DE4317028A1

DE4317028A1 - Verfahren zur Akquisition und Auswertung von Daten in einem Kernspin-Tomographen

Info

Publication number: DE4317028A1
Application number: DE4317028A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr Busch; Michael Dipl Ing Friebe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-05-21
Filing date: 1993-05-21
Publication date: 1994-11-24
Anticipated expiration: 2013-05-22
Also published as: US5754046A; DE4317028C3; DE4317028C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Akquisition und Auswertung von Daten in einem Kernspin-Tomographen, bei des sen aufeinanderfolgenden Messungen jeweils nur ein gleichbleibender Teilbereich eines aus einer voran gegangenen Messung hervorgegangenen Gesamtdatensatzes durch Meßdaten einer folgenden Messung aktualisiert wird.

Bei einem Kernspin-Tomographen werden zunächst räumlich definierte Teilbereiche eines zu untersuchenden Objek tes durch Aufschaltung von magnetischen Gradientenfel dern selektiert und mittels HF-Impulsen angeregt. Durch die HF-Impulse, deren Frequenz mit der Resonanzfrequenz der Atomkerne in dem selektierten Teilbereich überein stimmt, wird die Gesamtmagnetisierung in dem selektier ten räumlichen Teilbereich aus der Gleichgewichtslage in die Magnetfeldrichtung ausgelenkt. Durch die dabei auftretende Präzessionsbewegung der Gesamtmagnetisie rung werden in einer Empfangsspule Meßsignale indu ziert. Diese Meßsignale werden registriert und ausge wertet.

Durch eine geeignete Gestaltung der magnetischen Gra dientenfelder werden Phase und Frequenz des Meßsignals ortsaufgelöst kodiert. Somit läßt sich aus einem die Phasen- und Frequenzdaten enthaltenden Datensatz die räumliche Verteilung der angeregten Kernspins bestim men. Zur bildlichen Darstellung dieser Meßdaten ist eine Transformation der im sogenannten reziproken- oder K-Raum vorliegenden Phasen- und Frequenzdaten in Län gen- und Breitendaten im realen Raum erforderlich. Die se Transformation wird z. B. mittels Fourier-Transforma tion durchgeführt.

Die Datenakquisition wird bei den bekannten Verfahren durch die Aufnahme einer Standard-Meßsequenz eingelei tet. Bei einer solchen Standard-Meßsequenz werden in der Regel von einem dreidimensionalen Objekt eine Anzahl von zwei- oder dreidimensionalen Gesamtdatensät zen akquiriert. Die Anzahl der Meßdaten in dem Gesamt datensatz ergibt sich aus der Anzahl der in einer Mes sung durchlaufenden Phasen- und Frequenzschritte. Jedem Phasenschritt entspricht die Aufnahme eines oder mehre rer Meßsignale, jedes registrierte Meßsignal wird digi talisiert.

Eine zeitlich aufgelöste Betrachtung von zeitlich ver änderlichen Vorgängen mittels Kernspin-Tomographie setzt entsprechend ausreichend schnell aufeinander fol gende Serien von Messungen voraus. Solche schnellen Messungen sind beispielsweise bei der operationsbeglei tenden Überwachung von endoskopischen Eingriffen, bei denen von außen kein Sichtkontakt zu den chirurgischen Instrumenten und zum Operationsgebiet besteht, oder auch bei der Diagnostik an sich bewegenden Organen, wie z. B. dem Herzen, notwendig. Eine zeitlich aufeinander folgende Wiederholung einer Standard-Meßsequenz ist für diese Zwecke zu langsam.

Zur Verkürzung der Aufnahmezeit ist nach dem Stand der Technik z. B. das sogenannte Keyhole-Verfahren bekannt. Dieses Verfahren ist auf eine Reduzierung der aufzuneh menden Meßdaten und eine optimierte Auswertungsstrate gie ausgerichtet.

Bei einer Keyhole-Meßsequenz wird zunächst mit der oben diskutierten Standard-Aufnahmesequenz ein vollständiger Gesamtdatensatz akquiriert. Danach wird bei nachfolgen den Messungen im aktuell vorliegenden Gesamtdatensatz jeweils nur ein gleichbleibender, kleiner Teilbereich der Meßdaten aktualisiert. Der überwiegende Teil des Gesamtdatensatzes aus der anfänglichen Standard-Aufnah mesequenz bleibt demgegenüber unverändert bestehen. Durch die Aktualisierung der Meßdaten in einem nur kleinen Teilbereich des Gesamtdatensatzes ergibt sich eine erhebliche Beschleunigung.

Aus der Natur des im reziproken Raum vorliegenden Ge samtdatensatzes ergibt sich, daß die für die Struktur und das Signal-Rausch-Verhältnis des transformierten, realen Bildes im wesentlichen ein kleiner Bereich um das Zentrum des Gesamtdatensatzes relevant ist. Dort sind die tiefen Ortsfrequenzen und deren Phasenlagen lokalisiert. Wird beim Keyhole-Verfahren nur dieser Teilbereich von Messung zu Messung aktualisiert, werden verhältnismäßig schnell relativ gute reale Bilder mit ausreichendem Kontrast und Signal-Rausch-Verhältnis bei ruhendem Untersuchungsobjekt erzeugt.

Eine Variante des bekannten Keyhole-Verfahrens sieht vor, daß längs einer ganzen Meßkoordinatenachse, z. B. der X-Frequenz-Koordinatenachse ein schmaler Teilbe reich von Meßdaten ermittelt wird. Das läßt sich z. B. durch die Beschränkung der aufgenommenen Meßsignale auf einen schmalen Phasenbereich erreichen. Wesentlich für die Wahl des Teilbereichs der Meßdaten ist auch hier bei, daß der vorgenannte, zentrale Bereich des Gesamt datensatzes im Teilbereich der erfaßten und aktuali sierten Meßdaten enthalten ist.

Der wesentliche Nachteil des Keyhole-Verfahrens liegt darin, daß Änderungen des Meßobjektes, die im Verlauf einer Reihe von Keyhole-Messungen auftreten, in der Bilddarstellung nur mit einer mangelhaften Kantenschär fe dargestellt werden. Bei beweglichen Meßobjekten tre ten sogar ausgeprägte Falschdarstellungen aus, die z. B. zum Teil undefinierte Ortsinformation zeigen. Das kann dazu führen, daß eine zeitliche Überwachung von opera tiven Eingriffen unmöglich wird, weil die zur Anwendung kommenden, in das Meßobjekt eingebrachten Instrumente nicht hinreichend genau lokalisiert werden können. Infolgedessen ist es nur schlecht möglich, die durch das Keyhole-Verfahren erreichten Zeitvorteile zu benut zen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, das Verfahren der ein gangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß sich von Messung zu Messung bewegende Meßobjekte in der Bilddarstellung schärfer wiedergegeben werden, wobei die Aufnahmezeit gegenüber einer Standard-Sequenz rela tiv gering sein soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß von Messung zu Messung zusätzlich wechselnde Teil bereiche des Gesamtdatensatzes aktualisiert werden, wobei diese Teilbereiche von Messung zu Messung in ei ner vorbestimmten Reihenfolge geändert werden.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren hat den Vorteil, daß die Aufnahmezeit gegenüber der Standard- Keyhole-Meßsequenz nur wenig verlängert wird und gleich zeitig die Möglichkeit besteht, die Kantenschärfe in den Bilddarstellungen der aufgenommenen Messungen deut lich zu erhöhen. Das wird dadurch erreicht, daß z. B. für die Kantenschärfe relevante Bereiche des Gesamtda tensatzes in Teilbereiche zerlegt und diese gemäß einer vorgegebenen Reihenfolge aktualisiert werden. Durch die Aktualisierung von jeweils wechselnden, nur kleinen Teilbereichen des Gesamtdatensatzes zusätzlich zum gleichbleibenden Teilbereich des Keyhole-Verfahrens ist gewährleistet, daß die Aufnahmezeit für eine Messung gegenüber dem Keyhole-Verfahren nur geringfügig verlän gert wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist die Überwa chung von invasiven Eingriffen in Echtzeit machbar. Auch sehr kleine chirurgische Instrumente, z. B. endos kopische Werkzeuge, sind in der Bilddarstellung hinrei chend genau erkennbar. Besonders aufgrund der zunehmen den Tendenz zu minimal invasiven Eingriffen mittels endoskopischer Methoden ist diese Eigenschaft ein großer Vorteil.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im folgenden anhand von zeichnerischen Darstel lungen erläutert. Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Datensätze beziehen sich ausnahmslos auf im K-Raum vorliegende Meßdaten. Es zeigen im einzelnen

Fig. 1 einen Gesamtdatensatz einer zweidimensionalen Messung, bei der die ortsabhängige Signal amplitude perspektivisch dar gestellt ist;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Meß verfahrens bei einer zweidi mensionalen Meßsequenz, bei dem der ganze, dargestellte Gesamtdatensatz zyklisch aktu alisiert wird, wobei die zur Bilddarstellung hauptsächlich relevanten Bereiche des Gesamt datensatzes vereinfacht schraf fiert dargestellt sind;

Fig. 3 eine Darstellung eines erfin dungsgemäßen Meßverfahrens bei einer zweidimensionalen Messung in ähnlicher Darstellung wie in Fig. 2, wobei nur Teilbereiche des Gesamtdatensatzes abwechselnd aktualisiert werden;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Meßver fahrens für einen dreidimensio nalen Datensatz.

In Fig. 1 ist ein Gesamtdatensatz einer zweidimensiona len Messung, wie er im K-Raum vorliegt, in einem Pha sen-Frequenz-Diagramm dargestellt. In dem Diagramm ist mit X die Frequenz-Koordinatenachse, mit Y die Phasen- Koordinatenachse und mit S die Meßsignal-Amplituden- Koordinatenachse bezeichnet. Die einzelnen Meßdaten liegen auf den Kreuzungspunkten eines Netzes, dessen Maschenweite in X-Koordinatenrichtung durch die Größe der Frequenzschritte und in Y-Koordinatenrichtung durch die Größe der Phasenschritte bestimmt ist. Die in S- Koordinatenrichtung aufgetragene Meßsignal-Amplitude ist in der perspektivischen Darstellung des Netzes als Erhöhung erkennbar. Dabei entspricht einer großen Höhe im Diagramm einer entsprechend hohen Meßsignal-Amplitu de. Es ist einfach erkennbar, daß die Meßsignal-Ampli tude im zentralen Bereich des Diagramms am größten ist; davon ausgehend finden sich nur noch relativ signifi kante Strukturen entlang der X- und Y-Koordinatenach sen.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines zwei dimensionalen Gesamtdatensatzes ähnlich dem in Fig. 1 dargestellten. Auch in diesem Diagramm ist mit X die Frequenz-Koordinatenachse und mit Y die Phasen-Koordi natenachse bezeichnet. Die Darstellung der Meßdaten ist in vereinfachter Weise erfolgt; die für die Bilddar stellung besonders relevanten Teilbereiche des Gesamt datensatzes, die in Fig. 1 als signifikante Erhebungen erkennbar sind, sind hierbei schraffiert hervorgehoben. Die besonders hohe Meßsignal-Amplitude in der Mitte von Fig. 1 befindet sich auch in dieser Darstellung im Zen trum des sternförmigen, schraffierten Datenbereiches.

Bei einer Standard-Keyhole-Meßsequenz wird zunächst der ganze dargestellte Gesamtdatensatz akquiriert. Bei den nachfolgenden Messungen wird jeweils nur ein Ausschnitt des Gesamtdatensatzes aktualisiert. In Fig. 2 ist die Breite dieses Ausschnittes in Y-Koordinatenrichtung mit B bezeichnet. In X-Koordinatenrichtung erstreckt sich der Bereich dieses sogenannten Keyholes über die gesam te Meßbereichsbreite. Durch das Keyhole werden bei aufeinanderfolgenden Messungen die besonders wichtigen Meßdaten im Zentrum des Koordinatensystems und die sich daran in X-Koordinatenrichtung anschließenden Meßdaten von Messung zu Messung aktualisiert. Die sich vom zen tralen Bereich in Y-Koordinatenrichtung erstreckenden Teilbereiche, in denen auch signifikante Meßdaten lie gen, werden im Verlauf einer Keyhole-Meßsequenz nicht aktualisiert.

In einer Keyhole-Meßsequenz mit mehreren auf einander folgenden Messungen werden jeweils gemäß dem nachfol gend beschriebenen Schema Meßdaten akquiriert:

1. Gesamtdatensatz
2. Teilbereich B (= Keyhole)
3. Teilbereich B (= Keyhole)
usw.
8. Teilbereich B (= Keyhole)

Bei einer erfindungsgemäßen Meßsequenz werden zusätz lich zum gleichbleibenden Keyhole-Bereich B von Messung zu Messung wechselnde Teilbereiche C0, C1, C2, C5, C6, C7 aufgenommen. In dem dargestellten Beispiel ist der Gesamtdatensatz abzüglich des Keyhole-Bereichs B also in die genannten sechs Teilbereiche aufgeteilt, die in Y-Koordinatenrichtung jeweils eine Breite C0, C1, C2, C5, C6 bzw. C7 aufweisen und sich in X-Koordinaten richtung über die gesamte Breite des Meßbereichs er strecken.

Dabei können C0, C1, . . . , C7 in Y-Koordinatenrichtung gleich breit sein oder in ihren Abmessungen variieren. Auch die Anzahl der wechselnden Teilbereiche kann be liebig vorgegeben werden.

Bei einer erfindungsgemäßen Meßsequenz werden bei einer Folge von Messungen Teilbereiche des Gesamtdatensatzes gemäß der nachfolgend aufgeführten Reihenfolge akqui riert:

1. Messung: Gesamtdatensatz
2. Messung: Teilbereich B (Keyhole) + Teilbereich C0
3. Messung: Teilbereich B (Keyhole) + Teilbereich C1
4. Messung: Teilbereich B (Keyhole) + Teilbereich C2
5. Messung: Teilbereich B (Keyhole) + Teilbereich C5
6. Messung: Teilbereich B (Keyhole) + Teilbereich C6
7. Messung: Teilbereich B (Keyhole) + Teilbereich C7
8. Messung: Teilbereich B (Keyhole) + Teilbereich C0 usw.

Bei diesem erfindungsgemäßen Meßverfahren wird also in einem Zyklus von jeweils 6 Messungen - im Beispiel von der 2. Messung bis zur 7. Messung - der komplette Ge samtdatensatz aktualisiert. Durch die relativ kleinen Abmessungen der wechselnden, jeweils zusätzlich aufge nommenen Teilbereiche C0 bis C2 und C5 bis C7 wird die Aufnahmezeit gegenüber einer Standard-Keyhole-Meßse quenz nur geringfügig verlängert. Trotzdem liegt auf grund der ständigen, zyklischen Aktualisierung des Gesamtdatensatzes auch bei beweglichen Meßobjekten ein Bild mit relativ hoher Kantenschärfe vor.

Fig. 3 zeigt in ähnlicher Darstellung wie Fig. 2 eine weitere Variante einer Meßsequenz nach dem erfindungs gemäßen Verfahren. Bei diesem Verfahren wird der bei jeder Messung aufgenommene Teilbereich des Gesamtdaten satzes - das sogenannte Keyhole - nur durch den recht eckigen, durch gestrichelte Linien begrenzten Teilbe reich im Zentrum der sternförmigen, schraffierten Meß daten gebildet. Dieser Teilbereich ist die Schnittflä che zweier Teilbereiche A und B. Der Teilbereich B er streckt sich in X-Koordinatenrichtung über den gesamten Meßbereich durch das Zentrum des Gesamtdatensatzes und hat in Y-Koordinatenrichtung die Breite B. Der Teilbe reich A erstreckt sich in y-Koordinatenrichtung über den gesamten Meßbereich durch das Zentrum des Gesamtda tensatzes und hat in X-Koordinatenrichtung die Breite A. Somit wird durch die Teilbereiche A und B der wei taus größte Teil der signifikanten Meßdaten erfaßt.

Bei einer erfindungsgemäßen Meßsequenz werden nun ab wechselnd die Teilbereiche A und B aufgenommen. Die Schnittfläche von A und B bildet also das bei jeder Messung aufgenommene Keyhole K. Wird der Teilbereich A abzüglich des Keyholes K mit Rest A bezeichnet und der Teilbereich B abzüglich des Keyholes K mit Rest B, ergibt sich eine Aufnahmesequenz der Meßdatenberei che wie folgt:

1. Messung: Gesamtdatensatz
2. Messung: Keyhole K + Teilbereich Rest A (= A),
3. Messung: Keyhole K + Teilbereich Rest B (= B),
4. Messung: Keyhole K + Teilbereich Rest A (= A),
5. Messung: Keyhole K + Teilbereich Rest B (= B)
usw.

Bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Meßverfahrens wird zwar der Gesamtdatensatz nicht vollständig aktua lisiert; die innerhalb des sternförmigen, schraffiert eingezeichneten Bereiches liegenden Meßdaten, die für die Bilddarstellung entscheidend sind, werden jedoch innerhalb von nur zwei Messungen neu akquiriert. Auf grund des nur sehr kleinen Keyhole-Bereiches K im Zen trum des Gesamtdatensatzes, der bei jeder Messung wie derholt wird, und den sich direkt daran anschließenden, wechselnden Teilbereichen Rest A bzw. Rest B kann eine sehr schnelle Abfolge von Messungen erreicht werden. Durch die in den Teilbereichen Rest A bzw. Rest B maß geblich enthaltenen Informationen wird gleichzeitig eine sehr gute Kantenschärfe erreicht.

Eine Kombination der beiden in Fig. 1 und Fig. 2 be schriebenen Versionen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ebenfalls möglich. Dabei werden z. B. die Teilberei che A und B gemäß Fig. 2 abwechselnd akquiriert und in einem vorgewählten Zyklus - wie in Fig. 1 vorge stellt - auch die Meßdaten untergeordneter Bedeutung aktualisiert, die außerhalb der Teilbereiche A und B liegen.

Die in Fig. 2 bzw. Fig. 3 für zweidimensionale Fälle beschriebenen, erfindungsgemäßen Meßverfahren lassen sich auch auf mehrdimensionale Messungen erweitern. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 4 dargestellt. Zusätzlich zu den beiden Meßkoordinaten X und Y ist dabei eine dritte Meßkoordinate Z hinzugetreten. Diese bezeichnet eine weitere Phasen-Koordinatenrichtung.

In Fig. 4 hat der dreidimensionale Teilbereich der für die Bilddarstellung entscheidenden Meßdaten die Form eines dreidimensionalen, sich entlang der X-, Y- und Z-Koordinatenachsen erstreckenden Sterns. Bei bisheri gen Standard-Keyhole-Meßsequenzen wird zuerst der drei dimensionale Gesamtdatensatz aufgenommen und danach nur ein räumlicher Teilbereich aktualisiert, der sich entlang der gesamten Z-Meßkoordinatenachse erstreckt und in Y-Koordinatenrichtung die Breite M und in X- Koordinatenrichtung die Breite J hat.

Bei einem erfindungsgemäßen Meßverfahren gemäß dem in Fig. 2 beschriebenen wird zusätzlich zu der Akquisition dieses zentralen Keyhole-Bereiches immer ein von Mes sung zu Messung wechselnder, weiterer Teilbereich des Gesamtdatensatzes aufgenommen, bis nach einer bestimm ten Anzahl von Messungen der vollständige Gesamtdaten satz aktualisiert worden ist.

Selbstverständlich ist auch eine Erweiterung der anhand von Fig. 2 beschriebenen Variante des erfindungsgemäßen Meßverfahrens auf mehrere Dimensionen möglich. Dabei werden dann mehrdimensionale Teilbereiche des Gesamtda tensatzes, die sich entlang der Meßkoordinatenachsen erstrecken und die zur Bilddarstellung hauptsächlich relevanten Meßdaten enthalten, abwechselnd aufgenommen.

Die genannten Vorteile des erfindungsgemäßen Meßverfah rens bleiben auch bei Anwendung auf drei- und mehrdi mensionale Datensätze erhalten.

Claims

1. Verfahren zur Akquisition und Auswertung von Daten in einem Kernspin-Tomographen, bei dessen aufei nanderfolgenden Messungen jeweils nur ein gleichblei bender Teilbereich eines aus einer vorangegangenen Mes sung hervorgegangenen Gesamtdatensatzes durch Meßdaten einer folgenden Messung aktualisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß von Messung zu Messung zusätzlich wechselnde Teil bereiche des Gesamtdatensatzes aktualisiert werden, wo bei diese Teilbereiche von Messung zu Messung in einer vorbestimmten Reihenfolge geändert werden.

2. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeich net, daß die vorbestimmte Reihenfolge der zusätzlich gemessenen Teilbereiche derart zyklisch ist, daß der Gesamtdatensatz von Zeit zu Zeit insgesamt aktualisiert wird.