DE102018220348A1

DE102018220348A1 - Bewegungsstabiles Schicht-Multiplexing-Verfahren

Info

Publication number: DE102018220348A1
Application number: DE102018220348.2A
Authority: DE
Inventors: Flavio Carinci; Mario Zeller
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2020-05-28
Also published as: US10996302B2; US20200166594A1

Abstract

Erfindungsgemäß werden Referenzdaten mittels einer Schicht-Multiplexing-Technik aufgenommen, auf Basis derer Kalibrierungsdaten bestimmt werden, die zur Trennung von ebenfalls mittels einer Schicht-Multiplexing-Technik aus mindestens zwei Schichten kollabiert aufgenommener und noch in Einzelschicht-Messdaten zu trennender Messdaten verwendet werden. Dadurch sind sowohl die Referenzdaten als auch die zu trennenden Messdaten jeweils gleichzeitig, und somit während eines jeweils gleichen physiologischen Bewegungszustands, aus mehreren Schichten aufgenommen. Dadurch wird die Bewegungsempfindlichkeit einer auf Basis der Referenzdaten durchgeführten Trennung der Messdaten verringert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Messdaten von mindestens zwei sich nicht überschneidenden Subvolumen eines Untersuchungsobjektes mittels Magnetresonanztechnik, welches stabil gegenüber von Bewegungen des Untersuchungsobjektes ist.
Die Magnetresonanz-Technik (im Folgenden steht die Abkürzung MR für Magnetresonanz) ist eine bekannte Technik, mit der Bilder vom Inneren eines Untersuchungsobjektes erzeugt werden können. Vereinfacht ausgedrückt wird hierzu das Untersuchungsobjekt in einem Magnetresonanzgerät in einem vergleichsweise starken statischen, homogenen Grundmagnetfeld, auch B₀-Feld genannt, mit Feldstärken von 0,2 Tesla bis 7 Tesla und mehr positioniert, so dass sich dessen Kernspins entlang des Grundmagnetfeldes orientieren. Zum Auslösen von Kernspinresonanzen werden hochfrequente Anregungspulse (RF-Pulse) in das Untersuchungsobjekt eingestrahlt, die ausgelösten Kernspinresonanzen als sogenannte k-Raumdaten gemessen und auf deren Basis MR-Bilder rekonstruiert oder Spektroskopiedaten ermittelt. Zur Ortskodierung der Messdaten werden dem Grundmagnetfeld schnell geschaltete magnetische Gradientenfelder überlagert. Die aufgezeichneten Messdaten werden digitalisiert und als komplexe Zahlenwerte in einer k-Raum-Matrix abgelegt. Aus der mit Werten belegten k-Raum-Matrix ist z.B. mittels einer mehrdimensionalen Fourier-Transformation ein zugehöriges MR-Bild rekonstruierbar.
Der Wunsch nach immer schnelleren MR-Aufnahmen im klinischen Umfeld führt momentan zu einer Renaissance von Verfahren, bei denen mehrere Bilder simultan aufgenommen werden. Allgemein lassen sich diese Verfahren dadurch charakterisieren, dass zumindest während eines Teils der Messung gezielt Transversalmagnetisierung von zumindest zwei Schichten gleichzeitig für den Bildgebungsprozess genutzt wird („Multi-Schicht-Bildgebung“, „Schicht-Multiplexing“). Im Gegensatz dazu wird bei der etablierten „Mehrschicht-Bildgebung“ das Signal von zumindest zwei Schichten alternierend, d. h. vollständig unabhängig voneinander mit entsprechender längerer Messzeit aufgenommen.
Bekannte Verfahren hierzu sind beispielsweise die sogenannte Hadamard-Kodierung, Verfahren mit simultaner Echo-Refokussierung, Verfahren mit Breitband-Datenaufnahme oder auch Verfahren, die eine parallele Bildgebung in SchichtRichtung einsetzten. Zu den letztgenannten Verfahren gehören beispielsweise auch die CAIPIRINHA-Technik, wie sie von Breuer et al. in „Controlled Aliasing in Parallel Imaging Results in Higher Acceleration (CAIPIRINHA) for Multi-Slice Imaging“, Magnetic Resonance in Medicine 53, 2005, S. 684-691 beschrieben ist, und die blipped CAIPIRINHA-Technik, wie sie von Setsompop et al. in „Blipped-Controlled Aliasing in Parallel Imaging for Simultaneous Multislice Echo Planar Imaging With Reduced g-Factor Penalty“, Magnetic Resonance in Medicine 67, 2012, S. 1210-1224, beschrieben wird.
Insbesondere bei den letztgenannten Schicht-Multiplexing-Verfahren wird häufig ein sogenannter Multi-Band-RF-Puls verwendet, um zwei oder mehr Schichten gleichzeitig anzuregen oder anderweitig zu manipulieren, z.B. zu refokussieren oder zu sättigen. Ein solcher Multi-Band-RF-Puls ist dabei z.B. ein Multiplex von individuellen RF-Pulsen, die zur Manipulation der einzelnen gleichzeitig zu manipulierenden Schichten verwendet werden würden. Durch das Multiplexing erhält man z.B. einen grundbandmodulierten Multi-Band-RF-Puls aus einer Addition der Pulsformen der individuellen RF-Pulse. Die Ortskodierung der aufgenommenen Signale wird dabei im Wesentlichen durch eine gängige Gradientenschaltung in zwei Richtungen (zweidimensionale Gradientenkodierung) erreicht. Es ist jedoch auch möglich die anzuregenden Schichten, aus denen Echosignale simultan, mit in einer Aufnahme von Messdaten, aufgenommenen werden, jeweils mit einzelnen, z.B. sukzessive geschalteten RF-Pulsen, anzuregen und zu manipulieren. Auch eine kombinierte Verwendung von „Einzelschicht“-RF-Pulsen und Multi-Band-RF-Pulsen ist möglich.
Die entstehenden Signale werden aus allen angeregten Schichten kollabiert in einem Datensatz mittels mehreren Empfangsantennen aufgenommen und dann mit Hilfe von parallelen Akquisitionstechniken nach den einzelnen Schichten getrennt.
Zu den genannten parallelen Akquisitionstechniken (ppa-Techniken), mit deren Hilfe sich bereits generell zur Aufnahme der gewünschten Daten benötigte Akquisitionszeiten durch eine gemäß Nyquist nicht vollständige, d.h. eine Unterabtastung des k-Raums verkürzen lassen, zählen z.B. GRAPPA („Gene-Ralized Autocalibrating Partially Parallel Acquisition“) und SENSE („SENSitivity Encoding“). Die im Rahmen der Unterabtastung nicht-gemessenen Messpunkte im k-Raum sind bei parallelen Akquisitionstechniken in der Regel gleichmäßig über den gemäß Nyquist zu messenden k-Raum verteilt, sodass z.B. jede zweite k-Raumzeile gemessen wird. Darüber hinaus werden die „fehlenden“ k-Raumdaten bei parallelen Akquisitionstechniken mit Hilfe von Spulensensitivitätsdaten rekonstruiert. Diese Spulensensitivitätsdaten der bei der Aufnahme der Messdaten verwendeten Empfangsspulen werden aus Referenzdaten ermittelt, die zumindest einen Bereich des zu messenden k-Raums, meist den zentralen Bereich, vollständig gemäß der Nyquist-Bedingung abtasten.
Bei Schicht-Multiplexing-Verfahren werden parallele Akquisitionstechniken verwendet, um die gleichzeitig für verschiedene Schichten aufgenommenen Messdaten wieder zu trennen. Dabei müssen Referenzdaten für alle betroffenen Schichten aufgenommen werden. Dies geschieht in der Regel im Rahmen einer zusätzlich durchzuführenden Referenzmessung, die Referenzdaten einzeln für jede gewünschte Schicht misst.
Um die resultierenden Signale der verschiedenen Schichten trennen zu können, wird beispielsweise den individuellen RF-Pulsen vor dem Multiplexing, z.B. durch Addieren einer Phase, die linear (z.B. mit der k-Raumkoordinate in die Phasenkodierrichtung (k_y )) steigt, je eine unterschiedliche Phase aufgeprägt. Damit kann jeder Schicht ein unterschiedlicher Phasenanstieg aufgeprägt werden, wodurch die Schichten im Bildraum gegeneinander verschoben werden. Diese Verschiebung wird durch den sogenannten Bildbereich-Verschiebungsfaktor („FOV (field of view) shift factor“) kontrolliert. Wie ein optimaler FOV shift factor bestimmt werden kann, wird beispielsweise in der DE102016218955 beschrieben.
In den genannten Artikel von Breuer et al. und Setsompop et al. beschriebenen CAIPIRINHA-Verfahren werden durch Schalten von zusätzlichen Gradientenblips oder durch zusätzliches Modulieren der Phasen der RF-Pulse (der Multi-Band-RF-Pulse) zwischen den gleichzeitig angeregten Schichten wechselnde Phasenverschiebungen aufgeprägt, die weitere Verschiebungen im Bildraum erzeugen. Diese zusätzlichen Verschiebungen im Bildraum, auch „interslice FOV shifts“ genannt, verbessern die Qualität der Trennung der Signale der Schichten, insbesondere, wenn die Spulensensitivitäten derartig geringe Unterschiede in den Sensitivitätsprofilen der einzelnen verwendeten Spulen aufweisen, dass diese nicht für eine zuverlässige Trennung der Schichten ausreichen. Somit werden Artefakte in den letztendlich aus den gemessenen Messdaten rekonstruierten Bilddaten verringert.
In 1 sind beispielhaft verschiedenen Abtastschemata des k-Raums für GRAPPA-artige parallele Bildgebungstechniken, jeweils mit Beschleunigungsfaktor 2 und einem dreidimensionalen (3D) kartesischen Abtastschema, das jeweils k-Raumlinien in der ky-kx-Ebene abtastet, gegenübergestellt. Die kx-Richtung, in der die dargestellten k-Raumlinien im Beispiel verlaufen, liegt hierbei senkrecht zur Blattebene und das Abtastschema ist in kx-Richtung immer gleich. Die gefüllten Kreise repräsentieren gemessene k-Raumpunkte, die leeren Kreise ausgelassene k-Raumpunkte. Das linke Abtastschema zeigt eine herkömmliche GRAPPA-Abtastung, in der jede zweite k-Raumlinie in einer Raumrichtung (hier: kz-Richtung) ausgelassen wird, und somit nur die Hälfte der k-Raumpunkte gemessen werden.
Die Wirkung der zusätzlichen Phasenverschiebungen auf das Abtastschema einer zweidimensionalen (2D) Schicht-Multiplexing-Messung kann so beschrieben werden (siehe 1 rechts): Durch die zusätzlichen Phasen, die in Schicht-Multiplexing CAIPIRNHA-Verfahren aufgeprägt werden, werden die mit der zusätzlichen Phase beaufschlagten Messpunkte durch eine Verschiebung im k-Raum in kz-Richtung verschoben. Wie groß diese Verschiebung in kz-Richtung ausfällt, hängt von der aufgeprägten Phase ab. Dies ist beispielsweise auch in dem Artikel von Zahneisen et al.: „Three-Dimensional Fourier Encoding of Simultaneously Excited Slices: Generalized Acquisition and Reconstruction Framework“, Magn. Reson. Med. 71, S. 2071-2081 (2014), beschrieben.
Die Referenzdaten, aus denen Sensitivitätsdaten bzw. Kalibrierungsdaten zur Trennung der gleichzeitig aufgenommenen Schichten und/oder zur Ergänzung fehlender Messdaten gewonnen werden, müssen bisher für jede SMS-Messung zusätzlich gemessen werden. Die zusätzliche Aufnahme der Referenzdaten erhöht die insgesamt benötigte Aufnahmezeit und die SAR-Belastung (SAR: „Spezifische AbsorptionsRate“) bei Verwendung eines Schicht-Multiplexing-Verfahrens und reduziert somit die eigentlich bei diesen Verfahren angestrebten Vorteile einer gegenüber Einzelschicht-Verfahren reduzierten Messzeit und SAR-Belastung.
Weiterhin können Abweichungen in den bei der Aufnahme der Referenzdaten verwendeten Messparametern von den bei der Schicht-Multiplexing-Messung verwendeten Messparametern, insbesondere Messparameter bezüglich der Eigenschaften der RF-Anregungspulse und/oder bezüglich des Auslesevorgangs, wie z.B. die Auslesebandbreite, die Qualität der Trennung der Schichten beeinflussen und zu ungewünschten Artefakten führen. Unter diesem Gesichtspunkt sind in der nachveröffentlichten US-Patentanmeldung US20180074147A1 bereits verschiedene Verfahren beschrieben, auf welche Weise derartige Referenzdaten neben den Schicht-Multiplexing-Messdaten gewonnen werden können, wobei die Referenzdaten immer noch zusätzlich zu dem Messdaten aufgenommen werden müssen.
Insbesondere dann, wenn Messdaten aus einem Untersuchungsbereich eines Untersuchungsobjektes aufgenommen werden sollen, welcher einer Bewegung des Untersuchungsobjektes unterworfen ist, wie z.B. insbesondere bei abdomineller Bildgebung, bei welcher das Abdomen eines Patienten durch eine Atembewegung des Patienten bewegt wird, kann eine bewegungsbedingte Abweichung einer (Schicht-)Position von für jede Schicht separat aufgenommenen Referenzdaten und einer (Schicht-)Position einer der kollabiert aufgenommenen mehreren Schichten eines mittels der Referenzdaten zu trennenden Messdatensatzes zu Artefakten führen, denn die Messdaten, welche kollabiert für mehrere Schichten aufgenommen wurden, sind für alle simultan aufgenommenen Schichten zu einem gleichen Bewegungszustand aufgenommen worden, wohingegen die Referenzdaten für die einzelnen Schichten in der Regel zu unterschiedlichen Bewegungszuständen des Untersuchungsbereichs aufgenommen wurden.
Um die Trennung der kollabiert aufgenommenen Messdaten der mehreren Schichten in Messdaten der einzelnen Schichten möglichst störungsfrei durchführen zu können, sollten die Aufnahmen der Referenzdaten der einzelnen Schichten mit derselben Schichtposition und Schichtorientierung aufgenommen werden wie die in eine Schicht-Multiplexing-Messung gleichzeitig aufgenommenen Messdaten. Verändert sich im Laufe einer MR-Messung die Position oder die Lage einer aufzunehmenden Schicht, beispielsweise durch eine ungewollte Bewegung des Untersuchungsobjekts, insbesondere bei Aufnahme von Messdaten in durch eine (ständige) physiologische Bewegung des Untersuchungsobjektes bewegten Untersuchungsbereichen, so müssten für jede durch die physiologische Bewegung geänderte Lage und/oder Position jeweils Referenzdaten für die aufzunehmenden Schichten aufgenommen werden und bei der Trennung von kollabiert aufgenommenen Messdaten jeweils diejenigen Referenzdaten für die betroffenen Schichten herangezogen werden, welche zu einer gleichen geänderten Lage und/oder Position aufgenommen wurden, um weiterhin eine ordnungsgemäße Trennung der Schichten gewährleisten zu können.
Eine derartige mehrfache (eine je geänderter Position und/oder Lage) Aufnahme von Referenzdaten ist jedoch nicht immer möglich und bringt in jedem Fall die bereits oben genannten Nachteile (Verlängerung der insgesamten Messzeit / SAR-Belastung) mit sich. Wird auf eine erneute Aufnahme von Referenzdaten verzichtet, verschlechtert sich die Qualität der Trennung der Messdaten der einzelnen Schichten, was zu Artefakten in den letztendlich erhaltenen MR-Daten, beispielsweise Bilddaten, führt.
In der DE102017201477 [eure 2016E03631 DE] ist bereits ein Verfahren beschrieben, dass eine Bewegung des Untersuchungsobjekts detektiert und unter Berücksichtigung der bestimmten Bewegung eine Neuberechnung von für die Schichttrennung und/oder die Ergänzung von Schichtmessdaten verwendeten lokalen Gewichtungsmatrizen vornimmt. Dazu müssen jedoch die für die Gewichtungsmatrix aufzunehmenden Referenzdaten ein größeres Volumen abdecken als ohne eine derartige Neuberechnung nötig wäre. Darüber hinaus verlangt die Neuberechnung komplexe Rechenschritte und ist daher nicht leicht zu implementieren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein auch bei Bewegung des Untersuchungsbereiches robustes Schicht-Multiplexing-Verfahren anzugeben, das effizient Artefakte vermeidet und eine hohe Bildqualität gewährleistet.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erzeugung von Messdaten eines Untersuchungsobjektes mittels Magnetresonanztechnik gemäß Anspruch 1, eine Magnetresonanzanlage gemäß Anspruch 10, ein Computerprogramm gemäß Anspruch 11, sowie einen elektronisch lesbaren Datenträger gemäß Anspruch 12.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erzeugung von Messdaten eines einer physiologischen Bewegung unterworfenen Untersuchungsobjektes mittels einer Schicht-Multiplexing-Magnetresonanztechnik umfasst die Schritte:

a) Wiederholtes Einstrahlen mindestens eines RF-Anregungspulses und Schalten von Gradienten derart, dass durch die geschalteten Gradienten und die eingestrahlten RF-Anregungspulse Echosignale in mindestens zwei Schichten erzeugt werden, und derart dass die erzeugten Echosignale als Referenzdaten in je einem Referenzdatensatz pro Wiederholung gemäß je einem anderen dreidimensional betrachteten Abtastschema pro Wiederholung im k-Raum aufgenommen und gespeichert werden, wobei jedes angewandte Abtastschema gemäß Nyquist unterabgetastet ist, und wobei eine Kombination der in den Wiederholungen angewandten Abtastschemata zumindest in einem zentralen Bereich den k-Raum zumindest in Schichtrichtung (kz) vollständig umfasst,
b) Bestimmen von Kalibrierungsdaten zur Trennung von aus mindestens zwei Schichten kollabiert aufgenommenen Messdaten auf Basis des zumindest in Schichtrichtung vollständigen zentralen Bereichs der kombinierten Referenzdatensätze,
c) Trennen von aus mindestens zwei Schichten kollabiert aufgenommenen Messdaten, insbesondere von aus den mindestens zwei Schichten kollabiert aufgenommenen Messdaten, in Einzelschicht-Messdaten mit Hilfe der Kalibrierungsdaten.

Wie in dem bereits genannten Artikel von Zahneisen et al. weiter beschrieben ist, führt eine Wahl der gewünschten Verschiebung im Bildraum um ein Vielfaches den N-ten Teils des Bildbereichs FOV (bei N gleichzeitig angeregten Schichten) zu einer Verschiebung der gemessenen k-Raumpunkte im k-Raum (in die kz-Richtung) um einen Betrag, der einer gemäß Nyquist vollständigen Abtastung in dieser k-Raumrichtung entspricht. Damit kann eine 2D Schicht-Multiplexing-Messung analog zu einer 3D CAIPIRIHNA-Messung betrachtet werden.
Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass eine derartige Betrachtung als 3D Messung, und damit eine Betrachtung der für Schicht-Multiplexing-Messungen verwendeten Abtastschema ebenfalls als 3D Abtastschema, eine einfach zu implementierende Möglichkeit liefert, verschiedene Abtastschemata zu wählen, die zwar einzeln den k-Raum unterabtasten, die aber in Kombination den k-Raum zumindest in einem zentralen Bereich zumindest in Schichtrichtung vollständig abtasten.
Erfindungsgemäß werden daher Referenzdaten mittels einer Schicht-Multiplexing-Technik aufgenommen, auf Basis derer Kalibrierungsdaten bestimmt werden, die zur Trennung von ebenfalls mittels einer Schicht-Multiplexing-Technik aus mindestens zwei Schichten kollabiert aufgenommener und noch in Einzelschicht-Messdaten zu trennender Messdaten verwendet werden. Dadurch sind sowohl die Referenzdaten als auch die zu trennenden Messdaten jeweils gleichzeitig, und somit während eines jeweils gleichen physiologischen Bewegungszustands, aus mehreren Schichten aufgenommen. Dadurch wird die Bewegungsempfindlichkeit einer auf Basis der Referenzdaten durchgeführten Trennung der Messdaten verringert.
Wird hierbei derart vorgegangen, dass Referenzdaten jeweils aus gleichen mindestens zwei Schichten aufgenommen werden, aus denen auch Messdaten kollabiert aufgenommen werden, wird sichergestellt, dass zur Trennung von während eines physiologischen Bewegungszustands aufgenommenen Messdaten Referenzdaten verwendet werden, die wie die Messdaten ebenfalls während eines gleichen physiologischen Bewegungszustands aufgenommen wurden, wodurch ein Einfluss der physiologischen Bewegung auf die Qualität der Trennung weiter verringert wird, da sowohl Referenzdaten als auch Messdaten in gleicher oder zumindest ähnlicher Weise durch den Bewegungszustand beeinflusst sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit eine effektive Kompensation von physiologischen Bewegungen und erlaubt daher auch bei freier physiologischer Bewegung, insbesondere z.B. unter freier Atmung, des Untersuchungsobjektes eine stabile Trennung von kollabiert aus mehreren Schichten aufgenommenen Messdaten in Einzelschicht-Messdaten. Dadurch werden auch Artefakte in Bilddaten, welche aus den Einzelschicht-Messdaten rekonstruiert werden können, vermieden. Es ist für einen Patienten als Untersuchungsobjekt angenehm während einer MR-Untersuchung frei atmen zu können. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt dies mit guter Qualität der letztendlich erhaltenen Bilddaten.
Der bei der Bestimmung der Kalibrierungsdaten zur Trennung von aus mindestens zwei Schichten kollabiert aufgenommenen Messdaten verwendete zumindest in Schichtrichtung vollständige zentralen Bereich der kombinierten Referenzdatensätze kann hierbei in Phasenkodierrichtung unterabgetastet sein. Hierbei ist es somit ausreichend weniger Referenzdaten aufzunehmen als für eine vollständige Abtastung erforderlich wären. Dadurch kann Zeit und Rechenaufwand bei der Aufnahme der Referenzdaten und der Bestimmung der Kalibrierungsdaten eingespart werden, ohne die Qualität der Trennung negativ zu beeinflussen.
Im Rahmen des Verfahrens aufgenommene Referenzdatensätze können direkt als zu trennende aus den mindestens zwei Schichten kollabiert aufgenommene Messdaten verwendet und in Einzelschicht-Messdaten getrennt werden, aus welchen Einzelschicht-Bilder rekonstruiert werden können. Werden so Referenzdaten bereits als auf Basis der Referenzdaten zu trennende Messdaten aufgenommen, wird einerseits sichergestellt, dass die Referenzdaten während eines selben physiologischen Bewegungszustands aufgenommen wurden, und andererseits kann eine separate Messung von Referenzdaten entfallen, da diese bereits selbst auch die zu trennenden Messdaten verkörpern. Dadurch kann Messzeit eingespart und die SAR-Belastung für das Untersuchungsobjekt niedrig gehalten werden.
Es kann zumindest eine weitere Wiederholung der Erzeugung von Echosignalen in den mindestens zwei Schichten und Aufnehmen und Speichern dieser jeweils als Referenzdaten in je einem weiteren Referenzdatensatz mit einem bereits zuvor verwendeten Abtastschema durchgeführt werden. Auf Basis der weiteren Referenzdatensätze können weitere Kalibrierungsdaten erstellt werden. Die weiteren Kalibrierungsdaten können als aktuelle Kalibrierungsdaten verwendet werden. Die Bestimmung der weiteren Kalibrierungsdaten kann auch unter Berücksichtigung von zuvor bestimmten Kalibrierungsdaten erfolgen, indem z.B. eine Mittelung der Kalibrierungsdaten mit den weiteren Kalibrierungsdaten durchgeführt wird. Durch eine Mittelung können z.B. auf Rauschen basierende Fehler in den Kalibrierungsdaten herausgemittelt werden.
Eine derartige Wiederholung kann insbesondere mit allen bereits zuvor verwendeten Abtastschemata durchgeführt werden, wodurch ein kompletter Satz an weiteren Referenzdaten erhalten werden kann.
Wird der oben beschriebene Schritt a) so oft unter Einstrahlen von unterschiedlichen RF-Anregungspulsen und Schalten von unterschiedlichen Gradienten gemäß je einem anderen dreidimensional betrachteten Abtastschema wiederholt, dass eine Kombination der in allen Wiederholungen angewandten Abtastschemata zumindest in einem zentralen Bereich den k-Raum vollständig umfasst, können auf Basis des vollständig erfassten zentralen Bereichs Ergänzungsdaten zur Ergänzung von unvollständigen Einzelschicht-Messdaten in Phasenkodierrichtung bestimmt werden.
Sollen diffusionsgewichtete Messdaten getrennt werden, können Referenzdatensätze mit unterschiedlichen Diffusionsrichtungen und/oder b-Werten der verschiedenen bei der Aufnahme der Messdaten angewandten Diffusionswichtungen aufgenommen werden. Durch die aufzunehmenden unterschiedlichen Diffusionswichtungen benötigen Aufnahmen von diffusionsgewichteten Messdaten bereits an sich längere Messzeiten. Daher werden diffusionsgewichtete Messdaten bevorzugt mit einer inhärent schnellen Pulssequenz, wie z.B. vom Typ einer Echoplanar(EPI)-Sequenz, aufgenommen. Die Referenzdaten können mit demselben Typ EPI-Sequenz aufgenommen werden.
Sollen diffusionsgewichtete Messdaten getrennt werden, können Referenzdatensätze mit den höchstens der Anzahl der mindestens zwei Schichten aus welchen kollabiert Messdaten aufgenommen werden entsprechenden kleinsten b-Werten von zur Diffusionswichtung der zu trennenden Messdaten verwendeten b-Werten aufgenommen werden. Bei aus N Schichten kollabiert aufgenommenen Messdaten haben die Referenzdaten somit nur höchstens die N niedrigsten b-Werte der Diffusionswichtungen. Durch die geringen Diffusionswichtungen der Referenzdaten können Kalibrierungsdaten aus Referenzdaten mit verschiedener Diffusionswichtung, d.h. z.B. mit verschiedenen Diffusionsrichtungen und/oder verschiedenen b-Werten, erstellt werden, wodurch weitere Messzeit benötigende Wiederholungen mit weiteren Diffusionswerten eingespart werden.
Die verschiedenen angewandten Abtastschemata können hierbei jeweils eine gleichartige Unterabtastung und eine vom Betrag her gleiche aufgeprägte Verschiebung im Bildraum in Schichtrichtung aufweisen, was die Implementierung weiter erleichtert.
Besonders einfach sind erfindungsgemäße Abtastschemata durch eine Permutation eines Start-Abtastschemas auffindbar. Die verschiedenen angewandten Abtastschemata unterscheiden sich somit durch eine, insbesondere zyklische, Permutation voneinander. Hierbei können insbesondere die Positionen der Messpunkte im k-Raum permutiert werden, welche Messpunkte mit einer zusätzlichen Phase beaufschlagt werden, um eine Verschiebung im Bildraum in Schichtrichtung aufzuprägen.
Eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage umfasst eine Magneteinheit, eine Gradienteneinheit, eine Hochfrequenzeinheit und eine zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Steuereinrichtung mit einer Hochfrequenz-Sende-/Empfangs-Steuerung und mit einer Kalibrierungseinheit.
Ein erfindungsgemäßes Computerprogramm implementiert ein erfindungsgemäßes Verfahren auf einer Steuereinrichtung, wenn es auf der Steuereinrichtung ausgeführt wird.
Das Computerprogramm kann hierbei auch in Form eines Computerprogrammprodukts vorliegen, welches direkt in einen Speicher einer Steuereinrichtung ladbar ist, mit Programmcode-Mitteln, um ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen, wenn das Computerprogrammprodukt in der Recheneinheit des Rechensystems ausgeführt wird.
Ein erfindungsgemäßer elektronisch lesbarer Datenträger umfasst darauf gespeicherte elektronisch lesbare Steuerinformationen, welche zumindest ein erfindungsgemäßes Computerprogramm umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in einer Steuereinrichtung einer Magnetresonanzanlage ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführen.
Die in Bezug auf das Verfahren angegebenen Vorteile und Ausführungen gelten analog auch für die Magnetresonanzanlage, das Computerprogrammprodukt und den elektronisch lesbaren Datenträger.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Die aufgeführten Beispiele stellen keine Beschränkung der Erfindung dar. Es zeigen:

1 eine schematische Gegenüberstellung verschiedener Abtastschemata des k-Raums für parallele Akquisitionstechniken,
2 ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 eine schematische Darstellung eines einfachen Beispiels erfindungsgemäßer verschiedener Abtastschemata,
4 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels erfindungsgemäßer verschiedener Abtastschemata,
5 eine schematische Darstellung eines Ablaufs einer Aufnahme von Referenzdaten und Messdaten nach dem Stand der Technik,
6 eine schematische Darstellung eines Ablaufs einer Aufnahme von Referenzdaten und Messdaten nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
7 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzanlage.

2 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Messdaten eines einer physiologischen Bewegung unterworfenen Untersuchungsobjektes mittels einer Schicht-Multiplexing-Magnetresonanztechnik.
Nach dem Start („start“) eines erfindungsgemäßen Verfahrens können zunächst mindestens zwei dreidimensional betrachtet verschiedene Abtastschemata AS bestimmt werden, gemäß derer Referenzdaten RDS von N sich nicht überschneidenden Schichten aufgenommen werden sollen. Unter einer dreidimensionalen Betrachtung wird hierbei eine Betrachtung der Abtastschemata in einem dreidimensionalen k-Raum, d.h. in allen drei k-Raumrichtungen, verstanden, die die k-Raumpositionen festlegen, an welchen Messpunkte liegen. Jedes der Abtastschemata AS ist zumindest in der dreidimensionalen Betrachtung gemäß Nyquist unterabgetastet. Die Abtastschemata AS sind jedoch so gewählt, dass sie Messpunkte im k-Raum derart festlegen, dass eine Kombination der in den n Abtastschemata jeweils abgetasteten Messpunkten im k-Raum den k-Raum zumindest in einem gewünschten zentralen Bereich zumindest in Schichtrichtung vollständig abtasten.
Die gesuchten verschiedenen anzuwendenden Abtastschemata AS können hierbei durch Permutation bestimmter Merkmale eines Startabtastschemas gewonnen werden, wodurch sich die verschiedenen anzuwendenden Abtastschemata AS voneinander durch diese Permutation voneinander unterscheiden. Hierbei kann insbesondere ein Startabtastschema gemäß mit zusätzlichen Phasen belegten k-Raumpositionen permutiert werden, wodurch auf besonders einfache Weise geeignete Abtastschemata erstellt werden können, die darüber hinaus jeweils eine gleichartige Unterabtastung und aufgeprägte Verschiebung im Bildraum in Schichtrichtung aufweisen. Eine Wahl der verschiedenen anzuwendenden Abtastschemata AS derart, dass diese jeweils eine gleichartige Unterabtastung (Beschleunigung sowohl durch kollabierte Aufnahme von Messdaten mehrerer Schichten als auch innerhalb der Schichten) und aufgeprägte Verschiebung der Schichten im Bildraum (interslice FOV shift) aufweisen, macht die letztendlich rekonstruierten Bilddaten besser vergleichbar.
Es werden N Schichten eines Untersuchungsobjekts durch Einstrahlen mindestens eines RF-Anregungspulses und durch Schalten von Gradienten selektiv anregt, sodass Echosignale in den N Schichten erzeugt werden. Bei den eingestrahlten RF-Anregungspulsen kann es sich um mindestens einen Multiband-RF-Anregungspuls oder um RF-Anregungspulse, welche jeweils eine Schicht der N Schichten anregen, oder um eine Kombination aus mindestens einem Multiband-RF-Anregungspuls und RF-Anregungspulsen, welche jeweils eine Schicht der N Schichten anregen, handeln.
Die eingestrahlten RF-Anregungspulse und geschalteten Gradienten nehmen die erzeugten Echosignale gemäß einem ersten Abtastschema AS i=1 als Referenzdaten RDS auf, die in einem Referenzdatensatz RDS1.m gespeichert werden (Block 203.1). Aus Referenzdaten der gespeicherten Referenzdaten RDS wird ein zentraler Bereich ZB bestimmt (Block 205), indem die in dem gewünschten zentralen Bereich ZB des k-Raums liegenden Referenzdaten der Referenzdatensätze RDS gesammelt werden. Liegen in dem zentralen Bereich ZB des k-Raums noch keine in Schichtrichtung vollständigen Referenzdaten vor, und wurden also noch nicht gemäß aller hierzu vorgesehener Abtastschemata AS Referenzdatensätze RDS aufgenommen (Abfrage 207, n) wird die Aufnahme eines neuen Referenzdatensatzes RDS der N Schichten gemäß einem noch nicht durchgeführten Abtastschema i=i+1 wiederholt.
Die Aufnahme von Referenzdatensätzen RDS der N Schichten wird insgesamt n (n>1) Mal durchgeführt, wobei bei jeder Wiederholung i RF-Anregungspulse derart eingestrahlt und Gradienten derart geschaltet werden, dass sich jeweils ein anderes dreidimensional betrachtetes Abtastschema AS ergibt (Blöcke 203.i) und jeweils Referenzdatensätze RDSi.m (i=1, 2, ..., n) der N Schichten aufgenommen werden.
Wurden bereits Referenzdatensätze RDS gemäß aller zur vollständigen Befüllung des zentralen Bereichs ZB des k-Raums in Schichtrichtung vorgesehener Abtastschemata AS aufgenommen (Abfrage 207, y) und liegt somit in den kombinierten Referenzdatensätzen RDS in dem zentralen Bereich ZB des k-Raums ein in Schichtrichtung vollständiger Satz an Referenzdaten vor, können auf Basis des zumindest in Schichtrichtung vollständigen zentralen Bereichs der kombinierten Referenzdatensätze, z.B. unter Verwendung von einer für die Trennung von kollabiert aufgenommenen Messdaten mehrerer Schichten bekannten parallelen Akquisitionstechnik, Kalibrierungsdaten ST.m zur Trennung von aus den N Schichten kollabiert aufgenommenen Messdaten MDS bestimmt werden (Block 209). Mit Hilfe der Kalibrierungsdaten ST.m können aus den N Schichten kollabiert aufgenommene Messdaten MDS in Einzelschicht-Messdaten SMDS.1.m ... SMDS.N.m der jeweiligen einzelnen Schichten 1 bis N getrennt werden (Block 211). Die Qualität der Trennung der kollabiert aufgenommenen Messdaten mittels auf Basis der aus den Referenzdaten RDS erstellten Kalibrierungsdaten ST.m ist besonders hoch, wenn die Messdaten MDS aus den (gleichen) mindestens zwei Schichten kollabiert aufgenommen werden, aus welchen auch die Referenzdaten RDS kollabiert aufgenommen wurden.
Es ist auch möglich die aufgenommene Referenzdatensätze RDS selbst als zu trennende aus den mindestens zwei Schichten kollabiert aufgenommene Messdaten MDS in Einzelschicht-Messdaten SMDS.1.m ... SMDS.N.m zu trennen. Sind die aufgenommenen Referenzdatensätze RDS somit identisch mit den zu trennenden Messdaten MDS, ist es nicht nötig, Messdaten MDS und Referenzdatensätze RDS separat aufzunehmen. Somit kann Messzeit eingespart werden. Darüber hinaus sind Messdaten MDS und Referenzdatensätze RDS ideal aufeinander abgestimmt, wenn sie identisch sind, und daher unter den exakt gleichen Bedingungen aufgenommen wurden.
Der bei der Bestimmung der Kalibrierungsdaten ST.m zur Trennung von aus den mindestens zwei Schichten kollabiert aufgenommenen Messdaten verwendete zumindest in Schichtrichtung vollständige zentralen Bereich ZB der kombinierten Referenzdatensätze RDS kann vorteilhaft in Phasenkodierrichtung unterabgetastet sein. Auf diese Weise sind weniger Referenzdaten aufzunehmen, um den zentralen Bereich ausreichend (nur in Schichtrichtung vollständig) zu füllen.
Sind die durch die Trennung (Block 211) erstellten Einzelschicht-Messdaten SMD gemäß Nyquist unvollständig, kann vorgesehen werden, dass weitere Wiederholungen i durchgeführt werden, sodass das Einstrahlen mindestens eines RF-Anregungspulses und Schalten von Gradienten derart, dass durch die geschalteten Gradienten und die eingestrahlten RF-Anregungspulse Echosignale in mindestens zwei Schichten erzeugt werden, und derart dass die erzeugten Echosignale als Referenzdaten in je einem Referenzdatensatz pro Wiederholung aufgenommen werden (Blöcke 203.i) so oft unter Einstrahlen von unterschiedlichen RF-Anregungspulsen und Schalten von unterschiedlichen Gradienten gemäß je einem anderen dreidimensional betrachteten Abtastschema AS wiederholt werden, dass eine Kombination der in allen Wiederholungen (i=1 bis k; k>n) angewandten Abtastschemata AS zumindest in einem zentralen Bereich ZB den k-Raum vollständig umfasst.
Liegen in dem zentralen Bereich ZB des k-Raums noch keine vollständigen Referenzdaten vor, und wurden also noch nicht gemäß aller hierzu vorgesehener Abtastschemata AS Referenzdatensätze RDS aufgenommen (Abfrage 207', n) wird die Aufnahme eines neuen Referenzdatensatzes RDS der N Schichten gemäß einem noch nicht durchgeführten Abtastschema i=i+1 wiederholt.
Wurden bereits Referenzdatensätze RDS gemäß aller zu einer solchen vollständigen Befüllung des zentralen Bereichs ZB des k-Raums vorgesehener Abtastschemata AS aufgenommen (Abfrage 207', y) und liegt somit in den kombinierten Referenzdatensätzen RDS in dem zentralen Bereich ZB des k-Raums ein in Schichtrichtung vollständiger Satz an Referenzdaten vor, können auf Basis eines derartigen, vollständig erfassten zentralen Bereichs ZB Ergänzungsdaten V.m zur Ergänzung von unvollständigen Einzelschicht-Messdaten SMD bestimmt werden. Derartig bestimmte Ergänzungsdaten V.m weisen dieselben Vorteile für die Ergänzung auf wie sie auch für auf die hierin beschriebene Weise erstellte Kalibrierungsdaten ST.m zutreffen.
Mit Hilfe derartiger Ergänzungsdaten V.m, oder auch mit auf andere Weise bestimmten Ergänzungsdaten (nicht dargestellt), können unterabgetastete Einzelschicht-Messdaten SMDS.1.m ... SMDS.N.m jeweils, z.B. unter Verwendung von einer 2D parallelen Akquisitionstechnik, zu vollständigen Einzelschicht-Messdaten ergänzt werden, aus welchen jeweils Bilddaten BDS1.m ... BDSN.m für jede der N Schichten und auch für jede Wiederholung m rekonstruiert werden können (Block 217). Sind die getrennten Einzelschicht-Messdaten bereits vollständig kann die Ergänzung vor der Rekonstruktion entfallen. Werden für mehrere Wiederholungen m Bilddaten erstellt, können Bilddaten einer gleichen Schicht aber verschiedener Wiederholungen m, z.B. BDS1.1 und BDS1.2 für Schicht 1 und m=2, miteinander zu gemischten Bilddaten, z.B. durch Mittelung, verarbeitet werden (nicht dargestellt).
Sind bereits alle gewünschten kollabiert aufgenommenen Messdaten MDS in Einzelschicht-Messdaten SMDS.1.m ... SMDS.N.m getrennt worden (Abfrage 213, y), kann das Verfahren enden („end“) .
Sind noch nicht alle gewünschten kollabiert aufgenommenen Messdaten MDS in Einzelschicht-Messdaten SMDS.1.m ... SMDS.N.m getrennt worden (Abfrage 213, n), beispielsweise weil erneut Messdaten MDS kollabiert aufgenommen wurden, kann die Aufnahme von Referenzdaten RDSi.m gemäß gewünschter Abtastschemata AS (Blöcke 203.i) und die Trennung der Messdaten MDS (Block 211) für mindestens ein Abtastschema wiederholt werden. Der Zähler m wird um eins erhöht (m=m+1).
Wurden so schon zumindest einmal Kalibrierungsdaten ST.m-j bestimmt, können, insbesondere nach jeder erfolgten Aufnahme von Referenzdatensätzen RDSi.m, aktuelle Kalibrierungsdaten ST.m aus aktuellen Referenzdaten der Referenzdatensätze RDSi.m bestimmt werden, die für die Trennung kollabiert aufgenommener Messdaten MDS verwendet werden. Dies ist insbesondere sinnvoll, wenn aktuelle Messdaten MDS, z.B. in Form der weiteren Referenzdatensätze RDSi.m, aufgenommen wurden.
Auf diese Weise kann zumindest eine weitere Wiederholung der Erzeugung von Echosignalen in den mindestens zwei Schichten und Aufnehmen und Speichern dieser jeweils als Referenzdaten in je einem weiteren Referenzdatensatz RDSi.m (m>1) mit einem bereits zuvor verwendeten Abtastschema, insbesondere mit allen bereits zuvor verwendeten Abtastschemata, durchgeführt werden, und auf Basis der gespeicherten weiteren Referenzdatensätze RDSi.m (m>1) weitere Kalibrierungsdaten ST.m (m>1) zur Trennung von aus mindestens zwei Schichten kollabiert aufgenommenen Messdaten bestimmt werden.
Die Bestimmung der weiteren Kalibrierungsdaten ST.m (m>1) kann unter Berücksichtigung von zuvor bestimmten Kalibrierungsdaten ST.m-j erfolgen. Beispielsweise können jeweils in einer aktuellen, letzten Aufnahme von Referenzdaten 203.i für einen Referenzdatensatz RDSi.m aufgenommene Referenzdaten RDS direkt für dieselbe k-Raumposition in einer älteren Aufnahme von Referenzdaten für einen vorhergehenden Referenzdatensatz RDSi.m-j (j=1, ... , m-1) aufgenommene Referenzdaten in den Kalibrierungsdaten ST.m-j ersetzen, um weitere Kalibrierungsdaten ST.m zu erhalten. Zuvor bestimmte Kalibrierungsdaten ST.m-j können auch berücksichtigt werden, indem zunächst aus weiteren Referenzdatensätzen RDSi.m Kalibrierungsdaten ST-m' (nicht dargestellt) bestimmt werden, welche mit zumindest einem Satz an zuvor bestimmten Kalibrierungsdaten ST-m-j gemittelt werden, um die aktuellen Kalibrierungsdaten ST.m zu erhalten.
Auf diese Weise stets aktualisierte Kalibrierungsdaten ST.m gewährleisten auch stets für die Trennung von kollabiert aufgenommenen Messdaten MDS optimal zu den aufgenommenen Messdaten MDS angepasste Kalibrierungsdaten ST.m.
Ein einfaches Beispiel für n=2 verschiedene anzuwendende Abtastschemata ASi.m und zwei Wiederholungen m für eine kollabierte Aufnahme von Referenzdaten aus zwei Schichten ist in 3 veranschaulicht, in der beispielhaft das Prinzip einer k-Raumabtastung mit einem Bildbereich-Verschiebungsfaktor von $\frac{F O V}{4}$
für eine erste Aufnahme (i=1, m=1) mit dem oben dargestellten Abtastschema A1.1 und Wiederholungen der Aufnahme (i=2, m=1; i=1, m=2; i=2, m=2) mit den darunter folgend dargestellten Abtastschemata A2.1, A1.2, A2.2 gezeigt ist. Dabei liegt, wie bereits in 1, die k_x-Richtung senkrecht zur Blattebene. Somit ist in 3 ein kartesisches Abtastschema dargestellt. Das Verfahren kann analog auch bei nichtkartesischen Abtastschemata, z.B. radialen oder spiralen Abtastschemata, angewandt werden.
In 3 sind analog zu 1 aufgenommene k-Raumpunkte als schwarz gefüllte Kreise dargestellt, wohingegen nicht aufgenommene k-Raumpunkte als weiß gefüllte Kreise dargestellt sind. In der oben gezeigten ersten Aufnahme gemäß dem Abtastschema A1.1 ist in k_y-Richtung jeder vierte k-Raumpunkt durch zusätzlich aufgeprägte Phasen ϕ₁ in k_z-Richtung verschoben. Dies kann z.B. durch Anwenden einer CAIPIRINHA-Technik erreicht werden. In der in der folgenden Zeile gezeigten Wiederholung gemäß dem Abtastschema A2.1 sind die zusätzlichen Phasen ϕ_i derart geändert, dass wiederum in k_y-Richtung jeder vierte k-Raumpunkt durch zusätzlich aufgeprägte Phasen ϕ₂ in k_z-Richtung verschoben ist, jedoch sind in der Wiederholung i=2 gerade diejenigen k-Raumpunkte in k_z-Richtung verschoben, die in der ersten Aufnahme an einer Koordinate in Phasenkodierrichtung k_y zwar aufgenommen wurden, aber nicht in Schichtrichtung k_z verschoben waren. In dem gezeigten Beispiel können somit durch einfaches Permutieren der mit zusätzlichen Phasen ϕ_i belegten k-Raumpunkte sich in einer dreidimensionalen Betrachtungsweise unterscheidende Abtastschemata gewonnen werden, die kombiniert den k-Raum in Schichtrichtung vollständig abtasten.
Die weiteren gezeigten Abtastschemata A1.2 und A2.2 sind Wiederholungen der Abtastschemata A1.1 und A2.1. Aus gemäß den Abtastschemata A1.1 und A2.1 und/oder A1.2 und A2.2 aufgenommenen Referenzdaten kann zumindest ein zentraler Bereich des k-Raums wie in 3 rechts dargestellt befüllt werden, wobei schraffiert dargestellte k-Raumpunkte befüllt sind. Dazu können beispielsweise die gemäß der Abtastschemata A1.1 und A2.1 gemessenen Referenzdaten, oder die gemäß der Abtastschemata A1.2 und A2.2 gemessenen Referenzdaten, oder alle gemessenen Referenzdaten, z.B. durch Mittelung, kombiniert werden. Es können weitere Wiederholungen m vorgesehen werden, die nach dem gleichen Schema durchgeführt werden können.
Wird ein Schicht-Multiplexing-Verfahren zur Erstellung von diffusionsgewichteten Messdaten verwendet, kann die Aufnahme der Referenzdaten ebenfalls diffusionsgewichtet erfolgen. Beispielsweise können Referenzdaten, welche mit den dargestellten unterschiedlichen Abtastschemata Ai.m aufgenommen werden auch unter Anwendung einer Diffusionswichtung gemäß mindestens eines Diffusionsparameters (b-Wert und Diffusionsrichtung) aufgenommen werden. Insbesondere können hierbei in Wiederholungen mit gleichem Index m eine gleiche Diffusionswichtung angewendet werden, aber in Wiederholungen mit unterschiedlichem Index m auch unterschiedliche Diffusionswichtungen. Insbesondere können gemäß ihres b-Werts kleine, bei der Aufnahme der Messdaten angewandte Diffusionswichtungen auch bei der Aufnahme der Referenzdaten angewandt werden, z.B. gemäß b-Werten zwischen b=0 und b=100, insbesondere gemäß b-Werten zwischen b=0 und b=50.
Werden die Referenzdaten bereits als zu trennende Messdaten gemäß einer diffusionsgewichteten Aufnahmetechnik, z.B. einer Schicht-Multiplexing-EPI-Technik, aufgenommen, kann eine weitere Aufnahme von Messdaten mit den bereits für die Referenzdaten angewandten b-Werte entfallen. Darüber hinaus können auf Basis von in den Wiederholungen m aufgenommenen Referenzdaten erstellte Kalibrierungsdaten zur Verbesserung ihrer Robustheit gegen physiologische Bewegungen des Untersuchungsobjektes gemittelt werden, ohne dass zusätzliche Aufnahmen für die Mittelung nötig wären, da die Aufnahmen für die Diffusionswichtung bereits (mit unterschiedlichen b-Werten und/oder Diffusionsrichtungen) wiederholt werden müssen, und auf diese Wiederholungen zurück gegriffen werden kann. Somit wird die insgesamte Messzeit nicht durch Wiederholungen m verlängert.
4 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels erfindungsgemäßer verschiedener Abtastschemata i=1, i=2, i=3 und i=4 (n=2 k=4) wiederum für zwei Wiederholungen m. Dies soll wiederum keine Einschränkung auf nur zwei Wiederholungen m darstellen. Es können beliebig viele Wiederholungen m vorgesehen werden, die jeweils nach dem dargestellten Schema erfolgen. Mit der Zahl der durchgeführten Wiederholungen m kann die Robustheit der, insbesondere durch Mittelung über alle Wiederholungen m, erstellten Kalibrierungsdaten und/oder Ergänzungsdaten erhöht werden. Dazu können einerseits die in den Wiederholungen jeweils mit einem gleichen Abtastschema AS aufgenommenen Referenzdaten gemittelt werden, oder es können auch die jeweils nach jeder Wiederholung m erstellten Kalibrierungsdaten gemittelt werden.
Die Abtastschemata Ai.m entsprechen jeweils Abtastschemata mit Beschleunigungsfaktoren SMS=2 (d.h. kollabierte Aufnahme von Referenzdaten aus zwei Schichten) und PPA=2 (d.h. innerhalb der Schichten werden nur die Hälfte der gemäß Nyquist erforderlichen Messpunkte gemessen, die andere Hälfte ist mittels paralleler Akquisitionstechniken zu ergänzen), und wurden für unterschiedliche i durch zyklische Permutation der mit zusätzlichen Phasen ϕi zu beaufschlagenden k-Raumpositionen in ky-Richtung bestimmt.
Gemäß der in 4 gezeigten Abtastschemata Ai.1 und Ai.2 ergeben jeweils in Kombination (zumindest in einem gewünschten zentralen Bereich des k-Raums) einen (in dem kombinierten Bereich) vollständigen Satz an Referenzdaten aus dem erfindungsgemäß Kalibrierungsdaten und/oder Ergänzungsdaten bestimmt werden können.
Wie bereits in dem in 3 gezeigten Beispiel kann durch eine Kombination von gemäß Abtastschema A1.1 und gemäß Abtastschema A2.1 sowie von gemäß Abtastschema A1.2 und gemäß Abtastschema A2.2 aufgenommenen Referenzdaten oder einer Kombination der in den m Wiederholungen für i=1 und i=2 aufgenommenen Referenzdaten der k-Raum (zumindest in einem zentralen Bereich) in Schichtrichtung vollständig befüllt werden. Die somit befüllten k-Raumpunkte sind in der rechts gezeigten Darstellung des k-Raums von links unten nach rechts oben schraffiert dargestellt.
Im Gegensatz zu dem in 3 gezeigten Beispiel sind in 4 jedoch weitere Abtastschemata i=3 und i=4 vorgesehen, die wiederum (zumindest) den zentralen Bereich des k-Raums durch Kombination von gemäß Abtastschema A3.1 und gemäß Abtastschema A4.1 (sowie ggf. von gemäß Abtastschema A3.2 und gemäß Abtastschema A4.2 aufgenommenen Referenzdaten oder einer Kombination der in den m Wiederholungen für i=3 und i=4) aufgenommenen Referenzdaten in Schichtrichtung vollständig befüllen. Die hierdurch befüllten k-Raumpunkte sind in der rechts gezeigten Darstellung des k-Raums von links oben nach rechts unten schraffiert dargestellt.
Sowohl aus den von links unten nach rechts oben schraffierten, mit Referenzdaten, welche mit Abtastschemata mit i=1 und i=2 aufgenommen wurden, befüllten k-Raumpunkten, als auch aus den von links oben nach rechts unten schraffierten, mit Referenzdaten, welche mit Abtastschemata mit i=3 und i=4 aufgenommen wurden, befüllten k-Raumpunkten können jeweils Kalibrierungsdaten zur Trennung von kollabiert aufgenommenen Messdaten erstellt werden.
Für die zweite Wiederholung m=2 sind der Übersichtlichkeit halber nur noch die ersten beiden Abtastschemata A1.2 und A2.2 gezeigt, die die Abtastschemata A1.1 und A2.1 wiederholen. Es können aber auch die Abtastschemata A3.1 und A4.1 noch wiederholt werden.
Wie in der rechts gezeigten Darstellung des k-Raums ersichtlich, ergibt eine Kombination von gemäß Abtastschemata mit i=1, i=2, i=3 und i=4 aufgenommenen Referenzdaten insgesamt einen vollständig befüllten k-Raum, auf Basis dessen auch wie oben beschrieben Ergänzungsdaten erstellt werden können.
Für andere Beschleunigungsfaktoren und/oder Bildbereich-Verschiebungsfaktoren kann ein derartiges Permutieren der mit zusätzlichen Phasen beaufschlagten k-Raumpunkte je Abtastschema analog erfolgen, wobei die Anzahl k der für eine, zumindest bereichsweise, vollständige Abtastung nötigen Wiederholungen von den verwendeten Beschleunigungsfaktoren und Bildbereich-Verschiebungsfaktoren abhängt.
5 zeigt schematisch einen Ablauf einer typischen Schicht-Multiplexing-Messung im zeitlichen Verlauf mit Bezug zu einer physiologischen Bewegung A des untersuchten Untersuchungsobjektes. Bei der physiologischen Bewegung A kann es sich insbesondere um eine Atembewegung handeln.
Dabei werden aus acht übereinander angeordneten Schichten S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7 und S8 zunächst in dem ersten Zeitfenster R1 Referenzdaten, z.B. für Kalibrierungsdaten zur Trennung von kollabiert aufgenommenen Messdaten, aus den Schichten S1 bis S8 aufgenommen. Danach können in einem weiteren Zeitfenster R2 weitere Referenzdaten, z.B. für Ergänzungsdaten von unvollständig aufgenommenen Einzelschicht-Messdaten, aufgenommen werden. Im Anschluss werden mittels eines Schicht-Multiplexing-Verfahrens Messdaten in den Aufnahmezeitfenstern A1 und A2 jeweils aus zweien der Schichten, z.B. aus den Schichten S1 und S5, S2 und S6, S3 und S7 sowie S4 und S8, jeweils kollabiert aufgenommen, die mittels auf Basis der im Zeitfenster R1 aufgenommenen Referenzdaten erstellter Kalibrierungsdaten in Einzelschicht-Messdaten getrennt, und mittels auf Basis der im Zeitfenster R2 aufgenommenen Referenzdaten erstellten Ergänzungsdaten zu vollständigen Einzelschicht-Messdaten ergänzt werden können, bevor letztere zu Bilddaten der einzelnen Schichten rekonstruiert werden können.
Wie man sieht, kann es hierbei jedoch vorkommen, dass die aus einer Schicht aufgenommenen Referenzdaten zu einem anderen Bewegungszustand der physiologischen Bewegung A aufgenommen wurden, als die später aufgenommenen Messdaten. Beispielhaft sind zur Verdeutlichung dieses Effekts senkrechte gestrichelte Linien von allen Aufnahmen von Daten aus der Schicht S3 und der Schicht S7 nach oben auf die zeitlich zugehörigen Punkte auf der Kurve der physiologischen Bewegung A eingezeichnet. Wie man sieht, liegt zu jeder der Aufnahmen ein anderer Zustand der physiologischen Bewegung vor, insbesondere liegen zu den Aufnahmezeitpunkten der Referenzdaten in den Zeitfenstern R1 und R2 jeweils andere Bewegungszustände für die für Schicht S3 aufgenommenen Referenzdaten als für die für Schicht S7 aufgenommenen Referenzdaten vor, wohingegen durch die kollabierte Aufnahme der Messdaten dieser beiden Schichten, bei der Aufnahme der Messdaten jeweils ein gleicher Bewegungszustand für diese beiden Schichten vorliegt. Dadurch entstehen Fehler bei der Trennung der kollabiert aufgenommenen Messdaten und bei der Ergänzung nicht vollständiger Einzelschicht-Messdaten.
6 zeigt nun ein Beispiel, wie Messdaten und Referenzdaten für die Schichten S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7 und S8 in einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgenommen werden können.
In dem gezeigten Beispiel werden Referenzdaten bereits als Messdaten kollabiert aus jeweils zwei Schichten aufgenommen. Gezeigt sind vier aufeinanderfolgende Aufnahmen von Referenzdaten (und damit gleichzeitig Messdaten) in Aufnahmefenstern A1, A2, A3 und A4. Es können auch weitere Aufnahmefenster folgen. In den verschiedenen Aufnahmefenstern werden erfindungsgemäß verschiedene Abtastschemata angewendet.
Beispielsweise könnten in den Aufnahmezeitfenstern A1 bis A4 nacheinander die in 3 beschriebenen Abtastschemata A1.1, A2.1, A1.2 und A2.2 eingesetzt werden, um Referenzdaten aufzunehmen auf Basis derer Kalibrierungsdaten zur Trennung der Messdaten erstellt werden können.
Es können auch in den Aufnahmezeitfenstern A1 bis A4 nacheinander die in 4 beschriebenen Abtastschemata A1.1, A2.1, A3.1 und A4.1 eingesetzt werden, um Referenzdaten aufzunehmen auf Basis derer Kalibrierungsdaten zur Trennung der Messdaten und auch Ergänzungsdaten zur Ergänzung unvollständiger Einzelschicht-Messdaten erstellt werden können.
Durch die gleichzeitige Aufnahme von Referenzdaten und Messdaten kann eine besonders effektive Kompensation der physiologischen Bewegung A erreicht werden, da die Referenzdaten und die Messdaten inhärent jeweils zu gleichen Bewegungszuständen aufgenommen werden. Dies gilt für jede Wiederholung Ai.m.
Es ist jedoch auch denkbar, dass z.B. in den ersten Aufnahmezeitfenstern, z.B. A1 und A2, nur Referenzdaten jeweils kollabiert aus zweien der acht zu messenden Schichten S1 bis S8 aufgenommen werden, und erst später, z.B. im Rahmen der Aufnahmezeitfenster A3 und A4 (und ggf. weiterer) Messdaten aufgenommen werden, wobei vorteilhaft jedoch die Referenzdaten jeweils aus gleichen Schichten kollabiert aufgenommen werden, aus welchen auch die Messdaten kollabiert aufgenommen werden. Z.B. können sowohl Referenzdaten als Messdaten jeweils kollabiert aus den Schichten S1 und S5, S2 und S6, S3 und S7 sowie S4 und S8 aufgenommen werden. Dadurch sind die Referenzdaten, die aus zwei Schichten kollabiert aufgenommen wurden, bereits während eines gleichen Bewegungszustandes aufgenommen. Die später aufgenommenen Messdaten, welche aus den gleichen Schichten wie die Referenzdaten kollabiert aufgenommen wurden, wurden ebenfalls während eines gleichen Bewegungszustandes aufgenommen. Dadurch sind zumindest kollabiert aufgenommene Referenzdaten und kollabiert aufgenommene Messdaten derselben Schichten jeweils zu einem gleichen Bewegungszustand aufgenommen, wodurch bereits eine deutliche Verringerung von Fehlern durch unterschiedliche Bewegungszustände in Referenzdaten (untereinander) und/oder Messdaten gleicher Schichten erreicht werden kann.
Eine derartige separate Aufnahme der Referenzdaten, insbesondere mit einer gleichen Wiederholzeit TR wie bei einer späteren Aufnahme von Messdaten, kann vorteilhaft genutzt werden, um einen gewünschten Steady-State zu etablieren, für welchen ansonsten sogenannte „Dummy-Scans“ eingesetzt werden müssten. Auf diese Weise wird die insgesamte Messzeit nicht durch die separate Aufnahme der Referenzdaten verlängert.
Somit kann auch in Untersuchungsvolumen eines Untersuchungsobjektes, welche einer physiologischen Bewegung unterworfen sind, erreicht werden, dass ohne eine Einschränkung der physiologischen Bewegung robuste Kalibrierungsdaten und ggf. Ergänzungsdaten für Schicht-Multiplexing-Verfahren erstellt werden können.
7 stellt schematisch eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage 1 dar. Diese umfasst eine Magneteinheit 3 zur Erzeugung des Grundmagnetfeldes, eine Gradienteneinheit 5 zur Erzeugung der Gradientenfelder, auch für die Diffusionswichtung mit unterschiedlichen b-Werten in gewünschte Diffusionsrichtungen, eine Hochfrequenzeinheit 7 zur Einstrahlung und zum Empfang von Hochfrequenzsignalen und eine zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Steuereinrichtung 9. In der 7 sind diese
Teileinheiten der Magnetresonanzanlage 1 nur grob schematisch dargestellt. Insbesondere besteht die Hochfrequenzeinheit 7 aus mehreren Untereinheiten, insbesondere aus mindestens zwei Spulen wie den schematisch gezeigten Spulen 7.1 und 7.2, die entweder nur zum Senden von Hochfrequenzsignalen oder nur zum Empfangen der ausgelösten Hochfrequenzsignale oder für beides ausgestaltet sein können.
Zur Untersuchung eines Untersuchungsobjektes U, beispielsweise eines Patienten oder auch eines Phantoms, kann dieses auf einer Liege L in die Magnetresonanzanlage 1 in deren Messvolumen eingebracht werden. Die Schichten S1 und S2 stellen exemplarisch zwei unterschiedlichen Schichten S1 und S2 des Untersuchungsobjekts dar, die bei einer Aufnahme von MR-Signalen gleichzeitig gemessen werden können.
Die Steuereinrichtung 9 dient der Steuerung der Magnetresonanzanlage und kann insbesondere die Gradienteneinheit 5 mittels einer Gradientensteuerung 5' und die Hochfrequenzeinheit 7 mittels einer Hochfrequenz-Sende-/Empfangs-Steuerung 7' steuern. Die Hochfrequenzeinheit 7 kann hierbei mehrere Kanäle umfassen, auf denen Signale gesendet oder empfangen werden können.
Die Hochfrequenzeinheit 7 ist zusammen mit ihrer Hochfrequenz-Sende-/Empfangs-Steuerung 7' für die Erzeugung und das Einstrahlen (Senden) eines Hochfrequenz-Wechselfeldes zur Manipulation der Spins in einem zu manipulierenden Bereich (insbesondere in verschiedene Schichten S1 und S2) des Untersuchungsobjekt U zuständig. Dabei sollte die Mittenfrequenz des auch als B1-Feld bezeichneten Hochfrequenz-Wechselfeldes nahe der Resonanzfrequenz der zu manipulierenden Spins liegen. Zur Erzeugung des B1-Feldes werden in der Hochfrequenzeinheit 7 mittels der Hochfrequenz-sende/empfangs-Steuerung 7' gesteuerte Ströme an den HF-Spulen angelegt. Eine Multi-Band-RF-Pulseinheit 7a, die beispielsweise von der Hochfrequenz-Sende-/Empfangs-Steuerung 7' umfasst sein kann, berechnet Multi-Band-RF-Pulse zur gleichzeitigen Manipulation von verschiedenen Schichten S1, S2 in dem Untersuchungsobjekt U.
Weiterhin umfasst die Steuereinrichtung 9 eine Kalibrierungseinheit 15 insbesondere zum Bestimmen von Kalibrierungsdaten zur Trennung von aus mindestens zwei Schichten kollabiert aufgenommenen Messdaten und/oder zum Bestimmen von Ergänzungsdaten zur Ergänzung von unvollständigen Einzelschicht-Messdaten.
Eine von der Steuereinrichtung 9 umfasste Recheneinheit 13 ist dazu ausgebildet alle für die nötigen Messungen und Bestimmungen nötigen Rechenoperationen auszuführen. Hierzu benötigte oder hierbei ermittelte Zwischenergebnisse und Ergebnisse können in einer Speichereinheit S der Steuereinrichtung 9 gespeichert werden. Die dargestellten Einheiten sind hierbei nicht unbedingt als physikalisch getrennte Einheiten zu verstehen, sondern stellen lediglich eine Untergliederung in Sinneinheiten dar, die aber auch z.B. in mehr oder in weniger oder auch in nur einer einzigen physikalischen Einheit realisiert sein können.
Über eine Ein-/Ausgabeeinrichtung E/A der Magnetresonanzanlage 1 können, z.B. durch einen Nutzer, Steuerbefehle an die Magnetresonanzanlage geleitet werden und/oder Ergebnisse der Steuereinrichtung 9 wie z.B. Bilddaten angezeigt werden.
Ein hierin beschriebenes Verfahren kann auch in Form eines Computerprogrammprodukts vorliegen, welches ein Programm umfasst und das beschriebene Verfahren auf einer Steuereinrichtung 9 implementiert, wenn es auf der Steuereinrichtung 9 ausgeführt wird. Ebenso kann ein elektronisch lesbarer Datenträger 26 mit darauf gespeicherten elektronisch lesbaren Steuerinformationen vorliegen, welche zumindest ein solches eben beschriebenes Computerprogrammprodukt umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers 26 in einer Steuereinrichtung 9 einer Magnetresonanzanlage 1 das beschriebene Verfahren durchführen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 20180074147 A1 [0014]

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Messdaten eines einer physiologischen Bewegung unterworfenen Untersuchungsobjektes mittels einer Schicht-Multiplexing-Magnetresonanztechnik, umfassend die Schritte: a) Wiederholtes Einstrahlen mindestens eines RF-Anregungspulses und Schalten von Gradienten derart, dass durch die geschalteten Gradienten und die eingestrahlten RF-Anregungspulse Echosignale in mindestens zwei Schichten erzeugt werden, und derart dass die erzeugten Echosignale als Referenzdaten in je einem Referenzdatensatz pro Wiederholung gemäß je einem anderen dreidimensional betrachteten Abtastschema pro Wiederholung im k-Raum aufgenommen und gespeichert werden, wobei jedes angewandte Abtastschema gemäß Nyquist unterabgetastet ist, und wobei eine Kombination der in den Wiederholungen angewandten Abtastschemata zumindest in einem zentralen Bereich den k-Raum zumindest in Schichtrichtung (kz) vollständig umfasst, b) Bestimmen von Kalibrierungsdaten (ST.m) zur Trennung von aus mindestens zwei Schichten kollabiert aufgenommenen Messdaten auf Basis des zumindest in Schichtrichtung vollständigen zentralen Bereichs der kombinierten Referenzdatensätze, c) Trennen von aus den mindestens zwei Schichten kollabiert aufgenommenen Messdaten, insbesondere von aus den mindestens zwei Schichten kollabiert aufgenommenen Messdaten, in Einzelschicht-Messdaten mit Hilfe der Kalibrierungsdaten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der bei der Bestimmung der Kalibrierungsdaten zur Trennung von aus den mindestens zwei Schichten kollabiert aufgenommenen Messdaten verwendete zumindest in Schichtrichtung vollständige zentralen Bereich der kombinierten Referenzdatensätze in Phasenkodierrichtung unterabgetastet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aufgenommene Referenzdatensätze als zu trennende aus den mindestens zwei Schichten kollabiert aufgenommene Messdaten in Einzelschicht-Messdaten getrennt (SMDS.1.m ... SMDS.N.m) werden, aus welchen Einzelschicht-Bilder rekonstruiert werden können.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als RF-Anregungspulse RF-Multiband-Anregungspulse zur gleichzeitigen Anregung der mindestens zwei Schichten verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine weitere Wiederholung der Erzeugung von Echosignalen in den mindestens zwei Schichten und Aufnehmen und Speichern dieser jeweils als Referenzdaten in je einem weiteren Referenzdatensatz mit einem bereits zuvor verwendeten Abtastschema, insbesondere mit allen bereits zuvor verwendeten Abtastschemata, durchgeführt wird, und auf Basis der gespeicherten weiteren Referenzdatensätze weitere Kalibrierungsdaten (ST.m; m>1) zur Trennung von aus mindestens zwei Schichten kollabiert aufgenommenen Messdaten bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Bestimmung der weiteren Kalibrierungsdaten (ST.m; m>1) unter Berücksichtigung von zuvor bestimmten Kalibrierungsdaten (ST.m-j; j=1, ..., m-1) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt a) so oft unter Einstrahlen von unterschiedlichen RF-Anregungspulsen und Schalten von unterschiedlichen Gradienten gemäß je einem anderen dreidimensional betrachteten Abtastschema wiederholt wird, dass eine Kombination der in allen Wiederholungen angewandten Abtastschemata zumindest in einem zentralen Bereich den k-Raum vollständig umfasst, und auf Basis des vollständig erfassten zentralen Bereichs Ergänzungsdaten (V.m) zur Ergänzung von unvollständigen Einzelschicht-Messdaten (SMD) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Referenzdatensätze mit unterschiedlicher Diffusionswichtung, insbesondere gemäß einer Echo-planar(EPI)-Sequenz, aufgenommen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Referenzdatensätze mit den höchstens der Anzahl der mindestens zwei Schichten aus welchen kollabiert Messdaten aufgenommen werden entsprechenden kleinsten b-Werten von zur Diffusionswichtung der zu trennenden Messdaten verwendeten b-Werten, insbesondere gemäß einer Echo-planar(EPI)-Sequenz, aufgenommen werden.
Magnetresonanzanlage (1) umfassend, eine Magneteinheit (3), eine Gradienteneinheit (5), eine Hochfrequenzeinheit (7) und eine Steuereinrichtung (9) mit einer Hochfrequenz-Sende-/Empfangs-Steuerung (7') und einer Kalibrierungseinheit (15), wobei die Steuereinrichtung (9) dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auf der Magnetresonanzanlage (1) auszuführen.
Computerprogramm, welches direkt in einen Speicher einer Steuereinrichtung (9) einer Magnetresonanzanlage (1) ladbar ist, mit Programm-Mitteln, um die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen, wenn das Programm in der Steuereinrichtung (9) der Magnetresonanzanlage (1) ausgeführt wird.
Elektronisch lesbarer Datenträger mit darauf gespeicherten elektronisch lesbaren Steuerinformationen, welche zumindest ein Computerprogramm nach Anspruch 11 umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in einer Steuereinrichtung (9) einer Magnetresonanzanlage (1) ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchführen.