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Die Erfindung betrifft einen Magnetresonanztomographen und ein Verfahren zum Betrieb des Magnetresonanztomographen. In dem Verfahren wird ein Anregungspuls zum Anregen von Kernpins in Abhängigkeit von der BO-Feldkarte und dem Gradientenpuls ermittelt und ausgesendet.
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Magnetresonanztomographen sind bildgebende Vorrichtungen, die zur Abbildung eines Untersuchungsobjektes Kernspins des Untersuchungsobjektes mit einem starken äußeren Magnetfeld B0 ausrichten und durch ein magnetisches Wechselfeld zur Präzession um diese Ausrichtung anregen. Die Präzession bzw. Rückkehr der Spins aus diesem angeregten in einen Zustand mit geringerer Energie wiederum erzeugt als Antwort ein magnetisches Wechselfeld, das über Antennen empfangen wird.
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Mit Hilfe von magnetischen Gradientenfeldern wird den Signalen eine Ortskodierung aufgeprägt, die nachfolgend eine Zuordnung von dem empfangenen Signal zu einem Volumenelement ermöglicht. Das empfangene Signal wird dann ausgewertet und eine dreidimensionale bildgebende Darstellung des Untersuchungsobjektes bereitgestellt.
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Die Qualität der erzeugten Bilder ist dabei stark von der Homogenität des Magnetfeldes zur Ausrichtung der Kernspins abhängig. Es ist bekannt, durch Shim-Spulen die Homogenität des statischen Magnetfeldes zu verbessern und bei der Gestaltung der Gradientenpulse dynamische Effekte durch Wirbelströme zu berücksichtigen.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, Bildgebung in einem Magnetresonanztomographen besser und kostengünstiger zu gestalten.
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Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren nach Anspruch 1 sowie einen erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen nach Anspruch 9 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Magnetresonanztomograph weist eine Steuerung auf. Die Steuerung ist ausgelegt, eine Bilderfassung mit dem Magnetresonanztomographen zu steuern und optional auch eine Bildrekonstruktion vorzunehmen. Insbesondere ist die Steuerung auch ausgelegt, das nachfolgend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren auf dem Magnetresonanztomographen auszuführen.
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Der Magnetresonanztomograph weist weiterhin einen Feldmagneten zum Erzeugen eines statischen homogenen Magnetfeldes B0 auf. Der Feldmagnet ist vorzugsweise ein supraleitender Magnet, denkbar sind aber bei geringeren Feldstärken, weniger als 1 T, 0,5 T oder 0,1 T auch Elektromagneten mit resistiver Wicklung oder Permanentmagnete.
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Der Magnetresonanztomograph weist Gradientenspulen zum Erzeugen von magnetischen Feldgradienten, die einen Raum aufspannen, meist Gx, Gy, Gz, sowie eine Gradientensteuerung zum Erzeugen der für die Gradientenfelder erforderlichen dynamischen Ströme auf. Die Gradientenspulen werden üblicherweise als Paare in Form eines Helmholtz-Spulenpaares oder als Sattelspulen ausgeführt.
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Der Magnetresonanztomograph weist einen Sender und eine Antenne zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes B1 zum Anregen von Kernspins in einem Patienten auf. Der Sender ist ausgelegt, einen Anregungspuls, der in Amplitude, Phase und Frequenz zeitlich variieren kann, auszusenden. Dazu wird üblicherweise ein Signal im Basisband bereitgestellt, dass dann durch Mischung auf die Larmorfrequenz gebracht wird und durch Modulation in der Frequenz und/oder Amplitude zeitlich variiert werden kann. Das resultierende Hochfrequenzsignal wird nachfolgend von einer Leistungsstufe des Senders verstärkt und über eine Antenne bzw. Sendeantenne, beispielsweise ein Körperspule oder auch Lokalspule, als vorwiegend magnetisches hochfrequentes Wechselfeld B1 in den Patienten abgestrahlt.
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Der Magnetresonanztomograph weist weiterhin eine Empfangsantenne, vorzugsweise eine Lokalspule, und einen Empfänger zum Empfangen eines Magnetresonanzsignals aus dem Patienten auf. Der Empfänger bereitet die empfangenen Magnetresonanzsignale für eine Bildrekonstruktion auf.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen ermittelt die Steuerung in einem Schritt eine BO-Feldkarte, d.h. Daten über räumliche Variationen des BO-Feldes im Aufnahmebereich des Magnetresonanztomographen. Als BO-Feld wird dabei im Gegensatz zum B1-Feld ein Magnetfeld angesehen, das zeitliche Variationen nur mit Frequenzen aufweist, die wesentlich unter der Larmorfrequenz liegen, beispielsweise um den Faktor 10, 50 oder größer. Die BO-Feldkarte kann in einem Speicher der Steuerung gespeichert sein, beispielsweise wenn diese bereits bei der Herstellung durch Messung mit einer Feldkamera oder durch Berechnung eine Feldverteilung für den Magnetresonanztomographen ermittelt wurde. Es ist aber auch denkbar, dass die Steuerung zum Beginn einer Sequenz durch eine Magnetresonanzmessung oder durch Simulation, z.B. unter Berücksichtigung der Position und anderer Eigenschaften des Patienten oder Einstellungen des Magnetresonanztomographen wie Shim-Ströme durch Shim-Spulen diese aktuell ermittelt.
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In einem weiteren Schritt bestimmt die Steuerung eine zu erzielende Anregung der Kernspins, vorzugsweise in einem zu untersuchenden Volumen. Üblicherweise hängt dieser von der verwendeten Sequenz und dem aktuell auszuführenden Teilschritt der Sequenz ab. Beispiele für spezielle Anregungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Typischerweise ist ein gewünschter Flip-Winkel der Kernspins wie 90 Grad oder 180 Grad die Vorgabe. Es kann sich dabei um eine selektive Anregung von bestimmten Kernen bzw. Kernen von Atomen in speziellen Bindungen mit unterschiedlichen Larmorfrequenzen handeln, für die bevorzugte Beispiele nachfolgend zu den Unteransprüchen angegeben sind.
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In einem weiteren Schritt ermittelt die Steuerung einen Anregungspuls zum Aussenden durch den Sender über die Antenne, wobei der Anregungspuls ausgelegt ist, die zuvor bestimmte Anregung zu erzielen. Darunter ist zu verstehen, dass die Anregung der anzuregenden Kernspins in einem zu erfassenden Volumen, beispielsweise einer abzubildenden Schicht im Körper des Patienten, um weniger als 10%, 5%, 1% oder 0,1% von der zu erzielenden Anregung abweicht. Bei dem Ermitteln des Anregungspulses wird die BO-Feldkarte berücksichtigt, sowie möglicherweise in dem zu erfassenden Volumen anliegende Gradientenfelder. Die Gradientenfelder können dabei auch als Anteil des BO-Feldes betrachtet und in der BO-Feldkarte enthalten sein. Denkbar ist es beispielsweise durch ein Optimierungsverfahren wie LSR (Least Sqare Root, Verfahren der minimalen quadratischen Abweichung) mittels Bloch-Gleichungen die Spin-Anregung in Abhängigkeit von der BO-Feldkarte und dem Anregungspuls zu ermitteln und Abweichungen von der bestimmten Anregung zu minimieren, bis diese unter einer vorbestimmten Abweichung liegen. Denkbar sind beispielsweise auch parametrisierte gespeicherte Vorlagen für Anregungspulse, bei denen die Parameter optimiert werden oder auch Tabellen mit vorbestimmten Anregungspulsen, bei den einer mit minimaler Abweichung ausgewählt wird.
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Der Anregungspuls ist ein spektral selektiver Anregungspuls. Als spektral selektiv im Sinne der Erfindung wird angesehen, dass der Anregungspuls nur aufgrund unterschiedlicher Larmorfrequenzen der Kernspins, verursacht durch unterschiedliche Kerne, vorzugsweise aber durch identische Kerne in unterschiedlichen chemischen Bindungen, die unterschiedlichen Arten von Kernspins bzw. Bindungstypen auf vorbestimmte Weise anregt, d.h. eine vorbestimmte Änderung der Ausrichtung der Kernspins im BO-Magnetfeld verursacht. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass Kernspins in einem Bindungstyp durch den spektral selektiven Anregungspuls eine vollständige Ausrichtung entgegen der Magnetfeldrichtung annehmen oder einen Flipwinkel von 90 Grad, während die Kernspins in einem anderen Bindungstyp keine Änderung der Ausrichtung erfahren. Dabei kann sich die Larmorfrequenz durch die unterschiedlichen Bindungen um weniger als 100 Promille, 50 Promille, 10 Promille, 5 Promille oder 1 Promille unterscheiden.
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In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens gibt die Steuerung gemäß der Sequenz den ermittelten Anregungspuls über den Sender und die Antenne aus. Als gemäß der Sequenz ausgeben ist dabei zu verstehen, dass der Anregungspuls zu einem vorbestimmten Zeitpunkt wie durch die Sequenz vorgegeben ausgesendet wird. Dies kann insbesondere eine zeitlich vorbestimmte Ausgabe in Bezug auf Gradientenfelder umfassen.
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Auf vorteilhafte Weise ist es mit dem erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, in den Anregungspulsen räumliche Variationen des BO-Feldes zu berücksichtigen und zu kompensieren. Auf diese Weise kann je nachdem die Bildqualität verbessert werden, der Aufwand für die Kompensation oder Verhinderung von BO-Feld-Abweichungen wie z.B. aktives oder passives Shimming reduziert oder auch die elektromagnetische Belastung (SAR) für den Patienten verringert bzw. bei gleicher Belastung die Bildqualität verbessert werden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer denkbaren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses weiterhin einen Schritt auf, in dem eine B1-Feldkarte ermittelt wird. Die B1-Feldkarte gibt Variationen in der Amplitude des hochfrequenten magnetischen B1-Wechselfeldes an, das bei Aussenden eines Anregungspulses durch den Sender über die Antenne erzeugt wird. Die kann beispielsweise durch die Geometrie der Antenne oder auch durch die Wechselwirkung mit dem Patienten, z.B einer Dämpfung bzw. Absorption im Körper verursacht sein. Eine B1-Feldkarte kann beispielsweise durch Anregen und Auslesen eines Phantoms vorab oder auch mit dem Patienten erfolgen, beispielsweise durch phasen-sensitives Mapping oder durch Bloch-Siegert-Shift. In dem Schritt des Ermittelns eines spektral selektiven Anregungspulses erfolgt dann das Ermitteln in Abhängigkeit von der B1-Feldkarte. Beispielsweise kann eine in der B1-Feldkarte erkannte, in einem Bereich lokal reduzierte Amplitude des B1-Feldes durch eine höhere Amplitude des Anregungssignals in diesem Bereich bei einem Mehrkanal-Sender ausgeglichen werden oder durch eine längere Dauer des Anregungssignals. Korreliert der Bereich der B1-Feldvariation aufgrund Gradienten oder BO-Feldvariationen räumlich mit einem unterschiedlichen BO-Feld, kann aufgrund unterschiedlicher Larmorfrequenzen auch eine Variation der Amplitude für entsprechende Spektralanteile des Anregungspulses zur räumlichen Homogenisierung der Anregung durch den Anregungspuls genutzt werden.
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Auf vorteilhafte Weise kann mittels des Anregungspulses so auch eine durch B1-Variation erzeugte Inhomogenität in den erzeugten Abbildungen reduziert werden.
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In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der spektral selektive Anregungspuls ausgelegt, als zu erzielende Anregung eine Sättigung von Kernspins eines ersten Bindungstyps in dem zu untersuchenden Volumen zu erzielen. Je nach Sequenz kann sich dabei ein vorbestimmter Flipwinkel zur Sättigung unterscheiden, beispielsweise dem Wert von 90 Grad oder 180 Grad entsprechen, wobei hier auch Abweichungen von bis zu +-10 Grad oder +-20 Grad tolerierbar sein können. Als Sättigung der Kernspins wird es dabei angesehen, wenn mehr als 80%, 90%, 95% oder 99% der Kernspins des ersten Bindungstyps den vorbestimmten Flipwinkel bzw. in dem Toleranzbereich um den Flipwinkel einnehmen.
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Sättigung der Kernspins einer ersten Kernart oder eines ersten Bindungstyps durch Sättigungspulse auszublenden ist eine gängige Technik, um beispielsweise Fett in der Bildgebung auszublenden. Die Technik ist aber durch BO-Feldschwankungen, z.B. durch unterschiedliche Gewebegrenzen mit unterschiedlicher Permeabilität, gestört. Auf vorteilhafte Weise bietet der spektral selektive Anregungspuls als Sättigungspuls eine Möglichkeit, die Bildqualität bei Anwendung der Unterdrückung durch Sättigung zu verbessern
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In einer denkbaren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der spektral selektive Anregungspuls ausgelegt, unterschiedliche vorbestimmte Zielmagnetisierungen für Kernspins mit mindestens zwei vorbestimmten unterschiedlichen Larmorfrequenzen zu erzielen. Durch Anpassung der Amplitude für unterschiedliche Frequenzanteile des spektral selektiven Anregungspulses, mit anderen Worten der spektralen Energieverteilung, lassen sich gezielt vorbestimmte Zielmagnetisierungen bzw. Flipwinkel für Kernspins mit unterschiedlichen Larmorfrequenzen, d.h. z.B. mit unterschiedlichen ersten und zweiten chemischen Bindungen einstellen. Ein einfaches Beispiel ist ein Sättigungspuls, bei dem wie zuvor eine Sättigung für einen ersten Bindungstyp eingestellt wird, während sich für den anderen, zweiten Bindungstyp keine Änderung des Flipwinkels ergibt. Denkbar wäre es beispielsweise aber auch, gleichzeitig die Flipwinkel beider Bindungstypen um unterschiedliche Beträge zu verändern, um so auf vorteilhafte Weise das Verfahren zu beschleunigen und/oder die SAR-Belastung zu reduzieren.
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In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem Schritt des Ermittelns einer BO-Feldkarte die BO-Feldkarte in Abhängigkeit von durch den Patienten induzierten BO-Abweichungen ermittelt. Die BO-Feldkarte kann beispielsweise durch eine MR-Messung in Anwesenheit des Patienten vorab ermittelt werden. Denkbar wäre es aber auch, anhand von Parametern des Patienten wie z.B. Größe, Gewicht und/oder Lage dessen Auswirkungen auf das homogene BO-Feld in einer automatischen Berechnung durch die Steuerung zu modellieren oder aus einer Datenbank abzurufen. Die so ermittelte BO-Feldkarte ermöglicht es dann mit dem erfindungsgemäßen spektral selektiven Anregungspuls die Auswirkungen dieser BO-Variationen durch den Patienten zu kompensieren und beispielsweise die Unterdrückung von Fett durch die Fettsättigung in der erzeugten Abbildung zu verbessern.
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In einer denkbaren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt die Steuerung in einem weiteren Schritt einen Gradientenpuls. Üblicherweise hängt dieser von der verwendeten Sequenz und dort wiederum von der Position der zu erfassenden Volumenelemente ab. Der Gradientenpuls kann beispielsweise aus einer gespeicherten Bibliothek der Steuerung entnommen und über Parameter angepasst werden. Denkbar sind auch eine Berechnung bzw. ein Optimierungsverfahren anhand der zu erzielenden Felder mittels des Biot-Savart-Gesetzes. Es ist dabei auch möglich, dynamische Effekte wie Wirbelströme in dem Magnetresonanztomographen zu berücksichtigen. Das Ergebnis ist ein vorgegebener zeitlicher Verlauf der Ströme durch die Gradientenspulen.
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Der bestimmte Gradientenpuls wird in einem weiteren Schritt über die Gradientensteuerung in entsprechende Ströme durch die Gradientenspulen umgesetzt und dadurch die gewünschten Gradientenfelder erzeugt.
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Auf vorteilhafte Weise ist es mit dem erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, dynamische Effekte der Gradientenpulse in den Anregungspulsen zu berücksichtigen und zu kompensieren. Auf diese Weise kann je nachdem die Bildqualität verbessert werden, der Aufwand für die Kompensation oder Verhinderung der Wirbelströme reduziert oder auch die elektromagnetische Belastung (SAR) für den Patienten reduziert bzw. bei gleicher Belastung die Bildqualität verbessert werden.
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In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem Schritt von der Steuerung ein physiologischer Parameter des Patienten erfasst. Dies kann beispielsweise Gewicht, Abmessung, Lage auf der Liege oder Fettanteil sein. Denkbar ist beispielsweise, dass dieser physiologische Parameter durch Bedienereingabe an einem Eingabegerät durch Eingabe des Parameters oder Auswahl aus vorgegebenen Templates erfolgt. Es ist aber auch möglich, dass ein Parameter automatisch durch Sensoren wie Kamera oder für Gewicht oder Druck oder auch durch eine vorzugsweise schelle Magnetresonanzmessung durch die Steuerung ermittelt werden.
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In dem Schritt des Ermittelns des Anregungspulses wird dieser Parameter dann durch die Steuerung berücksichtigt. Beispielsweise können in die Bloch-Gleichungen die Feldstärke und die Permeabilität eingehen, die durch Körpergewicht und Zusammensetzung des Körpers variieren. Das Ergebnis des Optimierungsverfahrens hängt auf diese Weise dann von dem physiologischen Parameter ab.
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Auf vorteilhafte Weise sind erfindungsgemäße Magnetresonanztomograph und das erfindungsgemäße Verfahren in der Lage, durch Berücksichtigung von Eigenschaften des Patienten die Bildqualität auch individuell zu optimieren.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die zu erzielende Anregung eine räumlich homogene Fettsättigung.
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Körperfett ist bei der Magnetresonanzabbildung die am häufigsten störende Substanz, da auch das Körperfett eine hohe Protonendichte aufweist und oft mit anderen zu untersuchenden Organen räumlich eng verschränkt ist. Aufgrund des etwas anderen Kernspins der Protonen in den chemischen Bindungen der Kohlenwasserstoffe im Unterschied zum Wasser lässt sich Fett grundsätzlich gut durch Sättigungspulse unterdrücken. Wegen der geringen Frequenzunterschiede bei der Larmorfrequenz führen aber bereits geringe Magnetfeldveränderungen, wie sie auch dynamisch durch Wirbelströme verursacht werden zu mangelhafter Bildqualität. Der erfindungsgemäße Magnetresonanztomograph erzielt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren deshalb gerade bei der Fettsättigung ohne aufwändige Hardwareänderungen eine Bildverbesserung.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen weist der Sender des Magnetresonanztomographen eine Mehrzahl an Sendkanälen auf. Als Sendekanäle werden dabei Ausgänge des Senders angesehen, an denen ein Anregungspuls zur Speisung einer Antenne bereitgestellt werden kann, wobei sich die Signale der Sendekanäle in Amplitude, spektraler Leistungsverteilung und/oder Phase unterscheiden. Als Anregungspuls wird im Sinne der Erfindung dabei auch ein Vektor gesehen, der mehrere Anregungssignale für einzelne Sendekanäle umfasst, die beim zeitlich koordinierten Aussenden über die Antenne im Untersuchungsvolumen die zu erzielende Anregung der Kernspins bewirken. Die Antenne bzw. Sendeantenne ist vorzugsweise ein Antennenarray mit einer Mehrzahl an Sendeelementen, wobei die Signalausgänge jeweils mit mindestens einem Sendelement in Signalverbindung stehen, um ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Dies können beispielsweise einzelne oder mehrere Elemente einer Birdcage-Antenne oder mehrere Antennenspulen eines Lokalspulen-Arrays sein.
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Im Schritt des Aussendens des Anregungspulses lässt sich so eine vorbestimmte räumlich Verteilung der Anregung als zusätzlicher Freiheitsgrad durch Interferenz der Signale der Mehrzahl an Sendekanälen über eine Mehrzahl an Sendelementen der Antenne erzielen, die beim Schritt des Ermittelns des Anregungspulses durch Variation von Phase und Amplitude eingestellt wird.
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Auf vorteilhafte Weise lässt sich so die Homogenität der Anregung bei noch geringerer SAR-Belastung verbessern.
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Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt, welches direkt in einen Prozessor einer programmierbaren Steuerung des Magnetresonanztomographen ladbar ist, mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programmprodukt auf der Steuerung ausgeführt wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein computerlesbares Speichermedium mit darauf gespeicherten elektronisch lesbaren Steuerinformationen, welche derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Speichermediums in einer Steuerung eines erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen das erfindungsgemäße Verfahren durchführen.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Übersichtsdarstellung eines erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen;
- 2 eine schematische Darstellung eines Senders und einer Antenne einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen;
- 3 einen schematischer Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Magnetresonanztomographen 1 zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Magneteinheit 10 weist einen Feldmagneten 11 auf, der ein statisches Magnetfeld B0 zur Ausrichtung von Kernspins von Proben bzw. des Patienten in einem Aufnahmebereich erzeugt. Der Aufnahmebereich zeichnet sich durch ein äußerst homogenes statisches Magnetfeld B0 aus, wobei die Homogenität insbesondere die Magnetfeldstärke bzw. den Betrag betrifft. Der Aufnahmebereich ist nahezu kugelförmig und in einem Patiententunnel 16 angeordnet, der sich in einer Längsrichtung 2 durch die Magneteinheit 10 erstreckt. Eine Patientenliege 30 ist in dem Patiententunnel 16 von der Verfahreinheit 36 bewegbar. Üblicherweise handelt es sich bei dem Feldmagneten 11 um einen supraleitenden Magneten, der magnetische Felder mit einer magnetischen Flussdichte von bis zu 3T, bei neuesten Geräten sogar darüber, bereitstellen kann. Für geringere Feldstärken können jedoch auch Permanentmagnete oder Elektromagnete mit resistiven Spulen Verwendung finden.
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Weiterhin weist die Magneteinheit 10 Gradientenspulen 12 auf, die dazu ausgelegt sind, zur räumlichen Differenzierung der erfassten Abbildungsbereiche in dem Untersuchungsvolumen dem Magnetfeld B0 variable Magnetfelder in drei Raumrichtungen zu überlagern. Die Gradientenspulen 12 sind üblicherweise Spulen aus normalleitenden Drähten, die zueinander orthogonale Felder in dem Untersuchungsvolumen erzeugen können.
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Die Magneteinheit 10 weist ebenfalls eine Körperspule 14 auf, die dazu ausgelegt ist, ein über eine Signalleitung zugeführtes Hochfrequenzsignal in das Untersuchungsvolumen abzustrahlen und von dem Patient 100 emittierte Resonanzsignale zu empfangen und über eine Signalleitung abzugeben.
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Eine Steuereinheit 20 versorgt die Magneteinheit 10 mit den verschiedenen Signalen für die Gradientenspulen 12 und die Körperspule 14 und wertet die empfangenen Signale aus.
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So weist die Steuereinheit 20 eine Gradientenansteuerung 21 auf, die dazu ausgelegt ist, die Gradientenspulen 12 über Zuleitungen mit variablen Strömen zu versorgen, welche zeitlich koordiniert die erwünschten Gradientenfelder in dem Untersuchungsvolumen bereitstellen.
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Weiterhin weist die Steuereinheit 20 eine Hochfrequenzeinheit 22 mit einem Sender 60 auf, der ausgelegt ist, einen Hochfrequenz-Puls mit einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf, Amplitude und spektraler Leistungsverteilung zur Anregung einer Magnetresonanz der Kernspins in dem Patienten 100 zu erzeugen. Dabei können Pulsleistungen im Bereich von Kilowatt erreicht werden. Die Anregungspulse können über die Körperspule 14 oder auch über eine lokale Sendeantenne in den Patienten 100 abgestrahlt werden.
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Eine Steuerung 23 kommuniziert über einen Signalbus 25 mit der Gradientensteuerung 21 und der Hochfrequenzeinheit 22.
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Die Gradientenfelder sind dabei sich zeitlich ändernde Magnetfelder, die durch Induktion in elektrisch leitenden Elementen der Konstruktion und in geringerem Umfang auch im elektrisch leitenden Körper Wirbelströme induzieren, die wiederum der Ursache entgegengesetzte Magnetfelder hervorrufen und so lokal das lokale statische Magnetfeld schwächen. Als statisch wird hierbei ein Magnetfeld angesehen, wenn spektrale Anteile mit nennenswerter Energie, also z.B. Grundsignal und 2 oder 3. Oberwelle, in einem Frequenzbereich liegen, der wesentlich kleiner als die Larmorfrequenz ist, also beispielsweise um mehr als den Faktor 10, 100 oder 1000 darunter. Diese Wirbelströme verändern in Abhängigkeit von Raum und Zeit die Larmorfrequenz von Kernspins lokal. Anregungspulse für Kernspins, die gleichzeitig oder unmittelbar nach Gradientenpulsen als Teil einer Bilderfassungssequenz ausgesendet werden, ändert sich dadurch die erzielte Wirkung, d.h. der Flipwinkel und die erwünschte Anregung wird nicht oder nicht ausreichend erzielt.
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Andere Ursachen für eine Veränderung des statischen Magnetfeldes liegen neben der Konstruktion des Magnetresonanztomographen selbst vor allem in dem Patienten 100. Dieser kann aufgrund der Größe und Zusammensetzung durch die magnetischen Eigenschaften des Körpergewebes das Magnetfeld BO verändern. Besonders kritisch sind hier Bereiche wie Schulter und Genick, in denen unterschiedliche Gewebetypen wie Knochen, Muskeln, Sehnen und Fett eng benachbart sind und insbesondere durch Übergänge zwischen den Geweben die Magnetfelder beeinflussen. Insbesondere sind diese Einflüsse bei jedem Patienten 100 wieder verändert und selbst bei dem gleichen Patienten ändern sich durch die Lage die Verhältnisse bei jeder Bilderfassung.
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Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, den Anregungspuls zeitlich und räumlich den durch die verschiedenen Ursachen bedingten Magnetfeldänderungen anzupassen, anstatt durch aufwändige konstruktive Maßnahmen die Magnetfeldänderungen zu minimieren.
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In 2 ist dazu schematisch beispielhaft ein Sender 60 einer Hochfrequenzeinheit 22 und als Antenne bzw. Sendeantenne eine Körperspule 14 eines erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen 1 dargestellt, mit der der korrigierte Anregungspuls ausgestrahlt werden kann, um die gewünschte Anregung zu erzielen. Der Sender wird hier beispielsweise von der Steuerung 23 über einen Signalbus 25 mit Daten des auszusendenden Anregungspulses versorgt und die zeitliche Koordination mit den Gradienten bzw. der Sequenz gesteuert.
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Die Körperspule 14 weist dabei eine Mehrzahl von Sendeelementen 15 auf, die von einer Mehrzahl an Sendekanälen gespeist werden. In der 2 sind hier der Übersicht halber nur zwei unabhängige Sendekanäle dargestellt, die mit zwei der Sendelementen unmittelbar in Signalverbindung stehen. Die weiteren Sendelementen werden von diesen durch kapazitive bzw. induktive Kopplung mitgespeist. Üblicherweise lassen sich mit einer derartigen Ansteuerung der Sendeantenne unterschiedliche elliptische Polarisationen mit entsprechender räumlicher Amplitudenverteilung erzeugen. Mit einer zunehmenden Anzahl an unabhängig von unterschiedlichen Sendekanälen gespeisten Sendelementen 15 steigt die Anzahl der Freiheitsgrade, um die räumliche Komponente der Feldverteilung feiner einzustellen.
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Anstelle der Körperspule 14 ist beispielsweise auch eine Lokalspule 50 mit einem Array aus Antennenspulen denkbar. Im Gegensatz zu der Körperspule 14 sind dabei die Wirkungsbereiche der einzelnen Antennenspulen deutlich weniger gekoppelt bzw. bei weiter voneinander entfernten Antennenspulen ganz disjunkt, sodass die räumliche Verteilung vor allem durch die Position der Antennenspule gegeben ist und weniger durch Interferenz mit den Signalen der anderen Antennenspulen, was das Ermitteln der Signale des Anregungspulses für die einzelnen Sendekanäle wesentlich vereinfacht.
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Grundsätzlich ist es aber gemäß der Erfindung auch denkbar, lediglich einen Sendekanal zu nutzen und nur den Anregungspuls in zeitlicher Hinsicht gemäß z.B. eines exponentiell abklingenden Wirbelstromes zu optimieren. Die räumliche Komponente könnte hier teilweise durch eine breitere spektrale Verteilung ausgeglichen werden.
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Die von der Lokalspule 50 als Empfangsantenne aufgenommenen Magnetresonanzsignale werden anschließend von einem Empfänger der Hochfrequenzeinheit 22 aufbereitet und daraus von der Steuerung 23 oder einem separaten Rechner eine Abbildung des Patienten 100 rekonstruiert, die beispielsweise auf einem Bildschirm ausgegeben wird. Es ist aber auch denkbar, dass als Empfangsantenne die Antenne bzw. Sendeantenne dient.
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In 3 ist ein schematischer Ablaufplan einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt.
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In einem Schritt S10 wird eine statische BO-Feldkarte des MR-Scanners zumindest des zu erfassenden Untersuchungsvolumens ermittelt. Die BO-Feldkarte kann beispielsweise in einem Speicher 24 der Steuerung 23 für den Magnetresonanztomographen 1 abgelegt sein und von dort durch die Steuerung 23 abgerufen werden. Denkbar ist aber auch ein Abrufen von einem externen Speicher oder über ein Netzwerk.
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Die BO-Feldkarte kann beispielsweise bereits durch Simulation bei der Konstruktion oder durch Messung mit einer Feldkamera im Herstellungsprozess bereitgestellt werden.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Steuerung 23 vor der Messung mittels einer vorzugsweise schnellen Sequenz eine B0-Feldkarte misst, die die durch den Patienten hervorgerufenen BO-Veränderungen zumindest im Untersuchungsvolumen ermittelt. Möglich wäre es auch, die BO-Feldkarte durch Simulation, gegebenenfalls auch mit vereinfachten Annahmen, durch die Steuerung 23 selbst bereitzustellen.
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In einem weiteren Schritt S20 kann die Steuerung 23 zusätzlich den Gradientenpuls bestimmen, d.h. den zeitlichen Verlauf des bzw. der Ströme durch die Gradientenspulen, um in der auszuführenden Phase der Magnetresonanzsequenz die zur Bilderfassung erforderlichen Magnetfeldgradienten zu erzeugen. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem aus einer Tabelle im Speicher 24 der Steuerung 23 die erforderlichen Daten in Abhängigkeit von der Sequenz und dem Zeitpunkt in der Sequenz abgerufen werden.
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In einem weiteren Schritt S40 bestimmt die Steuerung 23 die zu erzielende Anregung, d.h. den gemäß der Sequenz erforderlichen Flipwinkel für die anzuregenden Kernspins. Dieser kann unterschiedlich sein, je nachdem, ob beispielsweise eine Sättigung erzielt werden soll (Flipwinkel ca. 90 Grad) oder ein Spinecho (Flipwinkel ca. 90 Grad oder ca. 180 Grad). Dies kann beispielsweise erfolgen, indem wie bei dem Gradientenpuls aus einer Tabelle im Speicher 24 der Steuerung 23 die erforderlichen Daten in Abhängigkeit von der Sequenz und dem Zeitpunkt in der Sequenz abgerufen werden.
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Wenn die zu erzielende Anregung der Steuerung bekannt ist, kann diese gemäß dem Verfahren in einem nachfolgenden Schritt S50 einen Anregungspulse ermitteln, der die zu erzielende Anregung der Kernspins in dem Patienten beim Aussenden durch den Sender über die Sendeantenne erzeugt.
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Eine Möglichkeit wäre beispielsweise die Ausführung eines Optimierungsverfahrens. Aus der BO-Feldkarte kann für jeden Ort im Untersuchungsvolumen der statische Grundwert für das Magnetfeld B0 entnommen werden.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens können weiterhin auch durch den Patienten verursachte Magnetfeldstörungen berücksichtigt werden, wenn in einem Schritt Informationen über den Patienten durch Sensoren, eine Kamera oder auch durch eine Magnetresonanzmessung erfasst werden. Der Patient kann beispielsweise Wechselfelder durch Absorption dämpfen, Wirbelströme können in leitfähigem Gewebe induziert werden und Organgrenzen können Permeabilitätsschwankungen hervorrufen.
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Aus dem bekannten Gradientenpuls und der Geometrie der Gradientenspulen kann das Gradientenfeld für jeden Ort im Untersuchungsvolumen mit seinem zeitlichen Verlauf mittels des Biot-Savart-Gesetzes bestimmt werden. Mit der Kenntnis über die konstruktiven Details, insbesondere der Anordnung von Metallflächen, lassen sich aus den Gradientenfeldern auch davon erzeugte Wirbelströme simulieren und so für jeden Ort auch ein dynamischer Anteil des Magnetfeldes BO bestimmen.
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Die lokale Feldstärke des magnetischen Wechselfeldes B1 kann bei einem bekannten Anregungspuls und bekannter Sendeantennengeometrie ebenfalls mittels der Maxwell-Gleichungen bestimmt werden.
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Ausgehende von einem als Startwert angenommenem Anregungspuls kann mittels Bloch-Gleichungen und dem statischen und dynamischen BO-Feld für jeden Ort des Untersuchungsvolumens der erzielte Flipwinkel errechnet werden. Je nach Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden dabei statische Abweichungen durch den Patienten und/oder dynamische Effekte durch Wirbelströme berücksichtigt. Die Abweichung zu der zu erzielenden Anregung wird dann in einem iterativen Optimierungsverfahren (z.B. LSR) reduziert, bis sie unter einem vorbestimmten Grenzwert liegt.
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Vorzugsweise wird bei Berücksichtigung dynamischer Effekte die Optimierung für verschiedene Zeitpunkte relativ zu dem Verlauf des Gradientenpulses wiederholt, um insbesondere auch exponentiell abklingenden Wirbelströme zu berücksichtigen.
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Auf diese Weise wird über unterschiedliche Zeitpunkte eine jeweils temporärer Anregungspuls mit Amplitude, Phase und Spektraler Verteilung für den oder die Sendekanäle ermittelt. Durch Interpolation kann daraus ein zeitlich sich verändernder Anregungspuls mit den Komponenten für die einzelnen Sendekanäle ermittelt werden.
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In einem Schritt S60 wird schließlich der Anregungspuls und der Gradientenpuls in der durch die Sequenz vorgegebenen und bei der Optimierung angenommenen zeitlichen Relation ausgegeben.
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Anschließend werden Magnetresonanzsignale aus dem Körper von einem Empfänger der Hochfrequenzeinheit 22 über die Lokalspule 50 aufgenommen und für eine Bildrekonstruktion durch die Steuerung 23 oder eine dedizierte Bildrekonstruktionseinheit aufbereitet.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
