DE102018218471B3 - Verfahren zur Magnetresonanzbildgebung mit Zusatzgradientenpulsen, Magnetresonanzeinrichtung, Computerprogramm und elektronisch lesbarer Datenträger - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Magnetresonanzbildgebung eines Aufnahmebereichs (1) bei einer Untersuchung eines Patienten mit einer Magnetresonanzeinrichtung (14), wobei eine Magnetresonanzsequenz verwendet wird, die einen Zusatzgradientenpuls (10) einer vorgegebenen Gradientenform entlang wenigstens einer zu einer Ausleserichtung senkrechten Zusatzgradientenausgaberichtung (3, 12) während eines auf eine k-Raumlinie bei kartesischer Abtastung bezogenen Auslesezeitfensters (7) der Magnetresonanzsequenz verwendet, wobei zur Ermittlung eines Magnetresonanzdatensatzes aus mittels der Magnetresonanzsequenz aufgenommenen Magnetresonanzsignalen zur Berücksichtigung des Zusatzgradientenpulses (10) eine die durch den Zusatzgradientenpuls (10) verzerrte tatsächliche Abtasttrajektorie beschreibende Punktspreizfunktion verwendet wird, wobei zur Ermittlung der Punktspreizfunktion in einer Vorabmessung für jede der Zusatzgradientenausgaberichtungen (3, 12)- eine außerhalb des Isozentrums der Magnetresonanzeinrichtung (14) liegende Schicht (4, 13) in dem Aufnahmebereich (1) gewählt wird, die sich in einer zu der aktuell betrachteten Zusatzgradientenausgaberichtung (3, 12) senkrechten Ebene erstreckt,- nach einer jeweiligen schichtselektiven Anregung der ausgewählten Schicht (4, 13) erste Kalibrierungsdaten unter Verwendung des Zusatzgradientenpulses (10) der aktuell betrachteten Zusatzgradientenausgaberichtung (3, 12) und zweite Kalibrierungsdaten unter Weglassen des Zusatzgradientenpulses (10) jeweils entlang einer k-Raumlinie aufgenommen werden, wobei derselbe Zeitablauf von Zusatzgradientenpuls (10) und Auslesezeitfenster (7) wie in der Magnetresonanzsequenz verwendet wird, und- aus den ersten und zweiten Kalibrierungsdaten die Punktspreizfunktion für die aktuell betrachtete Zusatzgradientenausgaberichtung (3, 12) berechnet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Magnetresonanzbildgebung, insbesondere zur simultanen Magnetresonanzbildgebung aus mehreren Schichten oder zur 3D-Bildgebung mit Unterabtastung entlang einer oder mehrerer Phasenkodierungsrichtungen, eines Aufnahmebereichs bei einer Untersuchung eines Patienten mit einer Magnetresonanzeinrichtung, wobei eine Magnetresonanzsequenz verwendet wird, die einen Zusatzgradientenpuls einer vorgegebenen Gradientenform entlang wenigstens einer zu einer Ausleserichtung senkrechten Zusatzgradientenausgaberichtung während eines auf eine k-Raumlinie bei kartesischer Abtastung bezogenen Auslesezeitfensters der Magnetresonanzsequenz verwendet, wobei zur Ermittlung eines Magnetresonanzdatensatzes aus mittels der Magnetresonanzsequenz aufgenommenen Magnetresonanzsignalen zur Berücksichtigung des Zusatzgradientenpulses eine die durch den Zusatzgradientenpuls verzerrte tatsächliche Abtasttrajektorie beschreibende Punktspreizfunktion verwendet wird. Daneben betrifft die Erfindung eine Magnetresonanzeinrichtung, ein Computerprogramm und einen elektronisch lesbaren Datenträger.
  • Die Magnetresonanzbildgebung ist als medizinische Bildgebungsmodalität inzwischen etabliert. Eine Vielzahl weiterer Bildgebungstechniken zielt dabei darauf ab, die Gesamtmesszeit bei der Untersuchung eines Patienten zu reduzieren. Ein wesentlicher Ansatzpunkt hierbei ist die parallele Bildgebung („parallel imaging“). Hierbei werden insbesondere mehrere Empfangsspulen in der Magnetresonanzeinrichtung eingesetzt, wobei im Zusammenhang der parallelen Bildgebung insbesondere vorgeschlagen wurde, mehrere Schichten eines Aufnahmebereichs gleichzeitig, das bedeutet in einem gemeinsamen Teilauslesevorgang nach gemeinsamer Anregung, zu erfassen. Die entsprechende Bildgebungstechnik ist dabei als SMS-Bildgebungstechnik (Simultaneous Multi-Slice) bekannt geworden. Hierdurch ist eine deutliche Reduzierung der Gesamtaufnahmezeit möglich. Allerdings ist es bei der SMS-Bildgebung notwendig, aus den aufgenommenen Magnetresonanzsignalen Magnetresonanzdaten für die einzelnen Schichten abzuleiten. Hierbei existiert das Problem des sogenannten Aliasing, zu dessen Behandlung auch bereits unterschiedliche Methoden vorgeschlagen wurden. Bei 2D-Sequenzen entstehen unterabtastungsähnliche Artefakte durch die gleichzeitige Anregung und Auslese mehrerer Schichten. Die genannten Ansätze und Probleme existieren sowohl in 2D- als auch in 3D-Varianten. Dabei werden in 3D-Varianten zwei Phasenkodierungsrichtungen in einem aufzunehmenden Volumen genutzt, wobei durch Unterabtastung in den Phasenkodierungsrichtungen ein analoger Fall entsteht.
  • Ein bekannter Ansatz ist unter dem Namen „Controlled Aliasing In Parallel Imaging Results IN Higher Acceleration“ (CAIPIRIHA, häufig auch kurz CAIPI) bekannt geworden, vgl. hierzu beispielsweisen die Artikel von F. Breuer et al, „Controlled aliasing in parallel imaging results in higher acceleration (CAIPIRINHA) for multi-slice imaging“, Magn. Reson. Med. 53 (2005), Seiten 684 bis 691, für die 2D-Anwendung und, ebenso von F. Breuer et al, „Controlled aliasing in volumetric parallel imaging (2D CAIPIRINHA)“, Magn. Reson. Med. 55 (2006), Seiten 549-556, für die 3D-Anwendung. Im 2D-Fall wird im Wesentlichen die Phase der simultan angeregten Schichten moduliert. Dies löst Verschiebungen zwischen den Schichten in der Phasenkodierungsrichtung zwischen Schichten, bei denen Aliasing auftritt, aus, so dass auf diese Art die Variation in den Spulensensitivitätsprofilen über die Schichten erhöht wird und so das Schicht-Dealiasing verbessert wird. Die SMS-Bildgebung bzw. 3D-Bildgebung mit CAIPIRINHA lässt sich mit einer Vielzahl von Sequenztypen einsetzen, beispielsweise Turbo Spin Echo- (TSE-) Sequenzen, Steady State Free Precession- (SSFP-) Sequenzen, diffusionsgewichteten Sequenzen, Echoplanar-Bildgebung (EPI) und dergleichen.
  • Dabei wurden verschiedene Modifikationen der CAIPIRINHA-Methode im Stand der Technik bekannt, die während eines Auslesezeitfensters der eingesetzten Magnetresonanzsequenz neben dem Gradientenpuls in der Ausleserichtung gleichzeitig Zusatzgradientenpulse in zu der Ausleserichtung senkrechten Zusatzgradientenausgaberichtungen (also konkret der Schichtselektionsrichtung und der Phasenkodierungsrichtung) ausgeben, um Verschiebungen zwischen den gleichzeitig angeregten und auszulesenden Schichten bzw. das Volumen bei §D-Techniken durch Modifizierung der k-Raum-Phase und Kodierungsstrategie zu erreichen. Ein beispielhaftes, besonders vorteilhaftes Vorgehen dieser Art ist unter dem Namen Wave-CAIPI bekannt geworden, bei dem sinusförmige Zusatzgradientenpulse sowohl entlang der Phasenkodierungsrichtung als auch entlang der Schichtselektionsrichtung bzw. der anderen Phasenkodierungsrichtungen, also in beiden senkrecht zur Ausleserichtung liegenden Funktionsrichtungen, verwendet werden, wobei eine Phasenverschiebung um π/2 zwischen den zwei Wellenformen eingesetzt wird. Das Ergebnis ist ein hocheffizientes k-Raum-Abtastschema, welches die Aliasing-Effekte in allen räumlichen Richtungen gleichmäßig verteilt. Wave-CAIPI ist beispielsweise in dem Artikel von Berkin Bilgic et al., „Wave-CAIPI for Highly Accelerated 3D Imaging“ Magn. Reson. Med. 73 (2015), Seiten 2152 bis 2162, beschrieben. Eine besondere Variante eines Wave-CAIPI-Verfahrens wird weiterhin in der US20180164395A1 beschrieben.
  • Bei der Verwendung derartiger Zusatzgradientenpulse während des Auslesezeitfensters resultiert eine Modifikation der als kartesische Abtastung einer k-Raum-Linie angesetzten k-Raumtrajektorie (Gradiententrajektorie). Wie sich beispielsweise dem genannten Paper von Bilgic et al. entnehmen lässt, kann der Effekt solcher Zusatzgradientenpulse so verstanden werden, dass jede auszulesende k-Raumlinie im durch die Magnetisierung m(x, y, z) beschriebenen Bild mit einer Punktspreizfunktion (Point spread function - PSF) gefaltet wird, die von der räumlichen Position (y, z) abhängt, um das tatsächlich aufgenommene Zusatzgradientenpuls-Bild, bei sinusförmigen Gradientenpulsen beispielsweise wave[x, y, z] zu erhalten, in Formeln bei Wave-CAIPI: wave [ x ,  y ,  z ] = F x − 1 Psf [ k ,  y ,  z ] ( F x m [ x ,  y ,  z ] )
    Figure DE102018218471B3_0001
    wobei Fx den DFT-Operator der Ausleserichtung (hier x-Achse) beschreibt und die Punktspreizfunktion Psf[k,y,z] als Psf [ k ,  y ,  z ] = e − i 2 π ( P y [ k ] y + P x [ k ] z )
    Figure DE102018218471B3_0002
    geschrieben werden kann, mithin auch als Produkt von den Zusatzgradientenausgaberichtungen y, z zugeordneten Teil-Punktspreizfunktionen verstanden werden kann.
  • Nun gilt bei modernen Magnetresonanzeinrichtungen jedoch, dass Systemungenauigkeiten, insbesondere bezüglich der Gradienten, vorliegen, die Abweichungen zwischen der nominellen, also gewünschten, k-Raum-Trajektorie und der tatsächlichen k-Raum-Trajektorie zur Folge haben können. Bei der Anwendung von Zusatzgradientenpulsen, insbesondere der Wave-CAIPI-Technik, ist also eine hochqualitative Bildrekonstruktion nur dann möglich, wenn eine exakte Kenntnis der tatsächlichen k-Raum-Trajektorie, die durch die zugehörige Punktspreizfunktion beschrieben wird, vorliegt.
  • Um die durch die Zusatzgradientenpulse ausgehend von der ursprünglich als kartesische k-Raumlinie angesetzten k-Raum-Trajektorie modifizierte k-Raum-Trajektorie bzw. die Punktspreizfunktion zu erhalten, schlägt der Artikel von Bilgic et al. selbst vor, drei aufeinanderfolgende Messungen des kompletten dreidimensionalen k-Raums ohne Unterabtastung durchzuführen, wobei bei der ersten Messung der Zusatzgradientenpuls, dort Wave-CAIPI-Gradientenpuls, entlang der Phasenkodierungsrichtung, bei der zweiten Messung der Zusatzgradientenpuls entlang der Partitionssrichtung und bei der dritten Messung kein Zusatzgradientenpuls eingesetzt wird. Aus den jeweilig ermittelten Kalibrierungsdaten kann die Punktspreizfunktion entlang der Phasenkodierungsrichtung (beispielsweise y) und entlang der Schichtselektionsrichtung (z) errechnet werden. Die dort vorgeschlagene Messung nimmt jedoch einen äußerst langen Zeitraum in Anspruch, beispielsweise im Bereich von 20 Minuten. Nachdem die Trajektoriencharakterisierung jedoch letztlich vor jeder Untersuchung eines Patenten durchgeführt werden sollte, um eine möglichst hohe Qualität der Magnetresonanzbilddatensätze zu erhalten, ist das Vorgehen mithin in der Praxis nicht anwendbar, da eine massive Verlängerung der Gesamtuntersuchungsdauer vorliegen würde.
  • In einem Artikel von Stephen F. Cauley et al., „Autocalibrated Wave-CAIPI Reconstruction; Joint Optimization of k-Space Trajectory and Parallel Imaging Reconstruction", Magn. Reson. Med. 78 (2017), Seiten 1093 bis 1099, wird vorgeschlagen, eine datengetriebene Autokalibrierung der Punktspreizfunktion rein auf Basis des unterabgetasteten Wave-CAIPI-k-Raums ohne Erhebung zusätzlicher Messdaten durchzuführen. Dabei besteht allerdings das Problem, dass eine rechenzeitintensive nichtlineare Optimierung notwendig ist, um die Punktspreizfunktion zu bestimmen. Eine derartige nichtlineare Optimierung benötigt auf bekannten Recheneinrichtungen für klinisch relevante Protokolle teils mehrere Minuten. Dies ist nachteilhaft, da hierdurch wieder ein Zeitverlust entstehen kann. Zudem können bei einer nichtlinearen Optimierung auch Berechnungsfehler auftreten.
  • Schließlich wurde in einem Artikel von Jolanda Melissa Schwarz et al., „GRAPPA Reconstructed Wave-CAIPI MPRAGE at 7 Tesla“, ISMRM 2017, Abstract 5174, vorgeschlagen, eine Feldkamera zur Validierung oder direkten Messung der Punktspreizfunktion heranzuziehen. Die Verfügbarkeit einer Feldkamera stellt im klinischen Umfeld jedoch einen signifikanten Kostenfaktor dar, der einen breiten Einsatz erschwert. Zudem würde bei einer Änderung mancher Aufnahmeparameter, insbesondere Positionierung und Auflösung, eine Neuvermessung erforderlich sein.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte, insbesondere schnell durchführbare und keine weiteren Messvorrichtungen benötigende Möglichkeit zur Ermittlung einer Pulsspreizfunktion bei CAIPI-Methoden mit Zusatzgradientenpulsen, insbesondere Wave-CAIPI, anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, eine Magnetresonanzeinrichtung, ein Computerprogramm und einen elektronisch lesbaren Datenträger gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zur Ermittlung der Punktspreizfunktion in einer Vorabmessung für jede der Zusatzgradientenausgaberichtungen
    • - eine außerhalb des Isozentrums der Magnetresonanzeinrichtung liegende Schicht in dem Aufnahmebereich gewählt wird, die sich in einer zu der aktuell betrachteten Zusatzgradientenausgaberichtung senkrechten Ebene erstreckt,
    • - nach einer jeweiligen schichtselektiven Anregung der ausgewählten Schicht erste Kalibrierungsdaten unter Verwendung des Zusatzgradientenpulses der aktuell betrachteten Zusatzgradientenausgaberichtung und zweite Kalibrierungsdaten unter Weglassen des Zusatzgradientenpulses jeweils entlang einer k-Raumlinie aufgenommen werden, wobei derselbe Zeitablauf von Zusatzgradientenpuls und Auslesezeitfenster wie in der Magnetresonanzsequenz verwendet wird, und
    • - aus den ersten und zweiten Kalibrierungsdaten die Punktspreizfunktion für die aktuell betrachtete Zusatzgradientenausgaberichtung berechnet wird.
  • Die Erfindung bezieht sich dabei insbesondere auf Verfahren zur simultanen Magnetresonanzbildgebung aus mehreren Schichten oder zur 3D-Bildgebung mit Unterabtastung entlang einer oder mehrerer Phasenkodierungsrichtungen.
  • Dabei sei an dieser Stelle bereits angemerkt, dass der Verweis auf die kartesische Abtastung entlang einer k-Raumlinie sich auf die Grundstruktur des Auslesemoduls, welches für das Auslesezeitfenster andauert, ohne den wenigstens einen Zusatzgradientenpuls bezieht, mithin insbesondere durch den eigentlichen Auslesegradientenpuls in der Ausleserichtung definiert wird. Selbstverständlich wird durch den wenigstens einen Zusatzgradientenpuls die tatsächliche Trajektorie im k-Raum von der k-Raumlinie weg verändert, wie eingangs auch ausführlich dargelegt wurde. Nichtsdestotrotz wird die Abtastung im k-Raum aus Gründen der Zweckmäßigkeit weiterhin anhand der k-Raumlinien beschrieben, die sich ohne Zusatzgradientenpulse ergeben würden, nachdem sich die Punktspreizfunktionen ja auch auf die Rücktransformation zu eben diesen k-Raumlinien beziehen. Entsprechend wird die Punktspreizfunktion bei der Kalibrierungsmessung, wie sie erfindungsgemäß vorgesehen ist, auch bezogen auf eben diese k-Raumlinie, für die als unveränderte Trajektorie die zweiten Kalibrierungsdaten aufgenommen werden, ermittelt. Entsprechend setzt die vorliegende Erfindung auch implizit voraus, dass es sich um eine kartesisch angesetzte/angeordnete Aufnahme handelt.
  • Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, für jede Zusatzgradientenausgaberichtung, nachdem diese getrennt betrachtet werden können, um die Punktspreizfunktion zu ermitteln, nur noch eine einzige k-Raumzeile einer einzigen Schicht abgetastet wird, nachdem erkannt wurde, dass aufgrund der bestehenden Zusammenhänge diese Kalibrierungsdaten ausreichend sind, um die tatsächliche k-Raumtrajektorie und somit die Punktspreizfunktion mit hoher Genauigkeit zu ermitteln. Eine Abtastung nur einer einzigen k-Raumlinie lässt sich jedoch deutlich schneller durchführen, insbesondere selbst bei wiederholter Messung in nur wenigen Sekunden, wobei ferner die Berechnung der Punktspreizfunktion aus den ersten und zweiten Kalibrierungsdaten für jede Zusatzgradientenausgaberichtung unkompliziert und schnell erfolgen kann. Das bedeutet aber, die Trajektoriencharakterisierung kann letztlich „in vivo“ vor jeder Untersuchung durchgeführt werden, so dass nur eine unerhebliche Verlängerung der Gesamtuntersuchungsdauer erfolgt. Zudem ist keine rechenzeitintensive nichtlineare Optimierung notwendig, um die Punktspreizfunktion zu ermitteln, so dass auch hier Zeit und Rechenleistung eingespart werden können. Im Vergleich zur Verwendung einer Feldkamera ist für das vorgeschlagene Vorgehen keine dedizierte zusätzliche Hardware erforderlich; zum anderen lässt sich, wie sogleich noch genauer dargelegt wird, die Punktspreizfunktion aus denselben Kalibrierungsdaten auch bei einer Änderung der Positionierung und der Auflösung einfach neu ermitteln.
  • Nachdem die Punktspreizfunktion kontrastunabhängig ist, ist es besonders bevorzugt, eine „FLASH“-artige Anrege- und Auslesetechnik, insbesondere also eine FLASH-Bildgebungstechnik, zur Aufnahme der Kalibrierungsdaten zu verwenden, was insbesondere bei mehrfachem Auslesen der k-Raumzeilen zu Zeitersparnis führt. FLASH steht dabei für „Fast Angle Low Shot, also kleine Anregungswinkel, minimales TE/TR und die Verwendung von Crusher Gradienten nach dem Auslesevorgang. Damit ist ein weiterer fundamentaler Unterschied zu dem Vorgehen gemäß dem Artikel von Bilgic et al gegeben, weil dort die gleiche Magnetresonanzsequenz zur Kalibrierung wie zur Aufnahme verwendet wird.
  • Konkret kann die Berechnung der Teil-Punktspreizfunktionen für die einzelnen Zusatzgradientenausgaberichtungen in folgenden Schritten erfolgen:
    • - Berechnen einer lokalen Punktspreizfunktion für einen die Position der Schicht entlang der aktuell betrachteten Zusatzgradientenausgaberichtung beschreibenden Positionswert, insbesondere umfassend eine Division der ersten Kalibrierungsdaten durch die zweiten Kalibrierungsdaten (im Hybridraum (kx, y0)),
    • - Extrapolation der Punktspreizfunktion auf alle Positionswerte entlang der aktuell betrachteten Zusatzgradientenausgaberichtung in dem Aufnahmebereich unter Nutzung eines Extrapolationszusammenhangs.
  • Der erwähnte Extrapolationszusammenhang ist jedoch aus dem Stand der Technik bekannt bzw. herleitbar, wobei rein beispielhaft auf den eingangs zitierten Artikel von Berkin Bilgic et al. verwiesen sei, wonach die Formel (2) genau jenen Zusammenhang beschreibt, denn die Punktspreizfunktionen lassen sich problemlos nach den Zusatzgradientenausgaberichtungen, dort y und z, trennen, so dass beispielsweise für die y-Zusatzgradientenausgaberichtung gilt: Psf ( k x ,  y ) = e i P y ( k x ) y
    Figure DE102018218471B3_0003
  • Nachdem an einer Stelle y0 die so definierte Teil-Punktspreizfunktion für die aktuell betrachtete Zusatzgradientenausgaberichtung bekannt ist, lässt sich die Formel (3) nach Py (kx ) auflösen und dies bestimmen, so dass durch Verwendung des so bestimmten Py (kx ) die Teil-Punktspreizfunktion Psf (kx , y) auf den gesamten Aufnahmebereich, also das gesamte Field of View (FOV), ausgeweitet werden kann.
  • Es ist allgemein anzumerken, dass die ausgewählte Schicht dabei selbstverständlich einen Teil des aufzunehmenden Objekts enthalten sollte, um sinnvolle Kalibrierungsdaten zu erhalten. Unter dem Isozentrum ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der durch die Ausgestaltung der Gradientenspulen der Gradientenspulenanordnung der Magnetresonanzeinrichtung definierte Punkt zu verstehen, an dem die Gradientenfelder den Wert Null aufweisen, mithin das Grundmagnetfeld (B0-Feld) nicht durch die Gradientenfelder (Bx, By, Bz) verändert wird. Daher ist es auch für die vorliegende Erfindung wesentlich, die Schicht außerhalb dieses Isozentrums zu wählen, damit die Gradienten an der Position der Schicht (im obigen Beispiel y0) nicht 0 sind.
  • Der im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzte Zusatzgradientenpuls dient hierbei insbesondere der Umsetzung einer CAIPI-Methode, mithin insbesondere der gleichmäßigen Ausnutzung aller Raumrichtungen für das Aliasing. Dabei ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt, durch Verwendung einer sinusförmigen Gradientenform des Zusatzgradientenpulses eine Wave-CAIPI-Methode zu realisieren, da für diese besondere Vorteile, insbesondere hinsichtlich der Gleichverteilung und der Art der Faltung der k-Raum-Trajektorien, die zu einer hervorragenden Abtastung führt, gegeben sind.
  • Gradientenspulenanordnungen moderner Magnetresonanzeinrichtungen weisen üblicherweise für drei Hauptrichtungen/Gradientenrichtungen jeweils eine Gradientenspule auf, das bedeutet, jede der Gradientenspulen ist dazu ausgebildet, ein Gradientenfeld mit einem Gradienten entlang der ihr zugeordneten Gradientenrichtung zu erzeugen. Die Gradientenrichtungen werden dabei üblicherweise als x-, y- und z-Richtung bezeichnet. Für eine konkrete Untersuchung werden die entsprechend benötigten Funktionsrichtungen (Ausleserichtung, Phasenkodierungsrichtung und/oder Schichtselektionsrichtung) zweckmäßig, insbesondere je nach gewünschtem Magnetresonanzdatensatz, den Gradientenrichtungen zugeordnet. Beispielsweise kann bei einer Untersuchung eines Patienten vorgesehen werden, dass die x-Richtung als Ausleserichtung, die y-Richtung als Phasenkodierungsrichtung und die z-Richtung als Schichtselektionsrichtung gewählt wird. Dabei ist es, beispielsweise bei der Wave-CAIPI-Methode, üblich, beide verfügbaren Zusatzgradientenausgaberichtungen zu nutzen, mithin sowohl die Phasenkodierungsrichtung als auch die Schichtselektionsrichtung.
  • Eine entsprechende Zuordnung von Funktionsrichtungen zu Gradientenrichtungen ist auch im Rahmen der Kalibrierungsmessungen vorgesehen, wobei je nach aktuell betrachteter Zusatzgradientenausgaberichtung allerdings eine unterschiedliche Zuordnung erfolgt. Mit anderen Worten erfolgt für jede der wenigstens einen als eine der Gradientenrichtungen, zu denen eine Gradientenspule der Gradientenspulenanordnung der Magnetresonanzeinrichtung vorliegt, definierten Zusatzgradientenausleserichtungen eine passende Zuordnung von Funktionsrichtungen der zur Aufnahme der Kalibrierungsdaten genutzten Kalibrierungssequenz. Dabei wird konkret die aktuell betrachtete Zusatzgradientenausgaberichtung als die Schichtselektionsrichtung, die Ausleserichtung und die Phasenkodierungsrichtung als dazu senkrechte Gradientenrichtungen gewählt, wobei insbesondere bei zwei Zusatzgradientenausgaberichtungen die Ausleserichtung senkrecht zu beiden Zusatzgradientenausgaberichtungen, also wie bei der zur eigentlichen Aufnahme des Magnetresonanzdatensatzes genutzten Magnetresonanzsequenz, gewählt wird.
  • Die vorliegende Erfindung lässt sich auf jeden Sequenztyp von Magnetresonanzsequenzen anwenden, beispielsweise alle 3D-Sequenzen (z. B. GRE-Sequenzen, TurboFLASH (TFL), SPACE (3D-TSE), TSE-Sequenzen, EPI-Sequenzen und weiteren. Voraussetzung ist lediglich, dass zum einen eine kartesische Abtastung des k-Raums angesetzt ist, zum anderen die Kalibrierungssequenz auf die Magnetresonanzsequenz abgestimmt ist, konkret der Zeitablauf von Auslesezeitfenster (Analog-Digital-Wandler (ADC) aktiv) und Zusatzgradientenpulsen exakt gleich dem der Magnetresonanzsequenz ist. Es darf mithin kein zeitlicher Versatz im Vergleich zur Magnetresonanzsequenz bei der Kalibrierungssequenz auftreten.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die auszulesende k-Raumlinie der ausgewählten Schicht als eine das k-Raumzentrum (der ausgewählten Schicht) kreuzende k-Raumlinie gewählt wird. Hieraus resultiert der Vorteil, dass entlang dieser Zentrumslinie das maximal mögliche Signal-zu-Rausch-Verhältnis im k-Raum vorliegt. In dem Fall, dass sich die Schicht in der z-x-Ebene befindet, wird also die k-Raumlinie mit kz = 0 gewählt.
  • Besonders bevorzugt ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wenn die Aufnahme der ersten und der zweiten Kalibrierungsdaten zur statistischen Kombination, insbesondere Mittelung, mehrfach wiederholt wird. Mittelung ist dabei breit als eine statistische Ableitung eines zu verwendenden Kalbrierungsdatums zu verstehen. Beispielsweise kann eine gewichtete Mittelung und/oder eine Ausreißerdetektion stattfinden. Auf diese Weise können gemessene Kalibrierungsdaten mehrerer Wiederholungen gemittelt werden, um die letztlich zu verwendenden ersten und zweiten Kalibrierungsdaten zu erhalten. Nachdem das Auslesen einer einzigen k-Raumlinie äußerst schnell möglich ist, kommt es hierdurch vorteilhafter Weise nicht zu einer deutlichen Verlängerung der Messzeit dieser Kalibrierungsmessung. Ferner wird durch die Mittelung über mehrere einzelne Messvorgänge eine Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses und somit der Genauigkeit der Punktspreizfunktion erreicht.
  • In Weiterbildung der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass eine vom Isozentrum weitestmöglich beabstandete, einen Teil des Objekts enthaltende Schicht in dem Aufnahmebereich ausgewählt wird. Auf diese Weise werden größstmögliche Gradientenamplituden innerhalb der ausgewählten Schicht erreicht, was wiederum ebenso zu einer hochqualitativen Vermessung der Punktspreizfunktion beiträgt. Dabei ist zu erwähnen, dass auch die Schichtdicke einen optimierbaren Parameter darstellt. Eine höhere Schichtdicke verbessert das Signal-zu-Rauschverhältnis, reduziert aber die Genauigkeit der Extrapolation, da eine diskrete Position der Schicht erwartet wird, jedoch kein Kontinuum.
  • Vorteilhaft ist es ferner, wenn bei einer Veränderung der Auflösung außerhalb der Ausleserichtung für die vorzunehmende Untersuchung und/oder einer Änderung der Position des Aufnahmebereichs eine Neuberechnung der Punktspreizfunktion ohne Neuaufnahme von Kalibrierungsdaten erfolgt. Aufgrund der oben bereits beschriebenen Extrapolation auf den gesamten Aufnahmebereich erfordert das erfindungsgemäße Vorgehen keine erneute Messung bei der Änderung von Aufnahmeparametern, die sich auf die Positionierung und/oder die Auflösung außerhalb der Ausleserichtung beziehen, da in diesem Fall die Punktspreizfunktion einfach erneut ermittelt werden kann. Erneute Kalibrierungsmessungen entfallen.
  • Neben dem Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Magnetresonanzeinrichtung, aufweisend eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Steuereinrichtung. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Magnetresonanzeinrichtung übertragen. Dabei kann die Steuereinrichtung insbesondere wenigstens einen Prozessor und/oder ein Speichermittel enthalten. Funktionseinheiten einer solchen Steuereinrichtung können neben der ohnehin vorgesehenen Sequenzeinheit, die den Aufnahmebetrieb anhand der Magnetresonanzsequenz und der Kalibrierungssequenz steuert, eine Auswahleinheit zur Schichtauswahl und eine Berechnungseinheit zur Ermittlung der Punktspreizfunktion umfassen.
  • Ein erfindungsgemäßes Computerprogramm ist beispielsweise direkt in einen Speicher einer Steuereinrichtung einer Magnetresonanzeinrichtung ladbar und weist Programmmittel auf, um die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Steuereinrichtung der Magnetresonanzeinrichtung ausgeführt wird. Das Computerprogramm kann auf einem erfindungsgemäßen elektronisch lesbaren Datenträger gespeichert sein, welcher mithin darauf gespeicherte elektronisch lesbare Steuerinformationen umfasst, welche zumindest ein erfindungsgemäßes Computerprogramm umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in einer Steuereinrichtung einer Magnetresonanzeinrichtung ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführen.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
    • 1 einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • 2 eine Zuordnung von Funktionsrichtungen zu Gradientenrichtungen für eine erste Zusatzgradientenausgaberichtung,
    • 3 ein Sequenzdiagramm zur Aufnahme erster Kalibrierungsdaten,
    • 4 ein Sequenzdiagramm zur Aufnahme zweiter Kalibrierungsdaten,
    • 5 eine Zuordnung von Funktionsrichtungen zu Gradientenrichtungen für eine zweite Zusatzgradientenausgaberichtung,
    • 6 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzeinrichtung, und
    • 7 den funktionalen Aufbau einer Steuereinrichtung.
  • Im Folgenden wird ein konkretes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für eine Untersuchung eines Patienten mit einer Magnetresonanzeinrichtung dargestellt, die, wie grundsätzlich bekannt, eine Gradientenspulenanordnung mit drei Gradientenspulen, die jeweils einer der drei Gradientenrichtungen x-Richtung, y-Richtung und z-Richtung zugeordnet sind, aufweist. Zur Beschleunigung bei der Aufnahme des Magnetresonanzdatensatzes in einem Aufnahmebereich des Patienten, der als Untersuchungsobjekt beispielsweise den Kopf des Patienten enthält, soll SMS-Bildgebung unter Einsatz von Wave-CAIPI eingesetzt werden; der Sequenztyp der hierbei verwendeten Magnetresonanzsequenz ist dabei nicht wesentlich. Alternativ zur SMS-Bildgebung kann auch eine 3D-Bildgebung mit Unterabtastung entlang beider Phasenkodierungsrichtungen eingesetzt werden. Die Ausleserichtung bei der Aufnahme der zu dem Magnetresonanzdatensatz auszuwertenden Magnetresonanzsignale mit der Magnetresonanzsequenz soll vorliegend die x-Richtung sein, das bedeutet, Zusatzgradientenpulse einer Sinusform (Wave-CAIPI-Pulse), die zueinander um π/2 versetzt sind, werden entlang der y-Richtung und der z-Richtung (Phasenkodierungsrichtung und Schichtselektionsrichtung), ausgegeben. Um aus den Magnetresonanzdaten korrekt den Magnetresonanzdatensatz herzuleiten, wird zur Berücksichtigung der Effekte der Zusatzgradientenpulse, mithin zur Rückrechnung auf die eigentlich angesetzten k-Raumlinien in der kartesischen Abtastung, wie grundsätzlich bekannt eine Punktspreizfunktion verwendet, mit deren Bestimmung sich das im Folgenden dargestellte Verfahren zentral beschäftigt.
  • In einem Schritt S1 wird die Untersuchung vorbereitet, das bedeutet, zum Abschluss des Schrittes S1 sind bekannt: die Ausleserichtung (hier x-Richtung) bei Verwendung der Magnetresonanzsequenz, die Zusatzgradientenausgaberichtungen (hier y-Richtung und z-Richtung) und der Zeitablauf im Auslesemodul der Magnetresonanzsequenz, insbesondere also die Lage des Auslesezeitfensters und der genaue darauf bezogene Zeitablauf der Zusatzgradientenpulse.
  • In einem Schritt S2 beginnt sodann ein Kalibrierungsvorgang zur Ermittlung der Punktspreizfunktion, der vorliegend zweimal, einmal für jede Zusatzgradientenausgaberichtung, durchgeführt wird. Dazu wird zunächst eine Zusatzgradientenausgaberichtung ausgewählt, im hier näher erläuterten Ausführungsbeispiel zunächst die y-Richtung, um in einem Schritt S2 eine sich senkrecht zu dieser aktuell betrachteten Zusatzgradientenausgaberichtung erstreckende Schicht und eine Zuordnung von Gradientenrichtungen zu Funktionsrichtungen einer Kalibrierungssequenz zu wählen. Dies wird durch die Darstellung in 2 näher erläutert. Dort ist schematisch der Aufnahmebereich 1 angedeutet und zudem das Koordinatensystem 2 der Gradientenrichtungen x, y und z angedeutet. Die aktuell betrachtete Zusatzgradientenausgaberichtung 3 entspricht ersichtlich der y-Richtung. Entsprechend wird vorliegend die y-Richtung als Schichtselektionsrichtung (SL) gewählt. Die Ausleserichtung (RO) wird wie bei der Magnetresonanzsequenz als die x-richtung gewählt, die Phasenkodierungsrichtung (PE) folglich als z-Richtung.
  • Es wird nun eine Schicht 4 ausgewählt, die sich an einer Position y0 befindet, welche vom Isozentrum der Magnetresonanzeinrichtung entfernt ist, insbesondere so maximal entfernt, dass dennoch noch hinreichend viel zu untersuchendes Objekt, beispielsweise Kopf, in der Schicht 4 enthalten ist.
  • Im weiteren Verlauf des Schrittes S2 werden dann zunächst erste Kalibrierungsdaten mittels des in 3 gezeigten Sequenzdiagramms aufgenommen. Ersichtlich erfolgt demnach zunächst eine schichtselektive, vgl. Schichtselektionsgradientenpuls 5, Anregung, vergleiche Anregungspuls 6, der Schicht 4 vorgenommen. Die ersten Kalibrierungsdaten werden dann in einem in seiner Länge dem Auslesezeitfenster der später zu verwendeten Magnetresonanzsequenz entsprechenden Auslesezeitfenster 7, vgl. Auslesegradientenpuls 8 und ADC-Öffnung 9, aufgenommen. In exakt demselben Zeitablauf wie bei der Magnetresonanzsequenz wird entlang der Schichtselektionsrichtung der sinusförmige Zusatzgradientenpuls 10 ausgegeben, jedoch vorliegend nur dieser, nachdem für die Phasenkodierungsrichtung, vgl. unterster Graph 11, die der anderen Zusatzgradientenausgaberichtung entspricht, keine Zusatzgradientenpulse vorgesehen sind.
  • In einem weiteren Unterschritt des Schrittes S2 werden dann zweite Kalibrierungsdaten gemäß dem Sequenzdiagramm der 4 aufgenommen, bei dem der einzige Unterschied zu dem Sequenzdiagramm in 3 das Fehlen des Zusatzgradientenpulses 10 ist.
  • Dabei wird durch die Kalibrierungssequenzen der 3 und der 4 vorliegend jeweils nur eine einzige k-Raumlinie (im Fall der ersten Kalibrierungsdaten selbstverständlich durch den Zusatzgradientenpuls 10 gefaltet) aufgenommen, die als durch das k-Raumzentrum der Schicht 4 (kz = 0) verlaufend angesetzt ist, da dort das maximale Signal-zu-Rausch-Verhältnis vorliegt. Diese eine k-Raumlinie wird jedoch wiederholt abgetastet, um durch statistische Mittelung die ersten und zweiten Kalibrierungsdaten für die aktuell betrachtete Zusatzgradientenausgaberichtung 3 zu erhalten.
  • In einem Schritt S3 werden die ersten und die zweiten Kalibrierungsdaten dann genutzt, um für die aktuell betrachtete Zusatzgradientenausgaberichtung 3 (y-Richtung) die Punktspreizfunktion zu ermitteln. Dabei wird zunächst durch Vergleich der ersten und der zweiten Kalibrierungsdaten, insbesondere umfassend eine Division, die Punktspreizfunktion für die Position y0 ermittelt. Hieraus kann dann die Punktspreizfunktion auf beliebige Werte von y extrapoliert werden, indem der Zusammenhang (3) genutzt wird, wobei zunächst (3) nach Py (kx ) aufgelöst wird und y0 sowie die dort bekannte Punktspreizfunktion eingesetzt werden. Mit dem so bestimmten Py (kx ) kann dann durch Einsetzen der benötigten Werte von y in (3) die allgemeine Punktspreizfunktion, soweit benötigt, für unterschiedliche Werte von y erhalten werden.
  • In einem Schritt S4, vgl. wiederum 1, wird dann überprüft, ob eine weitere Zusatzgradientenausgaberichtung zu betrachten ist, was vorliegend zutrifft, nämlich die z-Richtung. Entsprechend wird mit einer neuen aktuell betrachteten Zusatzgradientenausgaberichtung 12, vgl. 5, zu Schritt S2 zurückverzweigt. Entsprechend der neuen aktuell betrachteten Zusatzgradientenausgaberichtung 12 werden nun die Funktionsrichtungen der Kalibrierungssequenz neu den Gradientenrichtungen zugeordnet, vgl. Koordinatensystem 2, wobei vorliegend wiederum die x-Richtung die Ausleserichtung bildet, die z-Richtung die Schichtselektionsrichtung und die y-Richtung die Phasenkodierungsrichtung. Eine entsprechende neue Schicht 13, die sich nun in der x-y-Ebene erstreckt, wird entsprechend den Kriterien, die zu 2 diskutiert wurden, ausgewählt. Sodann erfolgt wiederum unter Verwendung der Kalibrierungssequenzen analog 3 und 4 die Vermessung von ersten und zweiten Kalibrierungsdaten für die aktuell betrachtete Zusatzgradientenausgaberichtung 12, wobei diesmal der der z-Richtung zugeordnete Zusatzgradientenpuls 10 ausgegeben wird, jedoch nicht mehr der der y-Richtung zugeordnete Zusatzgradientenpuls 10.
  • In einem erneuten Durchlauf des Schrittes S3 erfolgt entsprechend die Ermittlung der Punktspreizfunktion für die z-Richtung, als Zusatzgradientenausgaberichtung 12.
  • Damit lässt sich aber in einem dann folgenden Schritt S5, nachdem alle Zusatzgradientenausgaberichtungen 3, 12 abgearbeitet sind, auch die gesamte Punktspreizfunktion, vgl. Formel (2), leicht durch Multiplikation der auf die einzelnen Zusatzgradientenausgaberichtungen 3, 12 bezogenen Punktspreizfunktionen bestimmen.
  • In einem Schritt S6 erfolgt dann die Aufnahme der Magnetresonanzsignale mittels der Magnetresonanzsequenz, wonach in einem Schritt S7 die im Schritt S5 bestimmte Punktspreizfunktion verwendet wird, um die k-Raumabtastung korrekt zu entfalten und den Magnetresonanzdatensatz hochqualitativ bestimmen zu können.
  • 6 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzeinrichtung 14, die, wie grundsätzlich bekannt, eine Hauptmagneteinheit 15 aufweist, die eine Patientenaufnahme 16 definiert, um die sich die drei Gradientenspulen aufweisende, hier nur angedeutete Gradientenspulenanordnung 17 erstreckt. Der Betrieb der Magnetresonanzeinrichtung 14 wird durch eine Steuereinrichtung 18 gesteuert, die auch zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
  • Hierzu weist die Steuereinrichtung 18, vgl. 7, neben einer grundsätzlich bekannten Sequenzeinheit 19, die zur Ansteuerung der verschiedenen Komponenten der Magnetresonanzeinrichtung 14 zur Realisierung der Kalibrierungssequenz und der Magnetresonanzsequenz eingesetzt wird, zunächst eine Auswahleinheit 20 zur Durchführung der Zuordnungs- und Schichtauswahlmaßnahmen des Schrittes S2 auf. Die Steuereinrichtung 19 umfasst ferner eine Berechnungseinheit 21 zur Ermittlung der Punktspreizfunktion aus den ersten und zweiten Kalibrierungsdaten gemäß der Schritte S3 und S5 auf. Die entsprechend ermittelte Punktspreizfunktion wird in einer Auswertungseinheit 22 genutzt, um eine korrekte Rekonstruktion des Magnetresonanzdatensatzes zu ermöglichen.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Magnetresonanzbildgebung eines Aufnahmebereichs (1) bei einer Untersuchung eines Patienten mit einer Magnetresonanzeinrichtung (14), wobei eine Magnetresonanzsequenz verwendet wird, die einen Zusatzgradientenpuls (10) einer vorgegebenen Gradientenform entlang wenigstens einer zu einer Ausleserichtung senkrechten Zusatzgradientenausgaberichtung (3, 12) während eines auf eine k-Raumlinie bei kartesischer Abtastung bezogenen Auslesezeitfensters (7) der Magnetresonanzsequenz verwendet, wobei zur Ermittlung eines Magnetresonanzdatensatzes aus mittels der Magnetresonanzsequenz aufgenommenen Magnetresonanzsignalen zur Berücksichtigung des Zusatzgradientenpulses (10) eine die durch den Zusatzgradientenpuls (10) verzerrte tatsächliche Abtasttrajektorie beschreibende Punktspreizfunktion verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Punktspreizfunktion in einer Vorabmessung für jede der Zusatzgradientenausgaberichtungen (3, 12) - eine außerhalb des Isozentrums der Magnetresonanzeinrichtung (14) liegende Schicht (4, 13) in dem Aufnahmebereich (1) gewählt wird, die sich in einer zu der aktuell betrachteten Zusatzgradientenausgaberichtung (3, 12) senkrechten Ebene erstreckt, - nach einer jeweiligen schichtselektiven Anregung der ausgewählten Schicht (4, 13) erste Kalibrierungsdaten unter Verwendung des Zusatzgradientenpulses (10) der aktuell betrachteten Zusatzgradientenausgaberichtung (3, 12) und zweite Kalibrierungsdaten unter Weglassen des Zusatzgradientenpulses (10) jeweils entlang einer k-Raumlinie aufgenommen werden, wobei derselbe Zeitablauf von Zusatzgradientenpuls (10) und Auslesezeitfenster (7) wie in der Magnetresonanzsequenz verwendet wird, und - aus den ersten und zweiten Kalibrierungsdaten die Punktspreizfunktion für die aktuell betrachtete Zusatzgradientenausgaberichtung (3, 12) berechnet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verwendung einer sinusförmigen Gradientenform des Zusatzgradientenpulses (10) eine Wave-CAIPI-Methode realisiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auszulesende k-Raumlinie der ausgewählten Schicht (4, 13) als eine das k-Raumzentrum kreuzende k-Raumlinie gewählt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme der ersten und zweiten Kalibrierungsdaten zur statistischen Kombination mehrfach wiederholt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom Isozentrum weitestmöglich beabstandete, einen Teil des Objekts enthaltende Schicht (4, 13) in dem Aufnahmebereich (1) ausgewählt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Veränderung der Auflösung für die vorzunehmende Untersuchung und/oder einer Änderung der Position des Aufnahmebereichs (1) eine Neuberechnung der Punktspreizfunktion ohne Neuaufnahme von Kalibrierungsdaten erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme der Kalibrierungsdaten eine FLASH-Bildgebungstechnik verwendet wird.
  8. Magnetresonanzeinrichtung (14), aufweisend eine zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildete Steuereinrichtung (18).
  9. Computerprogramm, welches die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchführt, wenn es auf einer Steuereinrichtung (18) einer Magnetresonanzeinrichtung (14) ausgeführt wird.
  10. Elektronisch lesbarer Datenträger, auf dem ein Computerprogramm nach Anspruch 9 gespeichert ist.
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