DE19923975C2

DE19923975C2 - Verfahren zur Bestimmung des Gradientenstromverlaufs bei MR-Tomographiegeräten und MR-Tomographiegerät

Info

Publication number: DE19923975C2
Application number: DE19923975A
Authority: DE
Inventors: Oliver Heid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-05-25
Filing date: 1999-05-25
Publication date: 2001-04-26
Anticipated expiration: 2019-05-26
Also published as: US6288547B1; DE19923975A1

Description

Bei MR-Tomographiegeräten werden teilweise Pulssequenzen an gewandt, bei denen der Gradientenstromverlauf sehr aufwendig zu berechnen ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn der K- Raum nicht auf geraden Abschnitten abgetastet wird, sondern eine allgemeine K-Raumabtaststrategie vorliegt. Ein Beispiel für eine solche Sequenzkategorie ist das in der US 4 651 096 beschriebene Spiral-Imaging-Verfahren, bei dem die K-Raumtrajektorie eine Spiralform aufweist.

Um eine maximale Performance des MR-Tomographiegeräts zu er reichen, wird angestrebt, das Gradientensystem hinsichtlich Slewrate und Gradientenamplitude optimal auszunutzen. Zur Festlegung des Gradientenstromverlaufs mit diesen Vorgaben als Randbedingungen ist die Berechnung aufwendiger Differen tialgleichungen erforderlich. Es würde die Rechenleistung derzeit üblicher Steuerungscomputer bei weitem übersteigen, diese Gleichungen in realtime während der Messung zu berech nen. Bei MR-Geräten, wie sie z. B. von der Fa. Siemens unter der Bezeichnung "Magnetom"® angeboten werden, ist es daher üblich, für eine Klasse von Pulssequenzen (beispielsweise al so für das obengenannte Spiral-Imaging-Verfahren) offline ei ne Tabelle mit Stützwerten für den Gradientenstromverlauf zu berechnen und als Referenzstromverlauf zu speichern. Bei ei ner Änderung des Meßfeldes wird dann nur die Gradientenampli tude skaliert. Da dabei sichergestellt werden muß, daß die zulässige Slewrate nicht überschritten wird, kann man hierbei jedoch keine optimale Ausnutzung des Gradientensystems errei chen. Der Referenzstromverlauf muß nämlich so festgelegt wer den, daß die Skalierung bei keinem einstellbaren Meßfeld zu einer Überschreitung der Grenzwerte der Slewrate führt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Bestim mung des Gradientenstromverlaufs bei MR-Tomographiegeräten bzw. ein MR-Tomographiegerät anzugeben, das eine verbesserte Ausnutzung des Gradientensystems gewährleistet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung nach Anspruch 6 gelöst. Durch die Ska lierung des Referenzstromverlaufs in der Amplitude und in der Zeitachse kann eine verbesserte Ausnutzung des Gradientensys tems erreicht werden, da man mit der Skalierung der Gradien tenamplitude nicht automatisch auch die Slewrate mitskaliert.

Dieses Verfahren kann man in vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung z. B. zur Skalierung aufgrund eines gewünschten Meßfeldes oder zur Anpassung an Leistungsdaten verschiedener MR-Tomographiegeräte einsetzen. Im letzteren Fall kann man die einmal berechnete Sequenz zwischen verschiedenen Anlagen mit unterschiedlichen Leistungsdaten portieren.

Vorteilhafterweise erfolgt bei einer Änderung des Meßfeldes um den Faktor 1/n eine Skalierung der Amplitude und der Zeit achse jeweils um den Faktor √n. Damit wird die Skalierung gleichmäßig auf Amplitude und Zeitachse aufgeteilt.

Bei einer Pulssequenz mit variabler Amplitude kann man vor teilhafterweise innerhalb der Pulssequenz Zeitabschnitte vor sehen, in denen eine Amplitudenbegrenzung des Gradienten stromverlaufs eingreift und nur eine Skalierung in der Zeit achse erfolgt. Damit kann die gewünschte K-Raumtrajektorie abgefahren werden, ohne die zulässige Gradientenamplitude zu überschreiten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine bekannte Pulssequenz nach dem Spiral-Imaging- Verfahren,

Fig. 2 die ebenfalls bekannte K-Raumtrajektorie für diese Pulssequenz,

Fig. 3 die Abtastung eines Kernresonanzsignals für eine Halbwelle des Auslesegradienten,

Fig. 4 die Wirkung der Amplitudenbegrenzung, und

Fig. 5 schematisch eine Schaltung zur Durchführung des Ver fahrens.

In Fig. 1 ist eine aus der bereits eingangs genannten US 4 651 096 bekannte Pulssequenz nach dem sogenannten Spiral- Scan-Verfahren dargestellt. Dabei wird unter der Wirkung ei nes Schichtselektionsgradienten GS ein Hochfrequenzpuls ein gestrahlt, so daß eine definierte Schicht des Untersuchungs objekts angeregt wird. Das damit entstehende Kernresonanzsi gnal wird unter zeitvariablen Auslesegradienten GR1 und GR2, die senkrecht aufeinander stehen, ausgelesen. Diese Gradien ten sind vorzeichenalternierend, so daß das Kernresonanzsi gnal in der Folge in Richtung der Auslesegradienten GR1, GR2 abwechselnd mehrfach refokussiert und wieder defokussiert wird. Wie in der obengenannten US-PS näher erläutert, sind die Gradienten GR1 und GR2 so ausgeführt, daß die entstehende K-Raumtrajektorie eine Spiralform aufweist, d. h., daß die Ab tastpunkte im K-Raum wie in Fig. 2 dargestellt, auf einer Spirale liegen. Die Berechnung des Gradientenstromverlaufs bei dieser Pulssequenz ist sehr komplex, insbesondere wenn man das Gradientensystem hinsichtlich Amplitude und Slewrate maximal ausnutzen will. Die Performance des MR-Tomographie gerätes, insbesondere hinsichtlich der Meßzeit, hängt jedoch maßgeblich von der Gradientenausnutzung ab.

Die Berechnung des Gradientenstromverlaufs erfolgt daher nicht in realtime, d. h. während des Sequenzablaufs, sondern die Gradientenstromform wird einmal vorberechnet und in einer Tabelle abgespeichert. Allerdings können die abgespeicherten Werte nicht für jede Pulssequenz direkt übernommen werden. Insbesondere bei einer Änderung des Meßfensters FOV (für field of view) muß eine Anpassung erfolgen. Das Meßfenster FOV und die Auflösung As ergeben sich nach folgenden For meln:

Dabei steht FOV für die Größe des Meßfensters,
γ ist die gyromagnetische Konstante,
G(t) ist die jeweilige Gradientenamplitude,
Δτ ist der Abstand zwischen zwei Abtastpunkten und
N die Anzahl der Abtastpunkte für ein Kernresonanzsignal.

Bei bekannten Anlagen wurde zur Veränderung des Meßfeldes FOV der abgespeicherte Referenzstromverlauf lediglich hinsicht lich der Amplitude skaliert. Beispielsweise wurde bei hal biertem Meßfenster FOV die Amplitude G des Gradienten in der jeweiligen Richtung verdoppelt. Bei sonst gleichen Vorausset zungen verdoppelt sich natürlich auch die Slewrate. Um zu vermeiden, daß man dabei die vom Gradientensystem her vorge gebenen Grenzwerte überschreitet, mußte der abgespeicherte Referenzstromverlauf so ausgeführt werden, daß bei der Ska lierung der Amplitude unter keinen Umständen anlagenbedingte Grenzwerte überschritten werden. Damit ist jedoch eine opti male Nutzung des Gradientenstromverlaufs nur noch beim mini mal einstellbaren Meßfenster möglich, während bei allen ande ren Betriebszuständen das Gradientensystem nicht mehr optimal ausgenutzt wird.

Gemäß der Erfindung wird nun nicht nur die Gradientenamplitu de, sondern gleichzeitig auch die Zeitskala des Referenzver laufs skaliert, wie dies in Fig. 3 schematisch für eine Halb welle des Gradientenpulses dargestellt ist. Wenn man z. B. ei ne Halbierung des Meßfensters will, so kann man z. B. die Zei tachse, d. h. den Abstand Δτ zwischen zwei Abtastpunkten, und die Amplitude jeweils um den Faktor √2 skalieren. Aus der oben angegebenen Gleichung für das Meßfenster ergibt sich dann, daß das Meßfenster halbiert wird. Die Skalierung auf der Zeitachse führt nicht nur zu einer entsprechenden Verän derung des Abstands Δτ zwischen zwei Abtastpunkten, sondern auch zu einer Veränderung der entsprechenden Gradientenpuls länge. Alternativ könnte man aber die Gradientenpulslänge auch beibehalten und dabei die Anzahl N der Abtastpunkte ver ringern. Dies wäre mit einem Verlust an Auflösung Δs gemäß der oben angegebenen Gleichung 2 verbunden.

Durch die Skalierung sowohl der Amplitude als auch der Zei tachse entsteht - sofern man die jeweilige Skalierung gleich mäßig vornimmt - keine Änderung der Slewrate. Damit kann man den Referenzstromverlauf so definieren, daß das Gradientensy stem hinsichtlich der Slewrate optimal ausgenutzt wird, ohne daß die Gefahr besteht, bei einer Skalierung in unzulässige Bereiche der Slewrate zu geraten. Wie bei herkömmlichen Ver fahren ist lediglich auf die Einhaltung von Amplitudengrenzen für den Gradientenstromverlauf zu achten. Dies wird nachfol gend anhand der Fig. 4 näher erläutert.

Die Fig. 4 zeigt den Stromverlauf für eine Gradientenspule entsprechend Fig. 1, jedoch in vergrößerter Darstellung. Durch den für das Spiral-Imaging in der Amplitude ansteigen den Gradientenstromverlauf würde man bei dem in Fig. 4 darge stellten Betriebsfall die maximale Gradientenstromamplitude GR_max überschreiten. Der Gradientenstromverlauf wird daher auf der Zeitachse in einen Bereich A und einen Bereich B einge teilt. Im Bereich A wird sowohl die Gradientenamplitude als auch die Zeitachse, also die Zeitdauer des Gradienten und der Zeitabstand Δτ zwischen zwei Abtastpunkten entsprechend dem gewünschten Meßfeld FOV skaliert. In diesem Bereich bleibt die Slewrate unmodifiziert. Im Bereich B dagegen greift eine Amplitudenbegrenzung, d. h. die Amplitude bleibt unverändert, nämlich bei ihrem maximal zulässigen Wert. Es wird lediglich die Zeitachse skaliert. Die Grenze zwischen den Bereichen A und B, wo die Amplitudenbegrenzung greift, ändert sich mit dem Meßfeld. Durch das oben dargestellte Verfahren kann durch eine einfache, stückweise lineare Änderung der Zeitskala, z. B. durch Interpolation je einer für die beiden Bereiche A und B einmal berechneten Referenzpulsform, aufwandsarm eine optimale Ausnutzung der Leistung des Gradientensystems auch bei Änderung des Meßfeldes erreicht werden.

Dasselbe Verfahren kann jedoch auch bei einer Änderung der Leistungsdaten des Gradientensystems, z. B. wenn man die vor berechnete Pulssequenz auf verschiedenen Anlagen mit unter schiedlichen Leistungsdaten des Gradientensystems portieren will, eingesetzt werden. Ferner läßt sich das hier darge stellte Verfahren nicht nur auf Auslesegradienten, sondern auch auf Selektionsgradienten anwenden, wenn diese in drei Dimensionen selektiv sind. Die Skalierung der Zeitachse kann auf einfache Weise durch ein dem ADC-Wandler vorgegebenes Zeitraster erfolgen, wobei ggf. eine Feinabstimmung durch das herkömmliche Skalieren der Amplitude erfolgt.

Die Fig. 5 zeigt stark schematisiert eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens. In einer Steuereinheit 1 sind Speichermittel 2 vorgesehen, die mindestens eine Tabelle mit einem vorberechneten Gradientenstromverlauf beinhaltet. Auf grund dieser Tabelle werden über Skaliereinrichtungen 3 und 4 für Amplitude bzw. Zeit Sollwerte für den Gradientenstromver lauf erzeugt. Diese Sollwerte werden einem Gradientenverstär ker 5 zugeführt. Auf die Skaliereinrichtungen 3 und 4 wirken ferner Mittel 6 zur Amplitudenbegrenzung. Die Skaliereinrich tungen arbeiten in Abhängigkeit von Pulssequenzen und Se quenzparametern, die über eine Bedienkonsole 7 vorgebbar sind. Über die Bedienkonsole 7 wird ferner die zur Anwendung kommende Tabelle für vorberechnete Gradientenstromverläufe ausgewählt.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Gradientenstromverlaufs bei MR-Tomographiegeräten mit beliebiger K-Raum-Abtastung mit folgenden Schritten:

- für eine bestimmte Klasse von Pulssequenzen wird ein Refe renzstromverlauf festgelegt,
- aus dem Referenzstromverlauf wird für eine aktuelle Puls sequenz durch Skalierung der aktuelle Gradientenstromver lauf festgelegt,
- die Skalierung erfolgt zumindest für einen Teil der aktu ellen Pulssequenz in der Amplitude und in der Zeitachse.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Skalierung aufgrund eines gewünschten Meßfeldes (FOV) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Skalierung in Anpassung an Leistungsdaten verschiedener MR- Tomographiegeräte erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei bei ei ner Änderung des Meßfeldes (FOV) um den Faktor 1/n eine Ska lierung der Amplitude und der Zeitachse jeweils um den Faktor √n erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei inner halb einer Pulssequenz Zeitabschnitte (B) vorhanden sind, in denen eine Amplitudenbegrenzung des Gradientenstromverlaufs eingreift und nur noch eine Skalierung in der Zeitachse er folgt.

6. MR-Tomographiegerät mit einer Steuervorrichtung für ein Gradientensystem mit folgenden Merkmalen:
eine Speichervorrichtung (2) zur Abspeicherung mindestens ei nes vorberechneten Referenzstromverlaufs für Gradientenspu len,
einer Recheneinheit (3, 4) zur Berechnung eines aktuellen Gradientenstromverlaufs durch Skalierung des Referenzstrom verlaufs nach Amplitude und Zeitachse.

7. MR-Tomographiegerät nach Anspruch 6, wobei die Rechenein heit eine Amplitudenbegrenzung (6) für den Gradientenstrom verlauf beinhaltet.