s, noch nicht erreicht ist. Für den Fall, das die vorbestimmte maximale Wartezeit TW noch nicht erreicht ist, was in 2 mit „n“ gekennzeichnet ist, so wird zu dem Schritt 2.II bzw. 2.IIb zurückgekehrt und die Atemkurve AK weiter aufgezeichnet. Falls jedoch bei dem Schritt 2.IV die vorbestimmte Wartezeit TW bereits erreicht ist, was in 2 mit „j“ gekennzeichnet ist, so wird zu dem Schritt 2.V übergegangen, bei dem die eigentliche MR-Bildaufnahme eines Untersuchungsbereichs FOV des Patienten gestartet wird. Alternativ zu einem automatisierten Starten der MR-Bildaufnahme nach der Wartezeit TW kann auch zu dem Schritt 2.I zurückgekehrt werden, was in 2 durch einen gestrichelten Pfeil angedeutet ist, und ein neuer Atemanhaltbefehl AAH ausgegeben werden. Anschließend erfolgt dann erneut ein Aufzeichnen einer Atemkurve AK bei dem Schritt 2.II bzw. 2.IIb usw. Falls bei dem Schritt 2.III ermittelt wurde, dass der Zeitpunkt TAAH des Beginns des Atemanhaltezustands erreicht ist, was in 2 mit „j“ gekennzeichnet ist, so wird ebenfalls zu dem Schritt 2.V übergegangen und die eigentliche MR-Bildaufnahme eines Untersuchungsbereichs FOV des Patienten gestartet.
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In 3 sind zwei Atemkurven AK eines Patienten gezeigt. Bei der Atemkurve AK in dem linken Schaubild wurde dem Patienten direkt vor Beginn des Aufzeichnens der Atemkurve AK ein Befehl AAH zum Anhalten des Atems erteilt. Anhand des Abflachens der Kurve bei etwa 600 Repetitionszyklen lässt sich die Reaktionszeit TAAH des Patienten, für eine Repetitionszeit TR = 5 ms sind das etwa 3s, ermitteln. Im Zusammenhang mit der Atemkurve AK des rechten Schaubilds in 3 wurde dem Patienten etwa nach 1000 Repetitionszyklen ein Befehl AAH zum Anhalten seines Atems gegeben. Wie anhand des rechten Schaubilds zu erkennen ist flacht die Atemkurve AK bei etwa 1500 Repetitionszyklen ab, so dass anhand des Schaubilds bei einer Repetitionszeit TR = 5 ms eine Reaktionszeit TAAH von etwa 2,5s ermittelt wird. Der Zeitpunkt des Starts der eigentlichen MR-Bildaufnahme kann also anhand der aufgezeichneten Atemkurve AK recht exakt festgelegt werden. Der Zeitpunkt, bei dem der Patient seinen Atem anhält, kann auf verschiedene Weise ermittelt werden. Beispielsweise kann eine Standardabweichung von Phasenwerten PHW, welche in einem gleitenden Zeitfenster aufgezeichnet wurden, ermittelt werden. Unterschreitet zum Beispiel ein Wert der Standardabweichung einen vorbestimmten Schwellwert, weil die Atemkurve AK aufgrund des Beginns des Atemanhaltezustands des Patienten abflacht, so wird dies als Auslösesignal zum Starten der MR-Bildgebung genutzt. Alternativ kann auch eine zeitliche Ableitung der aufgezeichneten Phasenwerte PHW ermittelt werden. Unterschreitet der Wert der Ableitung der aufgezeichneten Phasenwerte PHW einen vorbestimmten Schwellwert, so kann davon ausgegangen werden, dass der Patient den Atem anhält und die MR-Bildgebung kann gestartet werden. Alternativ können die genannten Vergleiche anstatt mit einem Schwellwert auch mit Werten, welche im Rahmen der Echtzeitaufzeichnung der Atemkurve zu früheren Zeitpunkten aufgezeichnet wurden, ausgeführt werden. Wurden in einer Lernphase LPH Phasenwerte PHW bestimmten Atemzuständen zugeordnet, so können auch die Phasenwerte PHW direkt mit einem in der Lernphase ermittelten Referenzwert RW oder Referenzwerteintervall verglichen werden und der Startzeitpunkt TAAH der MR-Bildgebung in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis festgelegt werden.
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In 4 ist eine Atemsynchronisierungseinrichtung 40 schematisch dargestellt. Die Atemsynchronisierungseinrichtung 40 kann zum Beispiel Teil einer Steuereinrichtung eines Magnetresonanzbildgebungssystems (siehe 5) sein. Die Atemsynchronisierungseinrichtung 40 umfasst eine Rohdatenerfassungseinheit 41, welche Rohdaten, in diesem Ausführungsbeispiel Navigator-k-Raum-Daten NKRD empfängt, die im Rahmen einer Navigatorbild-Akquisition aufgezeichnet wurden. Die Rohdaten NKRD werden an eine Phasenwert-Ermittlungseinheit 42 übermittelt, welche aus den Rohdaten NKRD Phasenwerte PHW extrahiert. Die Phasenwerte PHW werden anschließend an eine Atembewegungs-Ermittlungseinheit 43 übergeben. Die Atembewegungsermittlungseinheit 43 umfasst eine Atemkurvenaufzeichnungseinheit 43a, welche dazu eingerichtet ist, auf Basis der empfangenen Phasenwerte PHW eine Atemkurve AK eines zu untersuchenden Patienten in Echtzeit aufzuzeichnen. Weiterhin umfasst die Atembewegungs-Ermittlungseinheit 43 eine Auswertungseinheit 43b, welche auf Basis der erfassten Atemkurve AK den Zeitpunkt TAAH ermittelt, bei dem der Patient beginnt, den Atem tastsächlich anzuhalten. Auf Basis dieser Zeitinformation TAAH kann zum Beispiel ein Auslösesignal SB über eine Startsynchronisierungseinheit 44 an eine Sequenzsteuereinheit (nicht gezeigt) übermittelt werden, welche das Ausspielen einer MR-Pulssequenz für eine Bildaufzeichnung eines zu untersuchenden Bereichs eines Patienten in Antwort auf den Auslösebefehl startet. Weiterhin umfasst die Atemsynchronisierungseinrichtung 40 eine Befehlsausgabeeinheit 45 zum automatisierten Ausgeben einer Anweisung AAH an den Patienten O, den Atem anzuhalten. Die Befehlsausgabeeinheit 45 steht mit der Atembewegungs-Ermittlungseinheit 43 in Verbindung, um einen Start der Arbeit der Atembewegungs-Ermittlungseinheit 43, beispielsweise durch Übermittlung eines Auslösesignals AS2 auszulösen, nachdem ein Atemanhaltebefehl AAH erteilt wurde. Weiterhin umfasst die Atemsynchronisierungseinrichtung 40 eine Navigatorsequenz-Erzeugungseinheit 46, mit der eine Navigatorpulssequenz NPS erzeugt wird, um Navigator-k-Raumdaten NKRD von der Atembewegung des Patienten aufzunehmen. Die Navigatorsequenz-Erzeugungseinheit 46 übermittelt an die Befehlsausgabeeinheit 45 ein Auslösesignal AS1, um die Befehlsausgabeeinheit 45 dazu zu veranlassen, einen Atemanhaltebefehl AAH, in diesem Fall nach dem Ausspielen der Navigatorpulssequenz NPS, automatisiert auszugeben. Andere Zeitpunkte für das Ausspielen des Atemanhaltebefehls AAH sind ebenfalls möglich. Beispielsweise kann der Atemanhaltebefehl auch zeitlich vor dem Ausspielen der Navigatorpulssequenz NPS ausgegeben werden. Für den Fall, dass eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, ohne dass der Patient den Atem anhält, kann umgekehrt auch von der Atembewegungs-Ermittlungseinheit 43 an die Befehlsausgabeeinheit 45 ein Auslösesignal AS3 übermittelt werden, um an den Patienten erneut einen Atemanhaltebefehl AAH auszugeben.
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In 5 ist grob schematisch eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage 1 (im Folgenden kurz „MR-Anlage“ genannt) dargestellt. Sie umfasst zum einen den eigentlichen Magnetresonanzscanner 2 mit einem Untersuchungsraum 3 bzw. Patiententunnel, in den auf einer Liege 8 ein Untersuchungsobjekt O, bzw. hier ein Patient oder Proband, in dessen Körper sich das Untersuchungsobjekt, beispielsweise ein bestimmtes Organ, befindet, eingefahren werden kann.
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Der Magnetresonanzscanner 2 ist in üblicher Weise mit einem Grundfeldmagnetsystem 4, einem Gradientensystem 6 sowie einem HF-Sendeantennensystem 5 und einem HF-Empfangsantennensystem 7 ausgestattet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem HF-Sendeantennensystemen 5 um eine im Magnetresonanzscanner 2 fest eingebaute Ganzkörperspule, wogegen das HF-Empfangsantennensystem 7 aus am Patienten bzw. Probanden anzuordnenden Lokalspulen besteht (in 5 nur durch eine einzelne Lokalspule symbolisiert). Grundsätzlich kann aber auch die Ganzkörperspule als HF-Empfangsantennensystem genutzt werden und die Lokalspulen als HF-Sendeantennensystem, sofern diese Spulen jeweils in unterschiedliche Betriebsweisen umschaltbar sind.
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Die MR-Anlage 1 weist weiterhin eine zentrale Steuereinrichtung 13 auf, die zur Steuerung der MR-Anlage 1 verwendet wird. Diese zentrale Steuereinrichtung 13 umfasst eine Sequenzsteuereinheit 14 zur Pulssequenzsteuerung. Mit dieser wird die Abfolge von Hochfrequenz-Pulsen (HF-Pulsen) und von Gradientenpulsen in Abhängigkeit von einer gewählten Bildgebungssequenz gesteuert. Eine solche Bildgebungssequenz kann beispielsweise innerhalb eines Mess- oder Steuerprotokolls vorgegeben sein. Üblicherweise sind verschiedene Steuerprotokolle für unterschiedliche Messungen in einem Speicher 19 hinterlegt und können von einem Bediener ausgewählt (und bei Bedarf gegebenenfalls geändert) und dann zur Durchführung der Messung genutzt werden.
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Zur Ausgabe der einzelnen HF-Pulse weist die zentrale Steuereinrichtung 13 eine Hochfrequenzsendeeinrichtung 15 auf, die die HF-Pulse erzeugt, verstärkt und über eine geeignete Schnittstelle (nicht im Detail dargestellt) in das HF-Sendeantennensystem 5 einspeist. Zur Steuerung der Gradientenspulen des Gradientensystems 6 weist die Steuereinrichtung 13 eine Gradientensystemschnittstelle 16 auf. Die Sequenzsteuereinheit 14 kommuniziert in geeigneter Weise, z. B. durch Aussendung von Sequenzsteuerdaten SD, mit der Hochfrequenzsendeeinrichtung 15 und der Gradientensystemschnittstelle 16 zur Aussendung der Pulssequenzen. Die Steuereinrichtung 13 weist außerdem eine (ebenfalls mit der in geeigneter Weise mit der Sequenzsteuereinheit 14 kommunizierende) Hochfrequenzempfangseinrichtung 17 auf, um koordiniert vom HF-Sendeantennensystem 7 empfangene Magnetresonanz-Signale, d.h. Rohdaten, zu akquirieren. Eine Rekonstruktionseinheit 18 übernimmt die akquirierten Rohdaten und rekonstruiert daraus die MR-Bilddaten. Diese Bilddaten können dann beispielsweise in einem Speicher 19 hinterlegt werden und/oder für den Fall von Navigatorbilddaten in einer erfindungsgemäßen Atemsynchronisierungseinrichtung 40 weiterverarbeitet werden, um eine MR-Bildgebung in der Phase eines Atemstillstands des Patienten O zu starten. Die Atemsynchronisierungseinrichtung 40 gibt zum Beispiel einen Steuerbefehl SB an die Sequenzsteuereinheit 14, um Sequenzsteuerdaten SD betreffend eine Navigatorpulssequenz NPS oder eine MR-Bildaufnahmepulssequenz BPS zu starten. Weiterhin weist die Atemsynchronisierungseinrichtung 40 auch eine Verbindung mit einer Audio-Kommunikationseinheit 11 an dem Magnetresonanzscanner 2 auf, um dem Patienten O Atemanhalteanweisungen AAH zu übermitteln.
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Eine Bedienung der zentralen Steuereinrichtung 13 kann über ein Terminal mit einer Eingabeeinheit 10 und einer Anzeigeeinheit 9 erfolgen, über das somit auch die gesamte MR-Anlage 1 durch eine Bedienperson bedient werden kann. Auf der Anzeigeeinheit 9 können auch MR-Bilder angezeigt werden, und mittels der Eingabeeinheit 10 ggf. in Kombination mit der Anzeigeeinheit 9 können Messungen geplant und gestartet, und insbesondere geeignete Steuerprotokolle mit geeigneten Messsequenzen wie oben erläutert ausgewählt und gegebenenfalls modifiziert, werden.
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Die erfindungsgemäße MR-Anlage 1 und insbesondere die Steuereinrichtung 13 können darüber hinaus noch eine Vielzahl von weiteren, hier nicht im Einzelnen dargestellten, aber üblicherweise an solchen Geräten vorhandenen Komponenten aufweisen, wie beispielsweise eine Netzwerkschnittstelle, um die gesamte Anlage mit einem Netzwerk zu verbinden und Rohdaten und/oder Bilddaten bzw. Parameterkarten aber auch weitere Daten, wie beispielsweise patientenrelevante Daten oder Steuerprotokolle, austauschen zu können.
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Wie durch ein Einstrahlen von HF-Pulsen und die Erzeugung von Gradientenfeldern geeignete Rohdaten akquiriert und daraus MR-Bilder rekonstruiert werden können, ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt und wird hier nicht näher erläutert. Ebenso sind verschiedenste Messsequenzen, wie z. B. EPI-Messsequenzen oder Messsequenzen zur Erzeugung von diffusionsgewichteten Bildern, dem Fachmann vom Grundsatz her bekannt.
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Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung handelt und dass die Erfindung vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. So wurden das Verfahren zum Synchronisieren einer MR-Bildgebung mit einem Atem-Ruhezustand eines Patienten bei einer Untersuchung mit angehaltenem Atem und die Atemsynchronisierungseinrichtung 40 in erster Linie anhand einer Aufnahme einer Atemkurve AK mit Hilfe einer Navigator-Pulssequenz erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt, sondern die Aufnahme einer Atemkurve kann auch grundsätzlich mit Hilfe von externen Detektionsmitteln, wie zum Beispiel Atemgürteln oder Sensoren realisiert werden. 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.