DE102017207904A1

DE102017207904A1 - Verfahren zur Aufnahme eines Magnetresonanzdatensatzes, Steuerungseinrichtung sowie Datenverarbeitungsprogramm

Info

Publication number: DE102017207904A1
Application number: DE102017207904.5A
Authority: DE
Inventors: David Grodzki; Thomas Kluge
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2017-05-10
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2018-11-15
Also published as: US11137468B2; US20180329010A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Aufnahme eines Magnetresonanzdatensatzes mit den Schritten (a) Bereitstellen einer Magnetresonanz-Sequenz (16); (b) Umsetzen der Magnetresonanz-Sequenz (16) in ein digitales Sequenzablaufsignal, welches einen Ziel-Gradientenverlauf in Form eines zeitdiskreten Ziel-Gradientensignals (41) umfasst; (c) Berechnen eines Pre-GIRF-Gradientensignals (45) durch Anwenden eines digitalen Vorverzerrungsfilters (44) auf das Ziel-Gradientensignal; (d) Übermitteln des Pre-GIRF-Gradientensignals (45) an die Magnetresonanzanlage (1); und (e) Ausführen des digitalen Sequenzablaufsignals mit dem Pre-GIRF-Gradientensignal (45) durch die Magnetresonanzanlage.

Description

In der Magnetresonanz-Bildgebung werden Gradientenfelder zur Ortsauflösung der gemessenen Signale benötigt. Im Allgemeinen werden dazu in der klinischen MRT (Magnetresonanztomographie) lineare Gradientenfelder auf den orthogonalen Achsen x, y, und z erzeugt, wobei die z-Richtung zumeist in Richtung des Hauptmagnetfelds zeigt. Die Gradientenfelder werden mittels drei Gradientenspulen erzeugt, welche jeweils ein Feld in x-, y- und z-Richtung erzeugen.
Damit die Bildgebungsschichten bzw. -volumina frei positionierbar sind, werden die Gradientenfelder der drei Gradientenspulen miteinander kombiniert bzw. überlagert, so dass die Lese-, Phasen- und Schichtrichtung unabhängig von der x-, y- und z-Richtung gelegt werden kann. Dies hat zur Folge, dass eigentlich immer, wenn ein Gradientenfeld in einer MR-Sequenz geschaltet wird, in der Realität wenigstens zwei oder alle drei Gradientenspulen bei der Erzeugung des Gradientenfeldes involviert sind.
Aufgrund der hohen Ströme in der Gradientenspule können Effekte wie Wirbelströme, Felder höherer Ordnung oder auch Magnetfeldkomponenten in x- und y- Richtung auftreten, die die Messung stören können. Diese Effekte werden beim Designen der Gradientenspulen und bei den Sequenz- und Protokolleinstellungen beachtet, und stören die klinische Diagnose daher meist nicht entscheidend.
Ein weiterer, bisher in der Bildgebung kaum beachteter Effekt sind die systemspezifischen „Gradient Impulse Response Functions“ (GIRFs). Bei diesen handelt es sich um Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Gradientenfeldern, die durch die Gradientenspulen erzeugt werden. Mit anderen Worten beschreiben GIRF die Auswirkung der Gradientenachsen untereinander, wenn beispielsweise ein auf einer ersten Achse erzeugter Gradient die Gradientenkurven zumindest einer weiteren Achse beeinflusst. Die Ursachen hierfür liegen z. B. in der Spulengeometrie, durch die die Spulen sich gegenseitig induktiv beeinflussen, und den elektronischen Signalpfaden.
Das bedeutet, dass vom System nicht eine erste, vom Sequenzentwickler für eine Kodierung definierte Gradientenkurve wiedergegeben wird, sondern eine zweite Gradientenkurve realisiert wird, die von der ersten Gradientenkurve abweichen kann. Dadurch kann es zu Fehlkodierungen oder anderen Effekten kommen, die zu Artefakten oder Bildqualitätseinbußen führen.
Bei gleichmäßiger kartesischer Abtastung des k-Raums kommt es zumeist zu leichten Momentenfehlern, die von der k-Raum-Position unabhängig sind und im Bild eine kleine lineare Phase hinterlassen. Bei schnellen „single-short“ und/oder nichtkartesischen k-Raum-Trajektorien (Spirale, EPI, Radial) sind die Trajektorienfehler abhängig von der k-Raum-Position und führen zu erheblichen Artefakten
Im Folgenden wird dieser Effekt als GIRF-basierte Abweichung oder GIRF-induzierte Gradientenstörung bezeichnet.
Die Korrektur dieses Problems wird derzeit erforscht. Bei der sogenannten GIRF-Methode nach Signe Johanna Vannesjö wird das Gradientensystem als lineares zeitinvariantes (LTI) System beschrieben. Dies erlaubt die Vorhersage der tatsächlich realisierten Gradientenkurve mittels Faltung der vom Sequenzentwickler definierten Gradientenkurve mit den GIRFs.
In der Dissertation von Signe Johanna Vannesjö, „Characterizing and Correcting for Imperfect Field Dynamics in Magnetic Resonance Imaging", DISS. ETH NO. 21558, 2013 wird beschrieben, wie die GIRF dazu verwendet werden kann, die programmierten Gradientenkurven vorzuverzerren, so dass bei den tatsächlich ausgespielten Kurven die Cross-Terme verschwinden.
Jedoch ist es nicht möglich, die Tiefpass-Charakteristik des Gradientensystems zu vermeiden.
Allerdings funktioniert dies derzeit nur „offline“, indem ein gewünschter Gradientenverlauf eines Protokolls eingelesen, ein korrigierter Verlauf berechnet, und dieser zum Scanner getragen wird.
Im einzelnen beschreibt Vannesjo et al.: „Image Reconstruction Using a Gradient Impulse Response Model for Trajectory Prediction", Magnetic Resonance in Medicine 76:45-58 (2016), dass sich die GIRF-basierten Abweichungen aus Messungen nach folgender Formel ermitteln lassen: $G I R F_{l, m} (ω) = \frac{Σ_{j} I_{l, j}^{*} (ω) \cdot O_{l, m, j}^{(m e a s)} (ω)}{Σ_{j} {| I_{l, j} (ω) |}^{2}}$
wobei

l = x, y, z: die Gradientenachse,
m = 0, x, y, z: das Ausgabefeld, und
j = 1, 2, 3, ...: den Eingangspuls,
: die gemessenen Feldwerte und
I_l,j(ω): die Eingangswerte

Die Messungen der Gradientenfeldwerte können wie in Vannesjo et al.: Gradient System Characterization by Impulse Response Measurements with a Dynamic Field Camera, Magnetic Resonance in Medicine 69:583-593 (2013) beschrieben vorgenommen werden.
Auf Basis der gemessenen GIRF-basierten Abweichungen kann ein Gradientenwert $O_{m}^{(p r e d)} (ω)$
unter Berücksichtigung der Abweichungen ermittelt werden: $O_{m}^{(p r e d)} (ω) = Σ_{j} I_{l, j} (ω) \cdot G I R F_{l, m} (ω)$
Mit dieser Formel können den angelegten Steuerungssignalen Gradientenfeldwerte unter Berücksichtigung des GIRF-Effektes zugeordnet werden.
Dabei werden die Gradientenfelder als lineare und zeitinvariante (LTI) Felder betrachtet.
Ein Problem bei dieser Korrektur der GIRF-basierten Abweichungen besteht darin, dies nur „offline“ funktioniert, d.h. vor der Durchführung einer Korrektur müssen alle Gradientensteuerungssignale, d.h. das gesamte Sequenzablaufsignal, bekannt sein, um dieses einer Korrektur unterziehen zu können. Die zeitbasierten Gradientensteuerungssignale müssen in den Frequenzraum fouriertransformiert werden, um dann nach einer Korrektur wieder in den Zeitraum zurücktransformiert zu werden, was einer Faltung in der Zeitdomäne entspricht. Es ist daher nicht möglich, eine Echtzeit-Sequenz zu verwenden, welche während der Aufnahme angepasst wird, z.B. an eine Bewegung des Patienten.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Aufnahme eines Magnetresonanzdatensatzes anzugeben, bei dem GIRF-induzierte Gradientenfehler korrigiert werden. Insbesondere soll ein automatisiertes und recheneffizientes Verfahren zur Korrektur von GIRF-induzierten Gradientenfehlern angegeben werden.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1, einer Steuerungseinrichtung gemäß Anspruch 14 sowie einem Datenverarbeitungsprogramm gemäß Anspruch 15 gelöst.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Aufnahme eines Magnetresonanzdatensatzes wird zunächst eine Magnetresonanz-Sequenz, auch Puls-Sequenz genannt, bereitgestellt. Die Magnetresonanz-Sequenz umfasst eine Definition einer Folge von Hochfrequenz-Pulsen, z. B. Anregungspulse und Refokussierungspulse, sowie koordiniert dazu auszusendende Gradientenpulse entlang verschiedener Gradientenachsen in den verschiedenen Raumrichtungen. Zeitlich passend hierzu werden Auslesefenster gesetzt, in denen die induzierten Magnetresonanz-Signale (Rohdaten) erfasst werden.
Eine Magnetresonanz-Sequenz wird typischerweise in einer verallgemeinerten Form programmiert, welche dann an die konkrete Messung, z. B. die konkret ausgewählte Schichtdicke und die Orientierung der Schichten im Raum, angepasst wird. Beispielsweise gibt die programmierte Magnetresonanz-Sequenz Gradientenpulse in Lese-, Phasen- und Schichtrichtung vor, welche anhand der vorgegebenen Orientierung der Schichten im Raum in Gradientenpulse in x-, y- und z-Richtung umgerechnet werden müssen. Eine Magnetresonanz-Sequenz ist also noch nicht unmittelbar dazu geeignet, eine Magnetresonanzanlage zu steuern, sondern muss vorher erst in ein - in dieser Anmeldung so genanntes - Sequenzablaufsignal umgesetzt werden. Erst das digitale Sequenzablaufsignal umfasst die Steuerungssignale, welche direkt an die Magnetresonanzanlage (auch Scanner genannt) übermittelt werden können und dann z. B. eine Hochfrequenzantenneneinheit zur Aussendung der einzelnen Hochfrequenz-Pulse und eine Gradienteneinheit mit den Gradientenspulen zur Aussendung der einzelnen Gradientenpulse ansteuert.
Zur Ermöglichung dieses Ablaufs ist eine Magnetresonanz-Sequenz und/oder das daraus erzeugte Sequenzablaufsignal in einzelne Eventblöcke unterteilt. Das Ende eines Eventblockes in der Magnetresonanz-Sequenz zeigt der Steuerungseinrichtung der Magnetresonanzanlage an, dass das bis zu diesem Zeitpunkt errechnete bzw. umgesetzte Sequenzablaufsignal nun final und aussendebereit ist, d. h. in der Zukunft liegende Programmelemente der Magnetresonanz-Sequenz können das Sequenzablaufsignal nicht mehr beeinflussen. Es wird also immer ein Eventblock nach dem anderen abgearbeitet und die entsprechenden Sequenz-Ablaufsignale dann Eventblock nach Eventblock an den Scanner übermittelt.
Erfindungsgemäß wird die GIRF-Korrektur nicht etwa im Vorhinein auf die Magnetresonanz-Sequenz bzw. den Sequenz-Code angewendet, sondern erst nach der Umsetzung der Magnetresonanz-Sequenz in ein digitales Sequenzablaufsignal. Das Sequenzablaufsignal enthält ein zeitdiskretes Ziel-Gradientensignal, also eine digitale Folge von Abtastpunkten, die den Ziel-Gradientenverlauf für die x-, y- und/oder z-Gradientenspule angeben und direkt zur Ansteuerung der Gradienteneinheit geeignet sind. Auf dieses Ziel-Gradientensignal wird ein digitaler Vorverzerrungsfilter angewendet, welcher das Signal verändert und in ein Pre-GIRF-Gradientensignal umwandelt.
Vorzugsweise geschieht dies „on the fly“ jeweils auf ein kurzes Zeitfenster des Ziel-Gradientensignals. Insbesondere werden dabei jeweils laufend die Abtastpunkte des Ziel-Gradientensignals in den digitalen Filter eingespeist. Für jeden eingespeisten Abtastpunkt des Ziel-Gradientensignals wird ein gefilterter Abtastpunkt des Pre-GIRF-Gradientensignals ausgegeben, wobei jeweils eine festgelegte Anzahl von Abtastpunkten bearbeitet wird. Das Zeitfenster, auf das der digitale Filter wirkt, ist vorzugsweise so kurz, dass die Korrektur quasi in Echtzeit stattfindet. Somit kann die Magnetresonanz-Sequenz auch noch während der Aufnahme des Magnetresonanzdatensatzes angepasst werden, wie dies beispielsweise bei Echtzeit-Sequenzen erforderlich ist. Bei solchen Sequenzen werden beispielsweise Patientenbewegungen erfasst und die Schichten nachgeführt. Die Bewegung ist z. B. eine Atembewegung oder der Herzschlag.
Ein Vorteil der Erfindung ist daher, dass die Sequenz in Echtzeit reagieren kann. Darüber hinaus kann ein digitaler Filter wie der Vorverzerrungsfilter sehr recheneffizient umgesetzt werden.
Vorzugsweise ist das Pre-GIRF-Gradientensignal derart vorverzerrt, dass der tatsächlich bei der Aufnahme in der Magnetresonanzanlage erzeugte Ist-Gradientenverlauf dem Ziel-Gradientenverlauf näher kommt, als wenn das Ziel-Gradientensignal (d. h. ohne den digitalen Vorverzerrungsfilter) direkt ausgeführt worden wäre. Das Gradientensignal wird also durch den Vorverzerrungsfilter derart verändert, dass GIRF-induzierte Gradientenstörungen verringert oder sogar beseitigt werden. Das tatsächlich ausgeführte Pre-GIRF-Gradientensignal ist also vorzugsweise derart vorverzerrt, dass die Effekte, die durch die systemspezifischen „Gradient Impulse Response Functions“ beschrieben werden, zumindest teilweise korrigiert werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass es vollkommen unabhängig von der Sequenz bei jeder beliebigen Messung dazu geschalten werden kann, ohne dass Eingriffe in den Sequenz-Code an sich notwendig wären. Dadurch kann das Verfahren für den Benutzer, aber auch den Sequenzentwickler vollkommen automatisch und unsichtbar mitlaufen. Zudem können weitere, zusätzliche Optimierungsschritte hinzugefügt werden, wie weiter unten beschrieben.
Beim Design des digitalen Vorverzerrungsfilters werden vorzugsweise die Erkenntnisse aus den zitierten Stand der Technik von Signe Johanna Vannesjö angewendet. Jedoch unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren von dem vorbekannten darin, dass nicht die gesamte Sequenz bekannt sein muss, sondern eben nur die Länge des Zeitfensters des Vorverzerrungsfilters. Dies führt naturgemäß nicht zu einer mathematisch exakten Lösung, sondern einer Näherung, mit dem Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren automatisch und „on the fly“ durchgeführt werden kann.
Da die GIRF-induzierte Gradientenstörungen systemspezifisch sind, wird der Vorverzerrungsfilter für jeden Gerätetyp oder für jedes Gerät einmal vorkonfiguriert. Für das Design des Vorverzerrungsfilters können z.B. ein heuristischer Ansatz oder ein lineares Optimierungssystem verwendet werden.
Mit dem Vorverzerrungsfilter muss der Gradientenverlauf nicht Fourier-transformiert werden, um eine Korrektur zu ermöglichen, sondern der erfindungsgemäße digitale Vorverzerrungsfilter wird in der Zeitdomäne auf das Ziel-Gradientensignal angewendet. Das Gradientensignal wird also im Zeitbereich bearbeitet und wird nicht in den Frequenzraum Fouriertransformiert.
Vorzugsweise wird die Länge des Vorverzerrungsfilters (also die Länge des Zeitfensters) so gewählt, dass die Kontrolleinheit noch in Echtzeit Schritt halten kann. Andererseits ist bei der Wahl der Länge zu beachten, dass die Frequenzauflösung umso größer ist, je länger das Zeitfenster ist. Daher ist der digitale Vorverzerrungsfilter vorzugsweise nicht länger als 10 ms. Vorzugsweise wird der Vorverzerrungsfilter auf eine Signallänge von 0,2 bis 10 ms, stärker bevorzugt 0,5 bis 5 ms, noch stärker bevorzugt 1 bis 3 ms angewendet. D. h. es werden jeweils die Abtastpunkte des Ziel-Gradientensignals in diesem Zeitfenster von dem digitalen Filter verarbeitet, indem die Abtastpunkte einer nach dem anderen in den Filter eingespeist werden und ein korrigierter Abtastpunkt (d. h. ein Punkt des Pre-GIRF-Gradientensignals) nach dem anderen ausgegeben wird. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, dass der digitale Vorverzerrungsfilter für die Berechnung eines einzelnen Punktes weniger Zeit brauchen muss, als die Zeitauflösung (Dwell-Time) des Ziel-Gradientensignals. Das Ziel-Gradientensignal ist nämlich Teil des Sequenzablaufsignals, welches direkt an die Magnetresonanzanlage übermittelt und somit direkt zur Ansteuerung der Gradienteneinheit verwendet wird. Zu diesem Zeitpunkt ist eine Verzögerung also nicht mehr möglich. Vorteilhaft ist die Rechenzeit für jeden einzelnen Ausgabewert des Pre-GIRF-Gradientensignals also kleiner als die Zeitauflösung des Ziel-Gradientensignals, insbesondere 5 bis 10mal kleiner. Insgesamt erzeugt der digitale Vorverzerrungsfilter z.B. eine Gesamtverzögerungszeit von 0.2-10ms, vorzugsweise 0.5-5ms.
Der digitale Vorverzerrungsfilter wird vorzugsweise so designt, dass sowohl mechanische Resonanzen, die Cross-Terme (also die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Gradienten in x-, y- und z-Richtung), als auch Gradientenfehler höherer Ordnungen korrigiert oder zumindest teilweise korrigiert werden. Das einzige, was durch den Filter nicht korrigiert werden kann, ist ein inhärenter Low-Pass-Filter, welcher bei der Ausführung eines digitalen Sequenzablaufsignals mit Gradientensignal durch eine Magnetresonanzanlage automatisch erfolgt, d. h. der tatsächliche Gradientenverlauf weist gegenüber dem Ziel-Gradientenverlauf nicht mehr die hohen Frequenzen auf.
Als zusätzliche Optimierungsschritte kommt z. B. das Verfahren der DE 10 2014 203 867 A1 /B4 in Betracht, wobei der Inhalt dieser Patentschriften vollumfänglich in diese Anmeldung aufgenommen wird.
Bei dem dort beschriebenen Verfahren geht es ebenfalls darum, eine Magnetresonanz-Sequenz zu optimieren. Das in DE 10 2014 203 867 A1 vorgestellte Verfahren ist in der Lage, einen zur Ausführung an die Magnetresonanzanlage übermittelten Sequenzverlauf abzufangen, zu optimieren und in optimierter Form an die Magnetresonanzanlage weiter zu leiten. Durch die Definition von optimierbaren Bereichen, in denen die Gradientenkurven z.B. komplett mit Spline-Verläufen, die nur Start-, Endpunkt und Gradientenmoment unverändert belassen, ersetzt werden, werden besonders „gradientenschonende“ und damit leise Messungen ermöglicht.
Bei einer bevorzugten Variante erfolgt beispielsweise eine Optimierung zumindest eines Gradientenpulses zur Geräuschreduzierung. Auch hier wird die Optimierung an den aussendebereiten Sequenzablaufsignalen vorgenommen. Dabei wird zumindest ein Gradientenpuls automatisch optimiert, welcher während zumindest eines veränderbaren Zeitintervalls liegt, wobei bei dem automatischen Optimieren des zumindest einen Gradientenpulses dessen erstes Moment berücksichtigt wird. Das nullte Moment ist das Integral der Gradientenamplitude über die Zeitdauer des Gradientenpulses und bestimmt die Ortskodierung. Das erste Gradientenmoment ist definiert als das Integral über der Amplitude des Gradientenpulses multipliziert mit der Zeit, integriert über die Zeitdauer des Gradientenpulses, und ist in einigen Sequenzen relevant für die Flusskodierung. In dem Verfahren gemäß DE 10 2014 203 867 B4 werden also Gradientenpulse unter Berücksichtigung ihrer Gradientenmomente optimiert.
Besonders bevorzugt werden die Gradientenpulse dabei „geglättet“, d. h. wo der Zeitablauf der Sequenz es zulässt, werden die „Ecken“ des Gradienten-Shapes der Gradientenpulse abgerundet, wobei das nullte Gradientenmoment (also die Fläche unter dem Gradienten-Shape) gleich bleibt. Gerade bei Phasiergradientenpulsen kann dadurch der gleiche Effekt auf schonendere Weise erreicht werden. Allerdings sind vorzugsweise Gradientenpulse, während denen ein Hochfrequenz-Puls ausgesendet werden oder Messdaten ausgelesen werden sollen, von der Glättung ausgeschlossen, weil es bei diesen Gradienten nicht ausreicht, wenn nur das nullte Gradientenmoment konstant bleibt.
Dieses Verfahren kann vorteilhaft mit der gegenwärtigen Erfindung kombiniert werden, wobei die beiden Optimierungsschritte bevorzugt nacheinander auf das digitale Sequenzablaufsignal angewendet werden.
Dabei kann der digitale Vorverzerrungsfilter vor oder nach der bekannten Gradientenoptimierung zur Geräuschreduzierung gemäß DE 10 2014 203 867 B4 (im Folgenden „Gradientenoptimierung“ genannt) angewendet werden. Wenn zunächst die Gradientenoptimierung auf das Ziel-Gradientensignal angewendet wird, werden damit die Shapes der Gradientenpulse flächentreu abgerundet, sodass die Gradientenpulse weniger Kanten aufweisen.
Der Output der Gradientenoptimierung ist somit ein optimiertes Ziel-Gradientensignal, wiederum in Form bzw. als Teil eines digitalen Sequenzablaufsignals, welches dazu geeignet ist, direkt zum Ausführen in die Magnetresonanzanlage eingespeist zu werden. Vorher wird dann aber noch der digitale Vorverzerrungsfilter auf das Signal angewendet. Beide Optimierungsschritte werden für jeden einzelnen umgesetzten Eventblock durchgeführt. Vorteilhaft liegt die Verzögerung jedes einzelnen Optimierungsschrittes im Millisekundenbereich, zusammen vorzugsweise unter 15ms, bevorzugt unter 10 ms, sodass die Magnetresonanz-Sequenz immer noch in Echtzeit reagieren kann. Die o.g. zeitliche Randbedingungen, dass die Kontrolleinheit noch in Echtzeit Schritt halten kann und dass der digitale Vorverzerrungsfilter für die Berechnung eines einzelnen Punktes weniger Zeit brauchen muss, als die Zeitauflösung (Dwell-Time) des Ziel-Gradientensignals, gilt auch für die Kombination der beiden Verfahren (Gradientenoptimierung und digitaler Vorverzerrungsfilter).
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind der digitale Vorverzerrungsfilter und die Gradientenoptimierung derart aufeinander abgestimmt, dass die bei der Konfigurierung des digitale Vorverzerrungsfilters gewonnenen Erkenntnisse über die systemspezifischen „Gradient Impulse Response Functions“ beim Design des Gradientenoptimierungsverfahrens berücksichtigt werden, insbesondere Erkenntnisse über systemspezifische Resonanzfrequenzen. Zum Beispiel werden die GIRF-induzierten Gradientenstörungen ausgewertet, um das Design der Gradientenoptimierung effektiver zu machen. Beispielsweise werden im Rahmen der GIRF-basierten Abweichungen bei bestimmten Frequenzen Resonanzen entdeckt, die eine starke Geräuschentwicklung vermuten lassen. Dann können beim Design der Gradientenoptimierung gerade diese Frequenzen verstärkt herausgefiltert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren etwa wie folgt ausgeführt:
Es wird eine Magnetresonanz-Sequenz bereitgestellt, welche z. B. abhängig von Protokoll-Parametern, wie bisher bekannt, definiert wurde, z. B. mittels der IDEA-Sequenzentwicklungsumgebung. Diese wird für die Aufnahme in ein digitales Sequenzablaufsignal umgesetzt. Dieses Sequenzablaufsignal entspricht im Allgemeinen einem optimalen Verlauf. In dem Sequenzablaufsignal sind auch die Ziel-Gradientensignale enthalten, die den optimalen Verlauf aufweisen. Dieses Sequenzablaufsignal wird nun Eventblock für Eventblock ausgegeben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Ziel-Gradientensignal nun abgefangen, und in einer bevorzugten Ausführungsform wird gleich das o.g. Gradientenoptimierungsverfahren zur Geräuschreduktion angewendet. Danach wird das Gradientensignal zwischengespeichert, insbesondere wird es vor oder bei der Anwendung des digitalen Vorverzerrungsfilters rollierend zwischengespeichert oder gepuffert. Mit „Rollierend“ ist gemeint, dass stets nur die für den Vorverzerrungsfilter benötigte Signallänge gespeichert wird und der Speicherinhalt somit ständig erneuert wird. Der Zwischenspeicher kann Teil des Vorverzerrungsfilters sein oder auch getrennt davon. Mit dem digitalen Vorverzerrungsfilter werden nun neue Gradientenverläufe anhand eines Algorithmus berechnet, die so ausgestaltet sind, dass sie nach Einwirken der erwarteten GIRF-Einflüsse dem Ziel-Gradientenverlauf entsprechen. Diese berechneten Gradientenkurven werden Pre-GIRF-Gradientensignal genannt.
Die so berechneten Pre-GIRF-Gradientensignale werden an die Magnetresonanzanlage übermittelt und die darin enthaltenen Befehle werden ausgeführt.
Damit der digitale Filter gleich am Anfang eines Eventblocks seine Arbeit aufnehmen kann, wird der Inhalt des Zwischenspeichers (Puffers) bei Beenden eines Eventblocks jeweils an den nachfolgenden Eventblock weitergereicht, um das Pre-GIRF-Gradientensignal zu berechnen. In anderen Worten wird die Filter-Historie, d. h. die noch nicht fertig bearbeiteten und noch nicht ausgegebenen Abtastpunkte des Gradientensignals, von Eventbock zu Eventblock weitergereicht.
Die Erfindung ist auch auf eine Steuerungseinrichtung einer Magnetresonanzanlage gerichtet, welche zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist. Die Steuerungseinrichtung wird z.B. von einem Steuerungscomputer wie z. B. einer Konsole der Magnetresonanzanlage gebildet, kann aber auch in jedem anderen Computer realisiert sein. Die Steuerungseinrichtung umfasst insbesondere einen Prozessor, einen Datenspeicher und vorzugsweise eine Eingabe- und Ausgabeschnittstelle zum Benutzer, beispielsweise Tastatur, Maus, Touchpad und/oder Bildschirm. Vorzugsweise ist der digitale Vorverzerrungsfilter in einer Kontrolleinheit realisiert, welche ebenfalls Teil der Steuerungseinrichtung ist.
Die Implementierung des vorgenannten Verfahrens in der Steuerungseinrichtung kann dabei als Software oder aber auch als (fest verdrahtete) Hardware erfolgen. Das Verfahren ist bevorzugt ein Verfahren zur Aufnahme eines Bilddatensatzes.
Schließlich ist die Erfindung auch auf ein Datenverarbeitungsprogramm gerichtet, welches Software-Code-Abschnitte aufweist, welche eine Steuerungseinrichtung bzw. einen Computer dazu veranlassen, das oben beschriebene Verfahren auszuführen, wenn die Software-Code-Abschnitte auf der Steuerungseinrichtung ausgeführt werden. Das Datenverarbeitungsprogramm kann auf einem Datenträger gespeichert sein.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen:

1 eine Magnetresonanzanlage,
2 eine Magnetresonanz-Sequenz in einer ersten Ausgestaltung,
3 eine Magnetresonanz-Sequenz in einer zweiten Ausgestaltung,
4 einen Ablaufplan zur Erzeugung eines Pre-GIRF-Gradientensignals,
5 eine Magnetresonanz-Sequenz in einer dritten Ausgestaltung,
6 ein Ablaufschema zur Aufnahme eines Magnetresonanzdatensatzes.

1 zeigt eine Magnetresonanzanlage 1. Diese weist drei Gradientenspulen 2, 3 und 4 auf. Die Gradientenspulen 2, 3 und 4 erzeugen jeweils ein Gradientenfeld in x-, y- und z-Richtung. Dabei ist in der Achsendarstellung die Achse 6 die z-Achse, die Achse 5 die x-Achse und die Achse 7 die y-Achse.
Zur Erzeugung von Gradientenfeldern in Leserichtung 8, Phasenrichtung 9 und Schichtrichtung 10 werden die durch die Gradientenspulen 2, 3 und 4 erzeugten Gradientenfelder überlagert, um die effektiven Gradientenfelder in beliebige Raumrichtungen drehen zu können. Liegt die Schichtrichtung 10 in Richtung der Achse 5, so ist eine Spule, z.B. die Spule 2 ausreichend, um das Gradientenfeld in Schichtauswahlrichtung zu erzeugen. Liegt die Schichtrichtung aber wie im Achsenfeld 11 gezeigt, ergibt sich das gewünschte Gradientenfeld durch eine Kombination von durch zwei oder drei der Gradientenspulen 2, 3 und 4 erzeugten Gradientenfeldern.
Bei den meisten Messungen sind daher immer mehrere Gradientenspulen 2, 3 und 4 bestromt, selbst wenn im Sequenzdiagramm lediglich ein einziger Gradientenpuls dargestellt ist.
Die Magnetresonanzanlage weist zur Steuerung eine Steuerungseinrichtung 12 auf. Diese umfasst neben einem Datenträger 13 auch eine Kontrolleinheit 14 und eine Adaptiereinheit 15 zur Anpassung bzw. Umsetzung von auf dem Datenträger 13 abgespeicherten Magnetresonanz-Sequenzen 16. Über eine Anzeigeeinrichtung und eine Eingabeeinrichtung kann die Magnetresonanzeinrichtung gesteuert werden.
Die Kontrolleinheit 14 und die Adaptiereinheit 15 sind bevorzugt als Softwareprogramme ausgebildet. Sie können in einen Arbeitsspeicher der Steuerungseinrichtung 12 geladen und verwendet werden.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm 17 einer nicht optimierten Magnetresonanz-Sequenz 16, und zwar ein Spinecho 18 mit einem vorhergehenden Sättigungsmodul 19 und einer internen Spoilereinheit 20. Dargestellt sind in der obersten Zeitachse die HF-Pulse, darunter die Gradientenpulse in Leserichtung 8, Phasenrichtung 9 und Schichtrichtung 10.
Das Sättigungsmodul 19 umfasst einen Sättigungspuls 21 und einen Spoilergradienten 22. Dieser ist rein exemplarisch in Schichtrichtung 10 eingezeichnet, es können auch weitere Spoilergradienten in Leserichtung 8 oder Phasenrichtung 9 verwendet werden. Das Spinecho 18 weist bekanntermaßen als Bestandteile einen 90°-Anregungspuls 23, einen Refokussierpuls 24, einen Schichtauswahlgradienten 25, eine Schicht-Rephasiergradienten 26, eine Phasengradienten 27, eine Lese-Dephasiergradienten 28 und einen Lesegradienten 29 auf. Durch diese wird ein Echo 30 erzeugt. Zur Beseitigung von Imperfektionen des Refokussierimpulses 24 wird die Spoilereinheit 20 mit zwei Spoilergradienten 32 und 33 verwendet. Durch den zweiten Spoilergradienten 33 wird alles Signal, das nicht durch den Refokussierimpuls 24 refokussiert wurde, dephasiert.
3 zeigt das Ergebnis eines ersten Verfahrensschrittes zur Verringerung von gradientenbasierten Artefakten, nämlich der aus DE 10 2014 203 867 bekannten Gradientenoptimierung unter Berücksichtigung der Momente der Gradientenpulse, insbesondere unter Beibehaltung des nullten Gradientenmoments. Dabei können bspw. im vorliegenden Beispiel die Spoilergradienten 32 und 33 mit den Gradientenrampen 34 zu einem Kombinationsgradienten 35 zusammengefasst werden. Auch können der Spoilergradient 22 und die Gradientenrampe 34 vor dem Schichtauswahlgradienten 25 zu einem Kombinationsgradienten 36 kombiniert werden. Dagegen kann der Lese-Dephasiergradient 28 in zwei Teilgradienten 37 und 38 aufgeteilt werden, unter Wahrung der Fläche unter den Gradientenkurven. Diese Maßnahmen sollen insbesondere die Slew-Rate und damit die Geräuschentwicklung verringern.
Lediglich die Stärke und Dauer des Schichtauswahlgradienten 25 und des Lesegradienten 29 dürfen nicht verändert werden, damit die Schichtdicke und die Auflösung unverändert bleiben.
4 zeigt ein Beispiel für die erfindungsgemäße Verarbeitung der Gradientensignale:
Durch die Steuerungseinrichtung 12 wird eine Magnetresonanz-Sequenz 16 mit Ziel-Gradientenverläufen 39 bereitgestellt. Die Magnetresonanz-Sequenz wird von der Adaptiereinheit 15 angepasst und in ein ausführbereites Sequenzablaufsignal einschließlich einem Ziel-Gradientensignal 41 umgewandelt. Dieses ist in einzelne Eventblöcke 42 aufgeteilt, welche jeweils im Feed-Forward bearbeitet werden, d.h. innerhalb eines Eventblocks 42 ist eine Rückkopplung und nachträgliche Veränderung des Sequenzablaufsignals nicht mehr möglich.
Im Stand der Technik wird das Ziel-Gradientensignal 41 direkt zur Ansteuerung der Gradienteneinheit mit den Gradientenspulen 2, 3, und 4 verwendet (gestrichelter Pfeil). In der Erfindung ist nun jedoch zumindest der Vorverzerrungsfilter 44 zwischengeschaltet, welcher Teil der Kontrolleinheit 14 ist. D.h., das Ziel-Gradientensignal 41 wird in Echtzeit in den Vorverzerrungsfilter 44 eingegeben, wobei die Eventblöcke 42 direkt nacheinander ohne Lücke vom Vorverzerrungsfilter 44 abgearbeitet werden. Dabei wird das Ziel-Gradientensignal 41 über die Länge des Filters gepuffert. Für jeden eingegebenen Abtastpunkt des Ziel-Gradientensignals 41 wird ein Abtastpunkt des Pre-GIRF-Gradientensignals 45 ausgegeben, so dass die Verzögerungszeit im Wesentlichen nur die Filterlänge beträgt, also bevorzugt unter 10ms.
Vor dem Vorverzerrungsfilter 44 wird das Ziel-Gradientensignal 41 vorzugsweise der aus DE 10 2014 203 867 bekannten Gradientenoptimierung 43 unterzogen. Auch dies geschieht „on the fly“ mit einer im Millisekundenbereich liegenden Verzögerung.
Das so optimierte Pre-GIRF-Gradientensignal 45 wird an die Gradientenspulen 2, 3, 4 übermittelt, wo es die Ist-Gradientenverläufe erzeugt. Die Ist-Gradientenverläufe sind näher an den Ziel-Gradientenverläufen, als wenn das Ziel-Gradientensignal 41 direkt verwendet worden wäre.
5 zeigt ein Diagramm der resultierenden Magnetresonanz-Sequenz bei Anwendung der Kontrolleinheit 14. Im Vergleich zu 3 wurden die Gradientenströme an einigen Stellen verändert, wobei die dargestellten Veränderungen lediglich beispielhaft und schematisch dargestellt sind. Die gestrichelten Linien zeigen dabei die ursprünglichen Ziel-Gradientensignale und die darunter liegenden Linien die Pre-GIRF-Gradientensignale.
6 zeigt ein Ablaufschema zur Aufnahme eines Magnetresonanzdatensatzes. In Schritt S1 wird eine Magnetresonanz-Sequenz 16 bereitgestellt. Die Parameter der Magnetresonanz-Sequenz können mittels einer Adaptiereinheit 15 angepasst werden. Dabei können beispielsweise die Auflösung, die Anzahl und Lage der Schichten und andere Messparameter eingestellt werden.
In Schritt S2 wird daraus ein ausführbereites Sequenzablaufsignal einschließlich einem Gradientensteuerungssignal, dem Ziel-Gradientensignal 41, erzeugt.
Mit Beginn der Messung in Schritt S3 beginnt auch die Übergabe des Ziel-Gradientensignals 41 an die Kontrolleinheit 14.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Ziel-Gradientensignal 41 in Schritt S3 noch gradientenoptimiert, insbesondere durch Glättung einiger Gradientenpulse. Dabei werden wie oben beschrieben insbesondere die Ecken abgerundet und daher die Geräuschreduzierung minimiert.
Das so optimierte Ziel-Gradientensignal 41 wird dann in Schritt S4 Eventblock für Eventblock in den digitalen Vorverzerrungsfilter 44 eingespeist, und das gefilterte Pre-GIRF-Gradientensignal 45 wird wieder ausgegeben.
In Schritt S5 wird das so bearbeitete Pre-GIRF-Gradientensignal 45 als Teil des Sequenzablaufsignals an die Magnetresonanzanlage weitergegeben und damit die Magnetresonanzuntersuchung durchgeführt.
Dabei kann die Steuerungseinheit in Echtzeit auf Ereignisse im Patienten oder Ergebnisse der Datenauswertung reagieren, d.h. die Magnetresonanz-Sequenz kann während der Messung verändert werden, und zukünftige Eventblöcke werden in den Schritten S2 bis S4 wiederum automatisch mit dem Vorverzerrungsfilter bearbeitet.
In der vorliegenden Erfindung wird somit ein Verfahren und ein Algorithmus zur automatischen Korrektur von GIRF-induzierten Gradientenfehlern vorgestellt, der so ausgestaltet ist, dass der am Scanner tatsächlich realisierte Gradientenverlauf dem vom Benutzer vorgegeben Ziel-Gradientenverlauf zumindest annähern entspricht. Dazu wird, in einem Algorithmus ein „Pre-GIRF-Gradientenverlauf“ ermittelt.
Das Verfahren umfasst, wie oben genauer beschrieben, im Wesentlichen die Schritte:

1. Abfangen einer ersten Zielsequenz
2. Erstellen einer zweiten Sequenz, die so ausgestaltet ist, dass sie nach einer systemspezifischen Störung der ersten Zielsequenz entspricht
3. Aussenden und Ausführen der zweiten Sequenz.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014203867 A1 [0033, 0034]
DE 102014203867 B4 [0035, 0038]
DE 102014203867 [0057, 0062]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Signe Johanna Vannesjö, „Characterizing and Correcting for Imperfect Field Dynamics in Magnetic Resonance Imaging“, DISS. ETH NO. 21558, 2013 [0009]
Vannesjo et al.: „Image Reconstruction Using a Gradient Impulse Response Model for Trajectory Prediction“, Magnetic Resonance in Medicine 76:45-58 (2016) [0012]
Vannesjo et al.: Gradient System Characterization by Impulse Response Measurements with a Dynamic Field Camera, Magnetic Resonance in Medicine 69:583-593 (2013) [0013]

Claims

Verfahren zur Aufnahme eines Magnetresonanzdatensatzes mit einer Magnetresonanzanlage mit den Schritten: a) Bereitstellen einer Magnetresonanz-Sequenz (16); b) Umsetzen der Magnetresonanz-Sequenz (16) in ein digitales Sequenzablaufsignal, welches einen Ziel-Gradientenverlauf (39) in Form eines zeitdiskreten Ziel-Gradientensignals (41) umfasst; c) Berechnen eines Pre-GIRF-Gradientensignals (45) durch Anwenden eines digitalen Vorverzerrungsfilters (44) auf das Ziel-Gradientensignal; d) Übermitteln des Pre-GIRF-Gradientensignals (45) an die Magnetresonanzanlage (1); und e) Ausführen des digitalen Sequenzablaufsignals mit dem Pre-GIRF-Gradientensignal (45) durch die Magnetresonanzanlage bei der Aufnahme eines Magnetresonanzdatensatzes.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Pre-GIRF-Gradientensignal (45) derart vorverzerrt ist, dass der tatsächlich bei der Aufnahme in der Magnetresonanzanlage (1) erzeugte Ist-Gradientenverlauf dem Ziel-Gradientenverlauf näher kommt als bei Ausführung des Ziel-Gradientensignals (41).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Pre-GIRF-Gradientensignal (45) derart vorverzerrt ist, dass die Effekte, die durch die systemspezifischen „Gradient Impulse Response Functions“ beschrieben werden, zumindest teilweise korrigiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der digitale Vorverzerrungsfilter (44) in der Zeit-Domäne auf das Ziel-Gradientensignal (41) angewendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der digitale Vorverzerrungsfilter (44) „on the fly“ jeweils auf ein Zeitfenster bestimmter Länge des Ziel-Gradientensignals (41) angewendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der digitale Vorverzerrungsfilter (44) auf eine Signallänge von 0.2-10ms, vorzugsweise 0.8-5ms, des Ziel-Gradientensignals angewendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der digitale Vorverzerrungsfilter (44) für jeden einzelnen Ausgabewert des Pre-GIRF-Gradientensignal eine Rechenzeit benötigt, die kleiner ist als die Zeitauflösung des Ziel-Gradientensignals, insbesondere 5-10 mal kleiner.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ziel-Gradientensignal (41) vor oder bei der Anwendung des digitalen Vorverzerrungsfilters rollierend in einem Zwischenspeicher zwischengespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Magnetresonanz-Sequenz (16) zumindest zwei Eventblöcke (42) umfasst und beim Umsetzen der Magnetresonanz-Sequenz (16) in ein digitales Sequenzablaufsignal jeweils ein Eventblock nach dem anderen abgearbeitet wird, und wobei der Inhalt des Zwischenspeichers bei Beenden eines Eventblocks jeweils an den nachfolgenden Eventblock weitergereicht wird, um das Pre-GIRF-Gradientensignal zu berechnen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnetresonanz-Sequenz eine Echtzeit-Sequenz ist, welche während der Aufnahme anpassbar ist, insbesondere an eine Bewegung eines Patienten, von dem der Magnetresonanzdatensatz erstellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem Gradientenoptimierungsfilter (43) zumindest ein Gradientenpuls (35) des Ziel-Gradientensignals (41) oder des Pre-GIRF-Gradientensignals (45) optimiert, insbesondere geglättet, wird, um eines oder mehrere der folgenden Effekte zu erreichen: - Reduzierung der Anforderungen an das Gradientensystem, - Beschleunigung der Aufnahme des Magnetresonanzdatensatzes, - Reduzierung der Geräuschentwicklung während der Aufnahme.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der zumindest eine Gradientenpuls (35) unter Berücksichtigung zumindest des ersten Gradientenmoments des Gradientenpulses (35) optimiert wird, insbesondere unter Konstanthaltung des nullten Gradientenmoments.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Gradientenoptimierungsfilter (43) und der digitale Vorverzerrungsfilter (44) derart aufeinander abgestimmt sind, dass bei der Konfigurierung des digitale Vorverzerrungsfilters (44) gewonnene Erkenntnisse über die systemspezifischen „Gradient Impulse Response Functions“ beim Design des Gradientenoptimierungsfilters (43) berücksichtigt werden, insbesondere Erkenntnisse über systemspezifische Resonanzfrequenzen.
Steuerungseinrichtung (12) für eine Magnetresonanzanlage (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (12) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet ist.
Datenverarbeitungsprogramm, welches Softwarecode-Abschnitte aufweist, welche einen Steuerungseinrichtung (12) dazu veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen, wenn die Softwarecode-Abschnitte auf der Steuerungseinrichtung ausgeführt werden