DE4317028C3

DE4317028C3 - Verfahren zur Akquisition und Auswertung von Daten in einem Kernspin-Tomographen

Info

Publication number: DE4317028C3
Application number: DE4317028A
Authority: DE
Inventors: Martin Busch; Michael Friebe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-05-21
Filing date: 1993-05-21
Publication date: 2000-06-29
Anticipated expiration: 2013-05-22
Also published as: US5754046A; DE4317028C2; DE4317028A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Akquisition und Aus wertung von Daten in einem Kernspin-Tomographen, bei dessen aufeinanderfolgenden Messungen jeweils nur ein gleichbleiben der Teilbereich eines aus einer vorangegangenen Messung her vorgegangenen Gesamtdatensatzes durch Meßdaten einer folgen den Messung aktualisiert wird.

Bei einem Kernspin-Tomographen werden zunächst räumlich defi nierte Teilbereiche eines zu untersuchenden Objektes durch Aufschaltung von magnetischen Gradientenfeldern selektiert und mittels HF-Impulsen angeregt. Durch die HF-Impulse, deren Frequenz mit der Resonanzfrequenz der Atomkerne in dem selek tierten Teilbereich übereinstimmt, wird die Gesamtmagnetisie rung in dem selektierten räumlichen Teilbereich aus der Gleichgewichtslage in der Magnetfeldrichtung ausgelenkt. Durch die dabei auftretende Präzessionsbewegung der Gesamtma gnetisierung werden in einer Empfangsspule Meßsignale indu ziert. Diese Meßsignale werden registriert und ausgewertet.

Durch eine geeignete Gestaltung der magnetischen Gradienten felder werden Phase und Frequenz des Meßsignals ortsaufgelöst kodiert. Somit läßt sich aus einem die Phasen- und Frequenz daten enthaltenden Datensatz die räumliche Verteilung der an geregten Kernspins bestimmen. Zur bildlichen Darstellung die ser Meßdaten ist eine Transformation der im sogenannten rezi proken- oder k-Raum vorliegenden Phasen- und Frequenzdaten in Längen- und Breitendaten im realen Raum erforderlich. Diese Transformation wird z. B. mittels Fourier-Transformation durchgeführt.

Die Datenakquisition wird bei den bekannten Verfahren durch die Aufnahme einer Standard-Meßsequenz eingeleitet. Bei einer solchen Standard-Meßsequenz wird in der Regel von einem drei dimensionalen Objekt eine Anzahl von zwei- oder dreidimen sionalen Gesamtdatensätzen akquiriert. Die Anzahl der Meß daten in dem Gesamtdatensatz ergibt sich aus der Anzahl der in einer Messung durchlaufenden Phasen- oder Frequenz schritte. Jedem Phasenschritt entspricht die Aufnahme eines oder mehrerer Meßsignale, jedes registrierte Meßsignal wird digitalisiert.

Eine zeitlich aufgelöste Betrachtung von zeitlich veränderli chen Vorgängen mittels Kernspin-Tomographie setzt entspre chend ausreichend schnell aufeinander folgende Serien von Messungen voraus. Solche schnellen Messungen sind beispiels weise bei der operationsbegleitenden Überwachung von endosko pischen Eingriffen, bei denen von außen kein Sichtkontakt zu den chirurgischen Instrumenten und zum Operationsgebiet be steht, oder auch Diagnostik an sich bewegenden Organen, wie z. B. dem Herzen, notwendig. Eine zeitlich aufeinander fol gende Wiederholung einer Standard-Meßsequenz ist für diese Zwecke zu langsam.

Zur Verkürzung der Aufnahmezeit ist nach dem Stand der Tech nik z. B. das sogenannte Keyhole-Verfahren bekannt. Dieses Verfahren ist auf eine Reduzierung der aufzunehmenden Meßda ten und eine optimierte Auswertungsstrategie ausgerichtet.

Bei einer Keyhole-Meßsequenz wird zunächst mit der oben dis kutierten Standard-Aufnahmesequenz ein vollständiger Gesamt datensatz akquiriert. Danach wird bei nachfolgenden Messungen im aktuell vorliegenden Gesamtdatensatz jeweils nur ein gleichbleibender, kleiner Teilbereich der Meßdaten aktuali siert. Der überwiegende Teil des Gesamtdatensatzes aus der anfänglichen Standard-Aufnahmesequenz bleibt demgegenüber un verändert 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 Gesamtda tensatzes ergibt sich, daß für die Struktur und das Signal- Rausch-Verhältnis des transformierten, realen Bildes im we sentlichen ein kleiner Bereich um das Zentrum des Gesamtda tensatzes relevant ist. Dort sind die tiefen Ortsfrequenzen und deren Phasenlagen lokalisiert. Wird beim Keyhole-Verfah ren nur dieser Teilbereich von Messung zu Messung aktuali siert, werden verhältnismäßig schnell relativ gute Bilder mit ausreichendem Kontrast und Signal-Rausch-Verhältnis bei ru hendem Untersuchungsobjekt erzeugt.

Eine Variante des bekannten Keyhole-Verfahrens sieht vor, daß längs einer ganzen Meßkoordinatenachse, z. B. der X-Frequenz- Koordinatenachse ein schmaler Teilbereich von Meßdaten ermit telt wird. Das läßt sich z. B. durch die Beschränkung der aufgenommenen Meßsignale auf einem schmalen Phasenbereich er reichen. Wesentlich für die Wahl des Teilbereichs der Meßda ten ist auch hierbei, daß der vorgenannte, zentrale Bereich des Gesamtdatensatzes im Teilbereich der erfaßten und aktua lisierten 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 Kantenschärfe dargestellt werden. Bei beweglichen Meßobjekten treten sogar ausgeprägte Falschdar stellungen auf, die z. B. zum Teil undefinierte Ortsinforma tionen zeigen. Das kann dazu führen, daß eine zeitliche Über wachung von operativen Eingriffen unmöglich, wird, weil die zur Anwendung kommenden, in das Meßobjekt eingebrachten In strumente nicht hinreichend genau lokalisiert werden können.

Infolgedessen ist es nur schlecht möglich, die durch das Keyhole-Verfahren erreichten Zeitvorteile zu benutzen.

Bei einer in der US-Patentschrift 4,830,012 vorgeschlagenen Ausführungsform werden daher wechselnde Teilbereiche des Ge samtdatensatzes aktualisiert.

Aus der Literaturstelle M. E. Brummer et al. "Composite k- space Windows (Keyhole Techniques) to Improve Temporal Reso lution in a Dynamic Series of Images Following Contrast Ad ministration" in Book of abstracts: Society of Magnetic Re sonance in Medicine 1992, S. 4236, ist es bekannt, die Key hole-Technik für dynamische Kontrastmittelstudien anzuwenden. Hierbei werden vor einer Kontrastmittelinjektion einmal die Randbereiche des k-Raums gemessen. Während der Kontrastmit telausbreitung wird dann nur noch wiederholt das Zentrum des k-Raums gemessen, so daß man eine erhöhte Zeitauflösung der Messung erreichen kann.

Das bekannte Keyhole-Verfahren wird als Ausgangspunkt der Er findung nachfolgend anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Die in Fig. 1 und 2 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 Signalamplitude perspektivisch dar gestellt ist und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines modifizierten Keyhole-Verfahrens bei einer zweidimensionalen Meßsequenz, bei dem der ganze, dargestellte Gesamtdatensatz zyklisch ak tualisiert wird, wobei die zur Bilddarstellung hauptsächlich relevanten Bereiche des Gesamtdatensatzes vereinfacht schraf fiert dargestellt sind.

In Fig. 1 ist ein Gesamtdatensatz einer zweidimensionalen Messung, wie er im k-Raum vorliegt, in einem Phasen-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 Net zes, dessen Maschenweite in X-Koordinatenrichtung durch die Größe der Frequenzschritte und in Y-Koordinatenrichtung durch die Größe der Phasenschritte bestimmt ist. Die in S-Koordina tenrichtung aufgetragene Meßsignal-Amplitude ist in der per spektivischen Darstellung des Netzes als Erhöhung erkennbar.

Dabei entspricht eine große Höhe im Diagramm einer entspre chend hohen Meßsignal-Amplitude. Es ist einfach erkennbar, daß die Meßsignal-Amplitude im zentralen Bereich des Dia gramms am größten ist; davon ausgehend finden sich nur noch relativ signifikante Strukturen entlang der X- und Y-Koordi natenachsen.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweidimen sionalen Gesamtdatensatzes ähnlich dem in Fig. 1 dargestell ten. Auch in diesem Diagramm ist mit X die Frequenz-Koordina tenachse und mit Y die Phasen-Koordinatenachse bezeichnet. Die Darstellung der Meßdaten ist in vereinfachter Weise er folgt; die für die Bilddarstellung besonders relevanten Teil bereiche des Gesamtdatensatzes, die in Fig. 1 als signifi kante 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 Zentrum des sternförmigen, schraffierten Datenbereiches.

Bei einer Standard-Keyhole-Meßsequenz wird zunächst der ganze dargestellte Gesamtdatensatz akquiriert. Bei den nachfolgen den Messungen wird jeweils nur ein Ausschnitt des Gesamtda tensatzes aktualisiert. In Fig. 2 ist die Breite dieses Aus schnittes in Y-Koordinatenrichtung mit B bezeichnet. In X-Ko ordinatenrichtung erstreckt sich der Bereich dieses sogenann ten Keyholes über die gesamte Meßbereichsbreite. Durch das Keyhole werden bei aufeinanderfolgenden Messungen die beson ders wichtigen Meßdaten im Zentrum des Koordinatensystems und die sich daran in X-Koordinatenrichtung anschließenden Meßda ten von Messung zu Messung aktualisiert. Die sich vom zentra len Bereich in Y-Koordinatenrichtung erstreckenden Teilberei che, in denen auch signifikante Meßdaten liegen, werden im Verlauf einer Keyhole-Meßsequenz nicht aktualisiert.

In einer Keyhole-Meßsequenz mit mehreren aufeinanderfolgenden Messungen werden jeweils gemäß dem nachfolgend beschriebenen Schema Meßdaten akquiriert:

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

Bei einer nach Meßsequenz nach der obengenannten US-PS 4,830,012 werden von Messung zu Messung wechselnde Teilberei che C0, C1, C2, C5, C6, C7 aufgenommen. In dem dargestellten Beispiel ist der Gesamtdatensatz abzüglich des Keyhole-Be reichs 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-Koordinatenrichtung über die gesamte Breite des Meßbereichs erstrecken. Bei die sem Meßverfahren wird also in einem Zyklus von jeweils 6 Mes sungen - im Beispiel von der 2. Messung bis zur 7. Messung - der komplette Gesamtdatensatz aktualisiert.

Aufgabe der Erfindung ist es, die gemessene Datenmenge und damit die Meßzeit ohne wesentliche Einbuße bezüglich der Bildqualität weiter zu verringern. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß abwechselnd ein das Zentrum des k-Rau mes umfassender erster Teilbereich des k-Raums und ein das Zentrum des k-Raums umfassender zweiter Teilbereich des k- Raums aktualisiert wird, wobei erster und zweiter Teilbereich aufeinander senkrecht stehen.

Dies hat den Vorteil, daß die Aufnahmezeit gegenüber der Standard-Keyhole-Meßsequenz nur wenig verlängert wird und gleichzeitig die Möglichkeit besteht, die Kantenschärfe in den Bilddarstellungen der aufgenommenen Messungen deutlich zu erhöhen. Das wird dadurch erreicht, daß zusätzlich zu dem beim Keyhole-Verfahren gemessenen ersten Teilbereich ein für die Bildqualität maßgeblicher zweiter Teilbereich gemessen wird.

Da beim erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber dem aus der US- PS 4,830,012 bekannten Verfahren die erfaßte Datenmenge und damit die Meßzeit weiter verkürzt ist, läßt sich das Verfah ren sehr gut für Echtzeitdarstellung, z. B. von invasiven Eingriffen, anwenden. Auch sehr kleine chirurgische Instru mente, z. B. endoskopische Werkzeuge, sind in der Bilddar stellung hinreichend genau erkennbar. Besonders aufgrund der zunehmenden Tendenz zu minimal invasiven Eingriffen mittels endoskopischer Methoden ist diese Eigenschaft ein großer Vor teil.

Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Fig. 3 und 4 näher erläutert. Dabei zeigen:

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

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Meßverfahrens für einen dreidimensionalen Datensatz.

Fig. 3 zeigt in ähnlicher Darstellung wie Fig. 2 ein Ausfüh rungsbeispiel einer Meßsequenz nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Bei diesem Verfahren wird der bei jeder Messung aufgenommene Teilbereich des Gesamtdatensatzes - das soge nannten Keyhole - nur durch den rechteckigen, durch gestri chelte Linien begrenzten Teilbereich im Zentrum der sternför migen, schraffierten Meßdaten gebildet. Dieser Teilbereich ist die Schnittfläche zweier Teilbereiche A und B. Der Teil bereich B erstreckt 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 ge samten Meßbereich durch das Zentrum des Gesamtdatensatzes und hat in X-Koordinatenrichtung die Breite A. Somit wird durch die Teilbereiche A und B der weitaus größte Teil der signifi kanten Meßdaten erfaßt.

Bei einer erfindungsgemäßen Meßsequenz werden nun abwechselnd 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 Meßdatenbereiche 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 aktualisiert; die innerhalb des sternförmigen, schraffiert eingezeichneten Be reiches liegenden Meßdaten, die für die Bilddarstellung ent scheidend sind, werden jedoch innerhalb von nur zwei Messun gen neu akquiriert. Aufgrund des nur sehr kleinen Keyhole-Be reiches K im Zentrum des Gesamtdatensatzes, der bei jeder Messung wiederholt wird, und den sich direkt daran anschlie ßenden, 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 maßgeblich enthaltenen Informationen wird gleichzeitig eine sehr gute Kantenschärfe erreicht.

In einer Ausführungsform der Erfindung werden die Teilberei che A und B gemäß Fig. 3 abwechselnd akquiriert und in einem vorgewählten Zyklus auch die Meßdaten untergeordneter Bedeu tung aktualisiert, die außerhalb der Teilbereiche A und B liegen.

Das in Fig. 3 für zweidimensionale Fälle beschriebene, erfin dungsgemäßen Meßverfahren läßt sich auch auf mehrdimensiona len 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 drei dimensionalen, sich entlang der X-, Y- und Z-Koordinatenach sen erstreckenden Sterns. Bei bisherigen Standard-Keyhole- Meßsequenzen wird zuerst der dreidimensionale Gesamtdatensatz aufgenommen und danach nur ein räumlicher Teilbereich aktua lisiert, der sich entlang der gesamten Z-Meßkoordinatenachse erstreckt und in Y-Koordinatenrichtung die Breite M und in X- Koordinatenrichtung die Breite J hat.

Selbstverständlich ist auch eine Erweiterung der anhand von Fig. 3 beschriebenen Variante des erfindungsgemäßen Meßver fahrens auf mehrere Dimensionen möglich. Dabei werden dann mehrdimensionale Teilbereiche des Gesamtdatensatzes, die sich entlang der Meßkoordinatenachsen erstrecken und die zur Bild darstellung hauptsächlich relevanten Meßdaten enthalten, ab wechselnd aufgenommen.

Die genannten Vorteile des erfindungsgemäßen Meßverfahrens bleiben auch bei Anwendung auf drei- und mehrdimensionale Da tensätze erhalten.

Claims

1. Verfahren zur Akquisition und Auswertung von Daten in ei nem Kernspintomographen, bei dessen aufeinanderfolgenden Mes sungen jeweils nur ein gleichbleibender Teilbereich des k- Raums eines aus einer vorangegangenen Messung hervorgegange nen Gesamtdatensatzes durch Meßdaten einer folgenden Messung aktualisiert wird, dadurch gekenn zeichnet, daß abwechselnd ein das Zentrum des k- Raums umfassender erster Teilbereich des k-Raums und ein das Zentrum des k-Raums umfassender zweiter Teilbereich des k- Raums aktualisiert wird, wobei erster und zweiter Teilbereich senkrecht aufeinander stehen.