DE19636469A1

DE19636469A1 - Bild-Synthese-Verfahren zur Erzeugung eines Kombinationsbildes aus Ausgangsbildern

Info

Publication number: DE19636469A1
Application number: DE19636469A
Authority: DE
Inventors: Kai-Michael Luedeke
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1996-04-24
Filing date: 1996-09-07
Publication date: 1997-10-30
Also published as: DE59709661D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Bild-Synthese-Verfahren zur Erzeugung eines Kombinationsbildes aus einem oder mehreren Ausgangsbildern, die von je einem Sensor mit über dem abzubildenden Bereich variierender Empfindlichkeit aufgenommen werden, wobei die Bildwerte des Kombinationsbildes aus der in Abhängigkeit von der Empfindlichkeit gewichteten Bildwerten des Ausgangsbildes bzw. der Ausgangsbilder abgeleitet werden.

Ein derartiges Bild-Synthese-Verfahren ist insbesondere bei MR-Untersuchungen zur Ermittlung der Kernmagnetisierungsverteilung in einem Untersuchungsbereich anwendbar, wobei die im Untersuchungsbereich erzeugten MR-Signale von mehreren um den Untersuchungsbereich verteilten Oberflächenspulen aufgenommen werden, deren Daten zunächst getrennt verarbeitet und in Ausgangsbilder umgerechnet werden. Gegenüber einer MR-Untersuchung mit nur einer Empfangsantenne, die eine konstante Empfindlichkeit über den gesamten Abbildungsbereich hat, ergibt sich hierbei der Vorteil eines verbesserten Signal- Rausch-Verhältnisses. Allerdings haben solche Oberflächenspulen eine stark ortsabhängige Empfindlichkeit, so daß die für die einzelnen Spulen ermittelten Ausgangsbilder nicht ohne weiteres addiert werden können, um ein den gesamten Untersuchungsbereich optimal darstellendes Kombinationsbild zu erhalten.

Aus einem Aufsatz von Roemer et al in Magn. Reson. Med. 16, 192-225 (1990) ist bereits ein Bild-Synthese-Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei dem ein Kombinationsbild aus mehreren Ausgangsbildern erzeugt wird nach der Beziehung

Dabei ist

- P_jk ein komplexer Bildwert des Kombinationsbildes für einen Bildpunkt, der in der Zeile j und der Spalte k des Kombinationsbildes liegt,
- p die transponierte Form eines Spaltenvektors p_jk, der sich aus den komplexen Bildwerten der einzelnen Ausgangsbilder für den Bildpunkt jk zusammensetzt,
- R^-1 die Inverse der sogenannten Rauschkorrelationsmatrix (bei Roemer als "noise resistance matrix" bezeichnet) und
- b die konjugiert komplexe Form eines Spaltenvektors b_jk, der sich aus den Werten der Empfindlichkeiten der einzelnen Sensoren für den Bildpunkt jk zusammensetzt.

Allerdings macht sich bei den so berechneten Bildwerten P_jk des Kombinationsbildes noch immer der Einfluß der ortsabhängigen Empfindlichkeit bemerkbar, was dazu führt, daß die Punkte jk im Kombinationsbild, die am weitesten von den einzelnen Sensoren bzw. Spulen entfernt sind, die geringste Helligkeit haben. Der Einfluß der Ortsabhängigkeit der Sensorempfindlichkeiten kann nach Roemer eliminiert werden durch

Dabei ist b die transponierte Form des Empfindlichkeitsvektors b_jk.

Bei der Anwendung dieser Berechnungsvorschrift ergibt sich in der Praxis das Problem, daß b_jk bzw. die Empfindlichkeit der einzelnen Sensoren an den verschiedenen Bildpunkten des Untersuchungsbereichs nicht bekannt ist.

Aus der EP-OS 695 947 ist ein MR-Verfahren bekannt, bei dem die Empfindlichkeit der einzelnen Oberflächenspulen mit Hilfe einer zusätzlichen Spule bestimmt wird, die für den gesamten Untersuchungsbereich eine näherungsweise konstante Empfindlichkeit aufweist. Dabei werden in zeitlich getrennten Verfahrensschritten für diese Spule einerseits und für die Oberflächenspulen andererseits MR-Bilder erzeugt, und aus dem Verhältnis eines Bildwertes der zusätzlichen MR-Spule zu einem Bildwert einer Oberflächenspule für denselben Bildpunkt wird ein Maß für die Empfindlichkeit der Oberflächenspule in dem betreffenden Bildpunkt abgeleitet. Mit den so gewonnenen komplexen Werten der Empfindlichkeit und den Bildwerten der Ausgangsbilder der einzelnen Spulen erfolgt nach in dieser Veröffentlichung angegebenen Gleichungen eine Synthese zur Erzeugung eines Kombinationsbildes aus den Ausgangsbildern. Nachteilig dabei ist, daß eine zusätzliche MR-Spule und zusätzliche Messungen benötigt werden.

Die Kenntnis des räumlichen Verlaufs der Empfindlichkeit ist auch dann wichtig, wenn es darum geht ein von einem einzigen Sensor aufgenommenes Ausgangsbild so darzustellen, daß sich die ortsabhängige Empfindlichkeit dieses Sensors nicht als ortsabhängiger Helligkeitsunterschied darstellt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Empfindlichkeit ohne einen gesonderten Sensor mit über den Untersuchungsbereich konstanter Empfindlichkeit und ohne zusätzliche Messungen zuverlässig bestimmt werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der räumliche Verlauf des Betrages der Empfindlichkeit jedes Sensors aus dem davon aufgenommenen Ausgangsbild abgeleitet wird. Bei der Erfindung werden also die Empfindlichkeitswerte durch eine Schätzung oder Näherung aus den Ausgangsbildern abgeleitet.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den räumlichen Verlauf des Betrages der Empfindlichkeit durch eine Schätzung aus den Ausgangsbildern zu ermitteln.

Eine Möglichkeit besteht nach einer Ausgestaltung darin, daß der räumliche Verlauf des Betrages der Empfindlichkeit jedes Sensors mittels einer rationalen Approximationsfunktion bestimmt wird, deren Koeffizienten derart aus dem Ausgangsbild dieses Sensors abgeleitet werden, daß sie den räumlichen Verlauf der Bildwerte des Ausgangsbildes möglichst gut annähern.

Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht demgegenüber vor, daß an das Ausgangsbild eine glatte Hüllfläche mit lokal niedriger Krümmung konstruiert wird, die auf lokal größten Bildwerten ruht und alle lokal niedrigeren Bildwerte einschließt, wobei aus den Werten auf der Hüllfläche der räumliche Verlauf des Betrages der Empfindlichkeit des zu dem jeweiligen Ausgangsbild gehörigen Sensors abgeleitet wird. Diese Schätzung des Betrages der Empfindlichkeit beruht auf folgenden Überlegungen:

Wenn sich im Untersuchungsbereich ein homogenes Objekt befände, das so beschaffen wäre, daß sich überall ein maximales Signal ergeben würde, dann könnten aus den Sensorsignalen Ausgangsbilder abgeleitet werden, deren räumliches Bildwerteprofil unmittelbar dem Profil des Betrages der Empfindlichkeit entsprechen würde. Reale Objekte sind zwar nicht homogen, doch gibt es auch darin einige Volumenelemente, die ein maximales Signal erzeugen, was sich in einem relativen oder absoluten Maximum in dem Bildwerteprofil des damit erzeugten Ausgangsbildes niederschlägt. Diese ungleichmäßig über das Ausgangsbild verteilten Maxima können als vereinzelte Stützstellen (sparse samples) des Empfindlichkeits profils angesehen werden. Eine glatte Hüllfläche, die einerseits auf diesen Stützstellen ruht und den Verlauf der übrigen Bildwerte mit lokal möglichst niedriger Krümmung folgt - ähnlich einer auf die Stützstellen aufgelegten, glatt gezogenen Zeltplane - ergibt für den Sensor, von dem das betreffende Ausgangsbild abgeleitet ist, eine angemessen Schätzung seines Empfindlichkeitsprofils (d. h. des Betrages der ortsabhängigen Empfindlichkeit).

Wenn man die komplexen Bildwerte des Kombinationsbildes nach Gleichung (2) ermitteln will, muß man neben den komplexen Bildwerten auch die komplexen Werte der Empfindlichkeit kennen; d. h. um eine optimales Kombinationsbild zu erhalten, ist nicht nur die Kenntnis des Betrages der Empfindlichkeit erforderlich sondern auch die Kenntnis ihrer Phase. Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht daher auch die Schätzung der Phase der Empfindlichkeit anhand des Ausgangsbildes vor, indem

a) aus dem Tiefpaß-gefilterten komplexen Ausgangsbild für den zugehörigen Sensor der räumliche Verlauf der Phase der Empfindlichkeit abgeleitet wird,
b) aus Betrag und der Phase der Empfindlichkeit der einzelnen Sensoren ein komplexer Wert für die Empfindlichkeit gebildet wird.

Die Schätzung der Phase beruht auf der Überlegung, daß die Phase in dem Ausgangsbild einerseits durch die sich örtlich relativ "langsam" ändernde Phase der Empfindlichkeit bestimmt ist, andererseits aber auch durch relativ "schnelle" lokale, vom Objekt oder vom Rauschen herrührende Phasenvariationen bedingt ist. Durch eine geeignete Tiefpaßfilterung können die schnellen lokalen Phasenvariationen eliminiert werden, so daß in dem tiefpaßgefilterten komplexen Ausgangsbild nur noch der räumliche Verlauf der Phase der Empfindlichkeit verbleibt. Auf diese Weise kann für jeden Bildpunkt im Untersuchungsbereich und für jede Spule Betrag und Phase der Empfindlichkeit zuverlässig angegeben werden.

Obwohl es noch weitere Anwendungsmöglichkeiten gibt, ist das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise bei einem MR-Verfahren anwendbar, wobei

a) in Anwesenheit eines homogenen stationären Magnetfeldes mindestens eine Sequenz mit wenigstens einem magnetischen Hochfrequenzimpuls auf einen Untersuchungsbereich einwirkt,
b) eine Anzahl von MR-Signalen mit als Sensoren dienenden Spulen empfangen wird,
c) für jede Spule aus den von ihr empfangenen MR-Signalen ein die Kernmagnetisierungs-Verteilung darstellendes Ausgangsbild abgeleitet wird,
d) aus dem Ausgangsbild der Spule komplexe Werte abgeleitet werden, die die ortsabhängige Empfindlichkeit der Spule kennzeichnen und
e) aus den Bildwerten der Ausgangsbilder und den komplexen Werten der Spulenempfindlichkeit Kombinationsbilder abgeleitet werden.

Nachdem die komplexen Werte der Empfindlichkeit erfindungsgemäß ermittelt worden sind, kann damit und mit den Bildwerten der Ausgangsbilder ein Kombinationsbild erzeugt werden, wie in den beiden eingangs erwähnten Dokumenten im einzelnen erläutert. Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht demgegenüber vor, daß die Bildwerte P_jk des Kombinationsbildes nach der Beziehung

berechnet werden, wobei
p_jk ein Spaltenvektor ist, der aus den komplexen Bildwerten der Ausgangsbilder für den gleichen Bildpunkt (jk) gebildet ist,
R^-1 die inverse Rauschkorrelationsmatrix darstellt,
b_jk ein Spaltenvektor ist, der aus den komplexen Werten der Empfindlichkeit der einzelnen Sensoren an dem gleichen Bildpunkt (jk) gebildet ist und
σ eine Konstante ist.

Wenn der Wert für σ dabei geeignet gewählt ist, ist der zweite Term im Nenner der Gleichung vernachlässigbar, solange wenigstens ein Sensor in dem Bildpunkt jk eine hinreichende Empfindlichkeit hat. Wenn sämtliche Sensoren in dem betreffenden Bildpunkt eine unzureichende Empfindlichkeit haben, verhindert der zweite Term im Nenner der angegebenen Gleichung für P_jk, daß das Rauschen in dem betreffenden Bildpunkt verstärkt wird.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Hüllflächen durch ein aus mindestens zwei aufeinander folgenden Iterationsschritten bestehendes Iterationsverfahren konstruiert werden, indem für jeden Hüllflächenpunkt ein neuer Wert durch ein gewichtetes Mittel aus diesem Punkt und den auf der Hüllfläche liegenden Nachbarpunkten berechnet wird, daß dieser neue Wert aber in die Hüllfläche nur übernommen wird, wenn er größer ist, als der bisherige Wert, daß anderenfalls die Nachbarpunkte maximal um den Betrag der Differenz von bisherigem Wert und dem neuen Wert erhöht werden, jedoch nicht höher als der Hüllflächenpunkt. Zu Beginn der Iteration kann man die Hüllflächenpunkte mit den Beträgen der Bildwerte der zugehörigen Ausgangsbilder vorgeben. Durch dieses nichtlineare Filterverfahren lassen sich die Empfindlichkeitsprofile der einzelnen Sensoren relativ einfach bestimmen.

Der dafür erforderliche Rechenaufwand läßt sich nach einer Weiterbildung der Erfindung dadurch verringern, daß vor der Konstruktion der Hüllflächen die Zahl der Bildpunkte der Ausgangsbilder dezimiert wird, indem ein räumlich zusammenhängender Kernel von Bildpunkten durch einen Bildpunkt mit einem Wert entsprechend dem größten Bildwert innerhalb des Kernels ersetzt wird. Statt für ein Ausgangsbild mit 256 × 256 Bildpunkten muß dann die Hüllfläche nur für ein Ausgangsbild von z. B. 32 × 32 Tiefpaßbildpunkten bestimmt werden, wobei jeder Tiefpaßbildpunkt 8 × 8 Bildpunkte des Ausgangsbildes ersetzt.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß zur Darstellung des Kombinationsbildes der Realteil der Bildwerte herangezogen wird. Wenn man zur Darstellung eines Kombinationsbildes den Realteil seiner Bildwerte heranzieht (anstatt deren Betrag), dann wird das Rauschniveau im Bildhintergrund und in den Bildbereichen mit niedrigem Signal-Rausch-Verhältnis reduziert.

Eine Anordnung Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit

a) einem Magneten zur Erzeugung eines homogenen, stationären Magnetfeldes in einem Untersuchungsbereich,
b) einer Gradientenspulenanordnung zur räumlichen Kodierung der Kernmagnetisierung im Untersuchungsbereich durch magnetische Gradientenfelder,
c) einer Hochfrequenzspulenanordnung zur Erzeugung von Hochfrequenzimpulsen im Untersuchungsbereich,
d) eine mehrere Empfangsspulen umfassende Empfangsspulen-Anordnung zum Empfang von MR-Signalen aus dem Untersuchungsbereich,
e) programmierbaren Verarbeitungsmitteln zur Erzeugung von MR-Ausgangsbildern aus den von der Empfangsspulen-Anordnung empfangenen MR-Signalen sowie zum Ableiten eines MR-Kombinationsbildes aus den MR-Ausgangsbildern unter Berücksichtigung der komplexen, ortsabhängigen Empfindlichkeit der einzelnen Empfangsspulen

ist dadurch gekennzeichnet, daß an jedes Ausgangsbild eine glatte Hüllfläche mit lokal niedriger Krümmung konstruiert wird, die auf lokal größten Bildwerten ruht und alle lokal niedrigeren Bildwerte einschließt, wobei aus den Werten auf der Hüllfläche der räumliche Verlauf des Betrages der Empfindlichkeit des zu dem jeweiligen Ausgangsbild gehörigen Sensors abgeleitet wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines MR-Untersuchungsgerätes, mit dem die Erfindung ausführbar ist,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der dabei benutzten Spulenanordnung,

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung der für die Erzeugung eines Kombinationsbildes erforderlichen Bearbeitungsschritte,

Fig. 4 ein Bildwerteprofil von einer Spule mit örtlich konstanter Empfindlichkeit und

Fig. 5 ein Bildwerteprofil einer Spule mit ortsabhängiger Empfindlichkeit.

In dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Schaltbild ist mit 1 ein vorzugsweise supraleitender Magnet bezeichnet, der in einem Untersuchungsbereich, in dem sich ein Patient befinden kann, ein stationäres homogenes Magnetfeld erzeugt. Der dafür erforderliche Strom wird von einer Einheit 2 geliefert. Mit 3 ist eine Gradientenspulenanordnung bezeichnet, mit der ein magnetisches Gradientenfeld erzeugt werden kann, das in Richtung des stationären Magnetfeldes verläuft und dessen Gradient entweder in der gleichen Richtung oder in zwei dazu und zueinander senkrechten Richtungen verläuft. Die Ströme hierfür werden von einer Treiberschaltung 4 geliefert, wobei der zeitliche Verlauf der Ströme von einer Steuereinheit 5 gesteuert wird, die mittels eines geeignet programmierten Prozessors realisiert werden kann.

Außerdem ist in Hochfrequenzgenerator 6 vorgesehen, der impulsweise Schwingungen mit der Larmorfrequenz des Spinsystems in dem Untersuchungsbereich erzeugen kann. Eine Sende/Empfangsumschalteinheit 7 verbindet eine Ganzkörperspule 9 wahlweise mit einer Empfänger- und Verarbeitungseinheit 8 oder mit dem Hochfrequenzgenerator 6. Die üblicherweise zylinderförmige Ganzkörperspule umschließt bei einer MR-Untersuchung den Körper des Patienten auf einer bestimmten Länge und erzeugt in diesem ein im wesentlichen homogenes Hochfrequenzmagnetfeld. Darüberhinaus ist eine aus mehreren Oberflächenspulen bestehende Oberflächenspulen-Anordnung 10 vorgesehen.

Fig. 2 zeigt die räumliche Lage der Ganzkörperspule 9, bei der es sich z. B. um eine Spule vom Bird-Cage-Typ handeln kann, sowie die aus mehreren (im Beispiel 4) einzelnen Oberflächenspulen 101 . . . 104 bestehende Oberflächenspulen-Anordnung. Die vier Oberflächenspulen 101 bis 104 können auf einem nicht näher dargestellten flexiblen Träger angeordnet sein, der um einen zu untersuchenden Patienten 12 herumgewickelt wird. Die Spulen sind dabei so auf dem Träger angeordnet, daß sie sich in einem definierten Bereich überlappen, so daß sich eine gute Entkopplung zwischen benachbarten Oberflächenspulen ergibt. Die Oberflächenspulen 101 . . . 104 haben eine örtlich inhomogene Empfindlichkeit, d. h. ein im Zentrum des Untersuchungsobjekts 12 entstehendes MR-Signal ruft in den Spulen einen anderen Strom hervor als ein an der Oberfläche des Untersuchungsobjekts entstehendes MR-Signal gleicher Größe.

Die Einheit 8 enthält für jede Spule der Oberflächenspulen-Anordnung 10 (sowie für die Ganzkörperspule 9) je einen Kanal, in dem das von der jeweiligen Spule empfangene MR-Signal verstärkt, phasenempfindlich demoduliert und digitalisiert wird. Wegen der phasenempfindlichen Demodulation besteht das digitalisierte Signal für jede Spule aus einer Folge von komplexen (durch Betrag und Phase gekennzeichneten) Abtastwerten, aus denen für jede Spule getrennt ein MR-Ausgangsbild rekonstruiert werden kann, das sich aus komplexen Bildwerten zusammensetzt, die von der Kernmagnetisierungsverteilung und der Empfindlichkeit der Spule in den einzelnen Bildpunkten abhängen. Aus den von den einzelnen Oberflächenspulen erzeugten Ausgangsbildern wird in der Empfänger- und Verarbeitungseinheit 8 ein MR-Kombinationsbild erzeugt und auf einem Monitor 11 wiedergegeben. Wie dies im einzelnen geschieht, soll anhand des in Fig. 3 dargestellten Ablaufdiagramms erläutert werden.

Nach der Initialisierung (200) wird in einem ersten Schritt 201 die Rauschkorrelationsmatrix bzw. die inverse Rauschkorrelationsmatrix R^-1 ermittelt. Zu diesem Zweck werden die im Untersuchungsbereich erzeugten Signale gemessen, ohne daß mit der Hochfrequenzspule 9 (Fig. 1) Hochfrequenzimpulse erzeugt werden und ohne daß mit der Gradientenspulenanordnung 3 magnetische Gradientenfelder erzeugt werden. Aus diesen Rauschmessungen lassen sich durch Korrelation der verschiedenen Signale die Koeffizienten der Rauschkorrelations matrix ableiten, die quadratisch ist und soviel Spalten und Zeilen enthält, wie die Oberflächenspulenanordnung Spulen hat.

Der Schritt 201 kann entfallen, wenn eine Rauschkorrelationsmatrix mit dem zu untersuchenden Objekt bereits gemessen worden ist. Er kann auch grundsätzlich entfallen, wenn man in Kauf nimmt, daß das aus den MR-Ausgangsbildern abgeleitete Kombinationsbild ohne Berücksichtigung der Rauschkorrelationsmatrix ein leicht erhöhtes Rauschen zeigt.

Im nächsten Verfahrensschritt 202 wird die Kernmagnetisierung in dem Untersuchungsbereich durch Sequenzen mit wenigstens einem Hochfrequenzimpuls angeregt und durch magnetische Gradientenfelder räumlich kodiert. Die dabei von den einzelnen Spulen 101 . . . 104 empfangenen MR-Signale werden zu komplexen Ausgangsbildern verarbeitet. Aus den so gewonnenen Ausgangsbildern läßt sich für jeden Bildpunkt, der durch die Zeile j und die Spalte k definiert ist, in der er sich befindet, ein Vektor p_jk definieren (Schritt 203) gemäß der Beziehung

p_jk = (P_1,jk, P_2,jk, . . . P_n,jk)^t (4).

Dabei sind P_1,jk . . . P_n,jk die komplexen Bildwerte der n-Ausgangsbilder für den betreffenden Bildpunkt.

In den darauffolgenden Verfahrensschritten wird die Empfindlichkeit der einzelnen Spulen in den einzelnen Bildpunkten nach Betrag und Phase geschätzt. Für die Schätzung des Betrages der Empfindlichkeit gibt es verschiedene Möglichkeiten:

a) Anpassung geeigneter analytischer 2D-Modellfunktionen für den Empfindlichkeitsverlauf an die Bildwerte mit "Least-Squares-Verfahren",
b) Konstruktion glatter Hüllflächen mit lokal niedriger Krümmung an die Ausgangsbilder, so daß die Hüllflächen auf lokal größten Bildwerten ruhen und alle lokal niedrigeren Bildwerte einschließen.

Bei der Verfahrensweise a), können die folgenden drei Approximationsfunktionen Anwendung finden:

a.1) Der räumliche Verlauf der Bildwerte P_i,jk (i steht dabei für eine der n Oberflächenspulen der Oberflächenspulenanordnung 10) wird dabei mittels einer Funktion F_i,jk aproximiert (Schritt 204; der Schritt 205 entfällt bei den Varianten nach a), die durch inverse Polynome gebildet wird nach der Beziehung Dabei sind a₁, a₂ . . . a₁₅ die Polynomialkoeffizienten eines zweidimensionalen Polynoms vierter Ordnung von j und k. Diese Polynomialkoeffizienten werden nach dem "Least-Squares-Verfahren" so bestimmt, daß F_i,jk die Bildwerte P_i,jk möglichst gut gemäß Gleichung 5 annähern. Dann wird aus der Funktion F_i,jk die Empfindlichkeit (Schritt 206) nach der Beziehung berechnet Dies basiert auf folgender Überlegung:
Der Betrag der Spulenempfindlichkeit nimmt bekanntlich asymptotisch mit dem Inversen der dritten Potenz des Abstandes ab. Dieses Verhalten wird von den Gleichungen 5 in Verbindung mit 6 erfüllt. Für große Werte von j bzw. k ändert sich der Betrag der Spulenempfindlichkeit mit 1/j³ bzw. 1/k³. Weiterhin ergeben sich bei der Anregung einer Schicht in einer zu den Oberflächenspulen senkrechten Ebene zwei Empfindlichkeitsmaxima in den Teilen des Untersuchungsbereichs, die den Leitern der Spule am nächsten liegen. Dies schlägt sich in den Bildwerten des Ausgangsbildes nieder, die an diesen Stellen ein doppeltes Maximum haben - jedenfalls wenn die Kernspindichte in der Nähe der Spule genügend groß ist und einigermaßen homogen ist. Um eine Funktion mit zwei Maxima als Polynom darstellen zu können, ist mindestens ein Polynom vierter Ordnung erforderlich.
a.2) Die zuvor erläuterte Approximation des Betrages der Spulenempfindlichkeit durch die Funktion F_i,jk basiert auf der Überlegung, daß bei einer zur Ebene der Oberflächenspulen senkrechten Schicht der Betrag der Empfindlichkeit durch ein zweidimensionales Polynom vierter Ordnung angenähert werden kann. Wenn die angeregte Schicht nicht senkrecht zu den Oberflächenspulen verläuft, sondern sagittal bzw. koronal, so daß wenigstens ein Teil der Leiter der Oberflächenspulen parallel zur Schicht verlaufen, ergibt sich ein komplizierterer Verlauf der Spulenempfindlichkeit, der durch eine Funktion angenähert werden kann (Schritt 204) mit einem Polynom zweiter Ordnung im Zähler und einem Polynom sechster Ordnung im Nenner: Daraus kann der Betrag der Spulenempfindlichkeit |B_i,jk| wiederum gemäß Gleichung 6 abgeleitet (Schritt 206) werden.
a.3) Es hat sich gezeigt daß man den Verlauf der Spulenempfindlichkeit auch durch eine Funktion F_i,jk nach der Beziehung annähern kann (Schritt 204). Daraus errechnet sich die Spulenempfindlichkeit (Schritt 206) nach der Beziehung|B_i,jk| := exp(F_i,jk) (9)Damit läßt sich eine befriedigende Bildsynthese erreichen unabhängig von der Orientierung der Schichten in bezug auf die Oberflächenspulen.
b) Die besten Resultate zeigt das nachfolgend erläuterte Hüllflächen- Konstruktionsverfahren, das davon ausgeht, daß die lokalen (relativen oder absoluten) Maxima in den Bildwerteprofilen Stützstellen der Empfindlichkeitsprofile entsprechen:
Dies wird im folgenden anhand der Fig. 4 und 5 erläutert, wobei Fig. 4 ein Bildwerteprofil längs einer z. B. in Zeilenrichtung verlaufenden Geraden für das Ausgangsbild einer Spule mit ortsunabhängiger Empfindlichkeit darstellt, während Fig. 5 das Bildwerteprofil eines Ausgangsbildes für eine Spule mit ortsabhängiger Empfindlichkeit zeigt. Das in Fig. 4 dargestellte Bildwerteprofil P₁ zeigt mehrere etwa gleichmäßig hohe Maxima im Verlauf der Bildwerte, die von Volumenelementen im Untersuchungsbereich herrühren, in denen das MR-Signal maximal ist. Deshalb ist die Gerade C, die diese Maxima miteinander verbindet, ein Maß für die Empfindlichkeit der Spule. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Bildwerteprofil P₂ hängt die Höhe der Maxima relativ stark von deren Lage ab. Wenn die Hüllfläche H von diesen Maxima als Stützstellen ausgeht und diese Stützstellen glatt und mit möglichst geringer Krümmung verbindet, dann gibt die Hüllfläche H den räumlichen Verlauf des Empfindlichkeitsprofils der Spule wieder, aus deren MR-Signalen das Ausgangsbild mit dem Bildwerteprofil P₂ rekonstruiert wurde.
Für die Rechengeschwindigkeit ist es vorteilhaft, vor der Hüllflächen- Konstruktion in einem Schritt 204 die Zahl der Bildpunkte von z. B. 256×256 auf einen geringeren Wert, z. B. 32×32 zu dezimieren, indem eine nichtlineare Tiefpaßfilterung durchgeführt wird, wobei von den Bildwerten, die einem Kernel aus 8 × 8 Bildpunkten zugeordnet sind, der jeweils größte Bildwert selektiert wird und einem Tiefpaßbildpunkt zugeordnet wird, dessen Lage und Größe durch die Bildpunkte des Kernels definiert ist. Auf diese Weise bleiben bei dieser nichtlinearen Filterung die lokalen Maxima der Ausgangsbilder erhalten.
Die Hüllflächen werden dann im Schritt 205 für jedes einzelne der zuvor dezimierten Ausgangsbilder iterativ rekonstruiert, wobei lokal niedrige Bildwerte schnell in Richtung der gewünschten Hüllfläche geringer Krümmung gewachsen, während die lokalen Maxima ihren ursprünglichen Bildwert beibehalten.
Bei diesem nichtlinearen Filterverfahren wird für jeden Punkt H_i,jk auf der Hüllfläche ein neuer Wert y berechnet, nach der Beziehung Dabei ist _{i, jk} der Bildwert in dem dezimierten Bild, der für den Bildpunkt jk in dem Ausgangsbild der Spule i ermittelt wurde, w ist ein dazu proportionaler oder aber ein konstanter Gewichtungsfaktor, der die Bindung an das Bildwerteprofil P₂ (Fig. 5) steuert, H_i,mn sind die Hüllflächenwerte für die acht Bildpunkte, die den durch jk definierten Bildpunkt umgeben und β ist ein Relaxationsfaktor, der zwischen 1 und 1,5 liegen kann. Für den Start des Iterationsverfahrens werden die Hüllflächenwerte zu Beginn den Bildwerten gleichgesetzt.
Wenn der neu berechnete Wert y größer ist als der bisherige Hüllflächenwert H_i,jk, wird er als neuer Hüllflächenwert H_i,jk übernommen; andernfalls werden die Hüllflächenwerte H_i,mn der benachbarten Bildpunkte maximal um den Betrag der Differenz von dem bisherigen Wert und dem neu berechneten Wert erhöht, jedoch maximal auf den Wert _{i, jk} d. h.:
Wenn y < H_i,jk dann wird H_i,jk = y gesetzt. Andernfalls wird versucht, die Hüllflächenwerte H_i,mn für die Nachbarbildpunkte um die Differenz D = H_i,jk - y zu erhöhen: Wenn H_i,mn + D kleiner ist als _{i, jk} dann wird H_i,mn ersetzt durch H_i,mn + D; andernfalls wird der Hüllflächenwert H_i,mn für den Nachbarbildpunkt ersetzt durch den Bildwert _{i, jk} für den Bildpunkt jk im Zentrum.
Auf diese Weise werden bei jeder Iteration die Bildwerte aller Bildpunkte bearbeitet, wobei die Bildwerte in den Maxima ihre Größe beibehalten, während sie dazwischen zunehmen. Die Iteration kann beendet werden, wenn das relative Hüllflächenwachstum einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Nachdem auf diese Weise die Hüllfläche für eine definierte Anzahl von Bildpunkten errechnet worden ist, wird eine glättende Interpolation durchgeführt, wonach die Hüllfläche für genauso viel Bildpunkte berechnet ist wie in dem Ausgangsbild enthalten waren. In der so gewonnenen Hüllfläche entspricht der Hüllflächenwert H_i,jk in guter Näherung dem Betrag |B_i,jk| der Empfindlichkeit der Spule, aus deren Bildwerteprofil die Hüllfläche abgeleitet wurde, in dem Bildpunkt jk.

Die nach den Verfahrensweisen a.1, a.2, a.3 oder b im Schritt 206 ermittelten Beträge |B_i,jk| der Empfindlichkeit werden gespeichert.

Danach muß noch die Phase der Empfindlichkeit ermittelt werden. Zu diesem Zweck werden alle Ausgangsbilder einer Tiefpaßfilterung unterzogen (Schritt 207). Dabei wird der Kernel bzw. der Bereich, über den bei der Tiefpaßfilterung gemittelt wird, so groß gewählt, daß Rauschen und vom Objekt verursachte Phasenänderungen unterdrückt werden, andererseits aber klein genug, um der durch die Spulenempfindlichkeit bedingten Phase folgen zu können. Ein in der Praxis bewährter Richtwert sind etwa 10% der linearen Bildgröße. In dem darauffolgenden Schritt 208 wird für jeden einzelnen Bildpunkt ein Phasenfaktor e^j ^ϕ nach der Beziehung ermittelt

indem jeder komplexe Bildwert dieses Tiefpaßbildes durch seinen Betrag dividiert wird.

Danach ist die Empfindlichkeit der einzelnen Spulen in jedem Bildpunkt des Untersuchungsbereichs nach Betrag und Phase bekannt, so daß daraus komplexe Werte für die Empfindlichkeit B_i,jk gebildet werden, indem man den auf der Hüllfläche entnehmbaren Betrag |B_i,jk| mit dem Phasenfaktor e^j ^ϕ multipliziert, der demselben Bildpunkt und der gleichen Spule zugeordnet ist. Damit wird im Schritt 209 für jeden Bildpunkt jk im Untersuchungsbereich ein Empfindlichkeitsvektor b_jk definiert nach der Beziehung

b_jk = (B_1,jk, B_2,jk, . . . B_n,jk)^t (12)

Dabei sind B_1,jk . . . B_n,jk die komplexen Empfindlichkeitswerte der Spulen 1 bis n für den Bildpunkt jk.

Danach können die komplexen Bildwerte P_jk des Kombinationsbildes entsprechend Gleichung (3) berechnet werden (Verfahrensschritt 210). Gegebenenfalls kann diese Berechnung dadurch vereinfacht werden, daß die Rauschkorrelationsmatrix durch die Einheitsmatrix ersetzt wird (wobei die Matrixelemente in der Hauptdiagonalen 1 sind, während alle übrigen Matrixelemente Null sind), was darauf hinausläuft, daß sich die Gleichung (3) vereinfacht zu

Nachdem auf diese Weise die komplexen Bildwerte des Kombinationsbildes ermittelt worden sind, wird anhand dieser Bildwerte das Kombinationsbild auf den Monitor dargestellt, beispielsweise indem für jeden Bildpunkt ein dem Betrag des Bildwertes entsprechender Helligkeitswert ausgegeben wird. Es ist aber auch möglich, statt des Betrages des Bildwertes seinen positiven Realteil darzustellen, wodurch sich das Rauschen im Bildhintergrund in den Bildbereichen mit geringem Signal-Rausch- Verhältnis reduziert.

In dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde ein Kombinationsbild aus den Ausgangsbildern mehrerer Detektoren abgeleitet. Die Erfindung kann aber auch dazu dienen, eine optimale Darstellung aus einem einzigen Ausgangsbild abzuleiten, das von einem Sensor - z. B. einer MR-Spule - aufgenommen wurde. Ohne Bildverbesserung würde die Helligkeit des Ausgangsbildes in gleicher Weise ortsabhängig sein wie die Empfindlichkeit des Detektors. Diese unerwünschte Helligkeitsvariation kann beseitigt werden, wenn die Empfindlichkeit des Sensors in gleicher Weise aus dem Ausgangsbild abgeleitet wird, wie zuvor erläutert. Die Bildwerte P_jk für die einzelnen Bildpunkte jk des hinsichtlich Helligkeitswiedergabe und Rauschen optimierten Kombinationsbildes könnten dann entsprechend Gleichung (13) berechnet werden, wobei die "Vektoren" p_jk und b_jk nur einen einzigen (komplexen) Zahlenwert umfassen würden. Wenn man ein erhöhtes Rauschen im Bildhintergrund in Kauf nehmen kann (σ = 0), ergibt sich das optimierte Ausgangsbild, indem man bildpunktweise die Bildwerte des Ausgangsbildes durch die Empfindlichkeit dividiert. In Sonderfällen kann es ausreichen, dabei nur den Betrag der Empfindlichkeit heranzuziehen, so daß dann auch die Ermittlung der Phase (Schritte 207 und 208) entfallen könnte.

Claims

1. Bild-Synthese-Verfahren zur Erzeugung eines Kombinationsbildes aus einem oder mehreren Ausgangsbildern, die von je einem Sensor mit über den abzubildenden Bereich variierender Empfindlichkeit aufgenommen werden, wobei die Bildwerte des Kombinationsbildes aus der in Abhängigkeit von der Empfindlichkeit gewichteten Bildwerten des Ausgangsbildes bzw. der Ausgangsbilder abgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der räumliche Verlauf des Betrages der Empfindlichkeit jedes Sensors aus dem davon aufgenommenen Ausgangsbild abgeleitet wird.

2. Bild-Synthese-Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Anwendung bei einem MR-Verfahren, wobei

a) in Anwesenheit eines homogenen stationären Magnetfeldes mindestens eine Sequenz mit wenigstens einem magnetischen Hochfrequenzimpuls auf einen Untersuchungsbereich einwirkt,
b) eine Anzahl von MR-Signalen mit mindestens einer als Sensor dienenden Spule empfangen wird,
c) für jede Spule aus den von ihr empfangenen MR-Signalen ein die Kernmagnetisierungs-Verteilung darstellendes Ausgangsbild abgeleitet wird
d) aus dem Ausgangsbild der Spule die ortsabhängige Empfindlichkeit abgeleitet wird und
e) aus den Bildwerten des Ausgangsbildes oder der Ausgangsbilder und den ermittelten Werten der Spulenempfindlichkeit ein Kombinationsbild abgeleitet wird.

3. Bild-Synthese-Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an das Ausgangsbild eine glatte Hüllfläche mit lokal niedriger Krümmung konstruiert wird, die auf lokal größten Bildwerten ruht und alle lokal niedrigeren Bildwerte einschließt wobei aus den Werten auf der Hüllfläche der räumliche Verlauf des Betrages der Empfindlichkeit des zu dem jeweiligen Ausgangsbild gehörigen Sensors abgeleitet wird.

4. Bild-Synthese-Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der räumliche Verlauf des Betrages der Empfindlichkeit (|B_i,jk|) jedes Sensors mittels einer rationalen Approximationsfunktion (F_i,jk) bestimmt wird, deren Koeffizienten (a₁, a₂, . . . a₁₅) derart aus dem Ausgangsbild (P_i,jk) dieses Sensors abgeleitet werden, daß sie den räumlichen Verlauf der Bildwerte des Ausgangsbildes möglichst gut annähern.

5. Bild-Synthese-Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

6. Bild-Synthese-Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildwerte P_jk des Kombinationsbildes nach der Beziehung berechnet werden, wobei
p_jk ein Spaltenvektor ist, der aus den komplexen Bildwerten der Ausgangsbilder für den gleichen Bildpunkt (jk) gebildet ist,
R^-1 die inverse Rauschkorrelationsmatrix darstellt,
b_jk ein Spaltenvektor ist, der aus den komplexen Werten der Empfindlichkeit der einzelnen Sensoren an dem gleichen Bildpunkt (jk) gebildet ist und σ eine Konstante ist.

7. Bild-Synthese-Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllflächen durch ein aus mindestens zwei aufeinander folgenden Iterationsschritten bestehendes Iterationsverfahren konstruiert werden, indem für jeden Hüllflächenpunkt (H_i,jk) ein neuer Wert (y) durch ein gewichtetes Mittel aus diesem Punkt und den auf der Hüllfläche liegenden Nachbarpunkten (H_i,mn) berechnet wird, daß dieser neue Wert (y) aber in die Hüllfläche nur übernommen wird, wenn er größer ist, als der bisherige Wert, daß anderenfalls die Nachbarpunkte (H_i,mn) maximal um den Betrag der Differenz von bisherigem Wert (H_i,jk) und dem neuen Wert (y) erhöht werden, jedoch nicht höher als der Bildwert (_{i, jk}) bei Beginn der Iteration.

8. Bild-Synthese-Verfahren nach Anspruch 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Konstruktion der Hüllflächen die Zahl der Bildpunkte der Ausgangsbilder dezimiert wird, indem ein räumlich zusammenhängender Kernel von Bildpunkten durch einen Bildpunkt mit einem Wert entsprechend dem größten Bildwert innerhalb des Kernels ersetzt wird.

9. Bild-Synthese-Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllflächen nach ihrer Berechnung für eine dezimierte Zahl von Bildpunkten mit einer glättenden Interpolation auf die ursprüngliche Zahl von Bildpunkten gebracht werden.

10. Bild-Synthese-Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Darstellung des Kombinationsbildes der positive Realteil der Bildwerte (P_jk) herangezogen wird.

11. Anordnung zu Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, umfassend

a) einen Magneten (1) zur Erzeugung eines homogenen, stationären Magnetfeldes in einem Untersuchungsbereich,
b) eine Gradientenspulenanordnung (3) zur räumlichen Kodierung der Kernmagnetisierung im Untersuchungsbereich durch magnetische Gradientenfelder,
c) eine Hochfrequenzspulenanordnung (9) zur Erzeugung von Hochfrequenzimpulsen im Untersuchungsbereich,
d) eine mehrere Empfangsspulen (101 . . . 104) umfassende Empfangsspulen- Anordnung (10) zum Empfang von MR-Signalen aus dem Untersuchungsbereich,
e) programmierbare Verarbeitungsmittel (8) zur Erzeugung MR-Ausgangsbildern aus den von der Empfangsspulen-Anordnung empfangenen MR-Signalen sowie zum Ableiten eines MR-Kombinationsbildes aus den MR-Ausgangsbildern unter Berücksichtigung der komplexen, ortsabhängigen Empfindlichkeit der einzelnen Empfangsspulen (101 . . . 104),

dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsmittel (8) so programmiert sind, daß an jedes Ausgangsbild eine glatte Hüllfläche mit lokal niedriger Krümmung konstruiert wird, die auf lokal größten Bildwerten ruht und alle lokal niedrigeren Bildwerte einschließt wobei aus den Werten auf der Hüllfläche der räumliche Verlauf des Betrages der Empfindlichkeit des zu dem jeweiligen Ausgangsbild gehörigen Sensors abgeleitet wird.