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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur magnetischen Resonanzbildgebung zum
Bestimmen der Verteilung der Kernmagnetisierung in einer Untersuchungszone,
wobei Magnetresonanzsignale mit Hilfe eines Resonatorelements unter
dem Einfluss einer Sequenz von Gradientenimpulsen und HF-Impulsen
erkannt werden.
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Es
ist bekannt, dass es sich bei der Magnetresonanztomographie um ein
spektrales Bildgebungsverfahren handelt, bei dem die Kernmagnetisierung
auf der Basis der relevanten zugehörigen Resonanzfrequenz lokalisiert
wird, wobei ein räumlich inhomogenes
Magnetfeld (Magnetfeldgradient) verwendet wird. Bei der Bildgebung
ist es üblich,
das Magnetresonanzsignal als eine in einer Spule um die Untersuchungszone
herum induzierte Spannung unter dem Einfluss einer geeigneten Sequenz
von HF-Impulsen und Gradientenimpulsen in dem Zeitbereich zu erfassen.
Die eigentliche Bildrekonstruktion wird mittels Fourier-Transformation
der Zeitsignale durchgeführt.
Die Anzahl, der zeitliche Abstand, die Dauer und die Stärke der
verwendeten Gradientenimpulse bestimmen die Abtastung des reziprokalen k-Raums,
der das abzubildende Volumen (Sichtfeld, engl. field of view, FOV)
sowie die Bildauflösung
bestimmt. Eine gebräuchliche
Impulssequenz, wie sie für
die sequentielle Abtastung des k-Raums verwendet wird, ist zum Beispiel
die EPI-Sequenz (Echo-Planar-Imaging).
Die Anzahl der Phasencodierschritte und damit die Dauer der Bildgebungssequenz
wird durch die Anforderungen vorgegeben, die in Hinblick auf die
Bildgröße und die
Bildauflösung gestellt
werden. Daraus ergibt sich direkt einer der wesentlichen Nachteile
der Magnetresonanztomographie, da die Erstellung eines Bildes der
kompletten Untersuchungszone mit einer für Diagnosezwecke ausreichenden
Auflösung
normalerweise eine unerwünscht
lange Zeitdauer in Anspruch nimmt.
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Zahlreiche
technische Entwicklungen auf dem Gebiet der Magnetresonanztomographie
zielen darauf ab, eine drastische Verkürzung der Bilderfassungszeiten
zu erreichen. Weitere Entwicklungen bezüglich der Ausrüstung, die
ein möglichst
schnelles Umschalten der Magnetfeldgradienten ermöglichen, haben
heute die Grenzen des technisch Machbaren erreicht und auch die
Grenzen von dem, was für
den Patienten aus physiologischer Sicht angemessen ist. Die Erfassungszeiten
sind jedoch für
eine Vielzahl von Anwen dungen immer noch zu lang, insbesondere auch
für die
interventionelle Radiologie.
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Eine Überwindung
der existierenden technischen und physiologischen Einschränkungen
der herkömmlichen
Fourier-Bildgebung bezüglich
der Geschwindigkeit scheint durch das SENSE-Verfahren (Empfindlichkeitscodierung)
in Sicht gekommen zu sein, das vor kurzem bekannt wurde. Dieses
Verfahren beruht auf der Tatsache, dass das räumliche Empfindlichkeitsprofil
der empfangenden Elemente (Resonatoren, Spulen, Antennen) dem Spinresonanzsignal
Positionsinformationen aufprägt,
die für die
Bildrekonstruktion genutzt werden können. Die parallele Nutzung
einer Vielzahl separater Empfangselemente, wobei jedes Element ein
anderes Empfindlichkeitsprofil hat, und das Kombinieren der erkannten
jeweiligen Spinresonanzsignale ermöglichen eine Verkürzung der
für ein
Bild erforderlichen Erfassungsdauer (im Vergleich zu der herkömmlichen
Fourier-Bildrekonstruktion)
um einen Faktor, der im günstigsten
Fall der Anzahl der verwendeten Empfangselemente entspricht (siehe
Pruessmann et al., Magn. Reson. Med. 42, S. 952–962, 1999). Ein Nachteil dieses
Verfahrens besteht jedoch darin, dass der Störabstand immer noch ungefähr proportional
zu der Quadratwurzel der Bilderfassungsdauer ist. Die inhärent geringe
Empfindlichkeit der Magnetresonanzverfahren verhindert daher realistischerweise
eine Verkürzung
der Bilderfassungsdauer um einen Faktor von mehr als 10 unter Aufrechterhaltung einer
akzeptablen Bildqualität
mit Hilfe des SENSE-Verfahrens.
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Vor
kurzem wurden Versuche unternommen, einzelne Teilelemente der zur
Erkennung der Spinresonanzsignale verwendeten Resonatoren mit einem spezifisch
unterschiedlichen, ortabhängigen
Empfindlichkeitsprofil aufgrund ihrer spezifischen Anordnung im
Raum zur Verkürzung
der Erfassungsdauer in Übereinstimmung
mit dem SENSE-Verfahren
zu nutzen (siehe Ledden et al., Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med.
8, S. 1396, 2000).
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Für die Volumenbildgebung
werden in der Magnetresonanztomographie üblicherweise so genannte Vogelkäfig-Resonantoren
(Vogelkäfig-Spulen)
eingesetzt. Die erste Resonanzmode derartiger Vogelkäfig-Resonatoren
ist durch eine B1-Feldverteilung gekennzeichnet,
die über
den gesamten inneren Bereich des Resonators homogen ist. Das Gleiche gilt
für das
räumliche
Empfindlichkeitsprofil bei der Erkennung. Das B1-Feld
der zweiten Resonanzmode ist jedoch im Wesentlichen proportional
zu dem Radius, d.h. zu dem Abstand von der Mitte des Resonators.
Eric C. Wong und Wen-Ming Luh haben einen Vogelkäfig-Resonator vorgeschlagen,
der sich aus zwei Teilresonatoren zusammensetzt, die bei der gleichen
Resonanzfrequenz in der ersten und der zweiten Resonanzmode arbei ten
(siehe Wong et al., Proceedings of the ISMRM, Nr. 165, Signey 1999). Jeder
der beiden Teilresonatoren ist mit einem separaten Detektionskanal
verbunden, so dass parallele Magnetresonanzsignale mit jeweils unterschiedlichem
räumlichem
Empfindlichkeitsprofil erkannt werden können. Die beiden Resonanzmoden
sind vorteilhafterweise orthogonal zueinander, so dass die beiden
Detektionskanäle
vollständig
entkoppelt sind. Wong und Luh kombinieren die erkannten Zweikanal-Magnetresonanzsignale
bei der Bildrekonstruktion, um die Empfindlichkeit während der
Bilderfassung zu verbessern, das heißt vor allem im Bereich der
Bildperipherie.
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In
dem Artikel von Carlson J.W. et al. mit dem Titel „Imaging
Time Reduction through Multiple Receiver Coil Data Acquisition and
Image Reconstruction",
erschienen in Mag. Reson. Med. 29, S. 681–687, 1993, wird ein Verfahren
zur parallelen Magnetresonanzbildgebung beschrieben, bei dem zwei Vogelkäfig-Spulen
verwendet werden, die in der uniformen bzw. der Gradientenmode arbeiten.
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Auf
der Basis des beschriebenen Stands der Technik hat die vorliegende
Erfindung zur Aufgabe, ein MR-Bildgebungsverfahren zu schaffen,
das eine besonders schnelle Bilderfassung ermöglicht, ohne großen Aufwand
ausgeführt
werden kann und nur geringfügige
Modifikationen an der herkömmlichen
Magnetresonanztomographie-Ausrüstung erforderlich macht.
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Diese
Aufgabe wird mit Hilfe eines MR-Geräts nach Anspruch 1 gelöst.
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Die
Verwendung von zwei oder mehr Resonanzmoden mit jedes Mal unterschiedlichen
räumlichen
Empfindlichkeitsprofilen ermöglicht
den Einsatz des beschriebenen SENSE-Verfahrens für eine effiziente Verkürzung der
Bilderfassungsdauer auf elegante Weise, die sich einfach ausführen lässt. Die Impulssequenz
wird in Übereinstimmung
mit der Anzahl Resonanzmoden abgekürzt, wodurch sich ein Sichtfeld
(engl. field of view, FOV) ergibt, das erheblich kleiner ist als
die interessierende Region. Das Kombinieren der in den verschiedenen
Moden erkannten Magnetresonanzsignale ermöglicht dann die Rekonstruktion
des kompletten Bildes mit Hilfe des SENSE-Verfahrens. Die jeweiligen
räumlichen
Empfindlichkeitsprofile der Resonanzmoden müssen zu diesem Zweck genau
bekannt sein.
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Erfindungsgemäß besteht
das Resonatorelement aus zwei oder mehr Teilresonatoren, die in verschiedenen
Resonanzmoden arbeiten. Es können jedoch
problemlos auch höhere
Resonanzmoden (dritte, vierte Mode) genutzt werden.
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Die
unterschiedlichen Resonanzmoden der Teilresonatoren sind in einem derartigen
Resonator orthogonal zueinander. In diesem Fall sind die einzelnen
Detektionskanäle
voneinander entkoppelt, so dass die Signalverarbeitung und die Bildrekonstruktion
erheblich vereinfacht werden.
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Es
ist vorteilhaft, wenn bei dem MR-Bildgebungsverfahren gemäß der Erfindung
eine der Resonanzmoden, die mit einem möglichst gleichmäßigen räumlichen
Empfindlichkeitsprofil einhergeht, verwendet wird, um der Untersuchungszone
die HF-Impulse zuzuführen. Dadurch
wird eine gleichmäßige Anregung
der Kernmagnetisierung in der gesamten interessierenden Untersuchungszone
sichergestellt. Sollten die anderen Teilresonatoren zum Beispiel nicht
angemessen entkoppelt sein, können
sie dann im Sendemodus aktiv und ohne großen Aufwand verstimmt werden.
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Um
das SENSE-Verfahren auszuführen, müssen die
räumlichen
Empfindlichkeitsprofile der Resonanzmoden genau bekannt sein. Bei
dem MR-Bildgebungsverfahren
gemäß der Erfindung
ist es vorteilhafterweise möglich,
die Empfindlichkeitsprofile zu bestimmen, indem Referenzbilder aus jedem
der erkannten Magnetresonanzsignale mit Hilfe einer Impulssequenz
rekonstruiert werden, die die gesamte Untersuchungszone abdeckt,
wobei die genannten Referenzbilder miteinander verglichen werden.
Die individuellen räumlichen
Empfindlichkeitsprofile ergeben sich direkt durch den Vergleich, wenn
das räumliche
Empfindlichkeitsprofil von einer der Resonanzmoden bekannt ist.
Es ist dann vorteilhaft, wenn – wie
oben beschrieben – eine
der Moden ein gleichmäßiges räumliches
Empfindlichkeitsprofil hat, zum Beispiel die erste Resonanzmode.
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Die
Rekonstruktionseinheit besteht bei dem herkömmlichen MR-Gerät üblicherweise
aus einem Computer, der die digitalisierten Magnetresonanzsignale
zur Verarbeitung erhält.
Um das SENSE-Verfahren auszuführen,
müssen
die räumlichen
Empfindlichkeitsprofile der Resonanzmoden in dem Computer zur Bildrekonstruktion
gespeichert werden. Algorithmen, die für die Bildgebung geeignet sind
und in den Rekonstruktionseinheiten von herkömmlichen MR-Geräten leicht
implementiert werden können, sind
in der Literatur beschrieben. Derartige Algorithmen ermöglichen
die Rekonstruktion der mit einem reduzierten Sichtfeld erfassten
Bilddaten auf eine solche Weise, dass ein komplettes Bild der Untersuchungszone
erstellt wird, wobei die praktische Kenntnis der räumlichen
Empfindlichkeitsprofile genutzt wird. Insbesondere werden dadurch
die inhärenten Rückfaltungs-
(Aliasing-) Effekte in den mit reduziertem Sichtfeld erfassten Bilddaten
aufgehoben.
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Es
ist auch vorteilhaft, wenn der Vogelkäfig-Resonator in seiner Längsrichtung
in kürzere
Teilresonatoren unterteilt wird. Jeder der somit nacheinander in
z-Richtung angeordneten Resonatoren hat ein unterschiedliches räumliches
Empfindlichkeitsprofil; diese Tatsache kann für eine entsprechende zusätzliche
Reduzierung des Sichtfeldes genutzt werden und geht mit einer resultierenden
Beschleunigung der Bilderfassung einher. Die Verwendung von Teilresonatoren
mit räumlichen
Empfindlichkeitsprofilen, die sich sowohl radial als auch longitudinal
unterscheiden, ermöglicht
eine Reduzierung des Sichtfeldes in allen drei räumlichen Richtungen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren ausführlich beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
Querschnittansicht eines ersten Vogelkäfig-Resonators, der aus zwei
Teilresonatoren besteht (kein Ausführungsbeispiel der Erfindung);
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2 eine
Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels
eines zusammengesetzten Vogelkäfig-Resonators;
und 3 die SENSE-Rekonstruktion aus zwei Teilbildern.
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1 zeigt
eine erste Möglichkeit
zur Realisierung eines zusammengesetzten Vogelkäfig-Resonators, die kein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist. Er besteht aus zwei konzentrischen
Vogelkäfig-Resonatoren 1 und 2,
die so ineinander angeordnet sind, dass sich ihre Stäbe 3 und 4 in
einem unterschiedlichen Abstand zum Mittelpunkt des Resonators befinden.
Durch die geeignete Wahl der Kapazitäten können die beiden Teilresonatoren 1 und 2,
die elektrisch voneinander isoliert sind, auf einfache Weise bei
gleicher Resonanzfrequenz auf unterschiedliche Resonanzmoden abgestimmt
werden.
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Der
in dem erfindungsgemäßen Gerät verwendete
Resonator ist in 2 dargestellt. Er umfasst zusätzlich zu
den Stäben 3 weitere
Stäbe 4,
die um den Umfang des Resonators mit gleichem Radius angeordnet
sind. Einer der Teilresonatoren hat zwölf Stäbe und der andere hat vier
Stäbe.
Die dargestellte Konfiguration macht es möglich, dass der aus vier Stäben bestehende
Resonator auf die zweite Resonanzmode abgestimmt wird und der aus
zwölf Stäben bestehende
Resonator auf die erste Resonanzmode abgestimmt wird; der Teilresonator,
der auf die erste Resonanzmode abgestimmt wird, kann in Quadratur
arbeiten, ohne dass es zu einer Kopplung mit dem Resonator kommt,
der auf die zweite Resonanzmode abgestimmt ist.
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3 zeigt
die Rekonstruktion des Bildes eines kreisförmigen Phantoms in Übereinstimmung
mit dem SENSE-Verfahren. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet
ein Niveaudiagramm des räumlichen
Empfindlichkeitsprofils eines Vogelkäfig-Resonators, der in der
ersten Resonanzmode arbeitet, also in einer Querschnittansicht.
Die Empfindlichkeit ist auf den dargestellten Konturen immer konstant.
Es ist deutlich zu sehen, dass bei dieser Betriebsart, die üblicherweise
im Sendemodus und auch im Empfangsmodus des Magnetresonanztomographiegeräts verwendet
wird, die Empfindlichkeit innerhalb des Resonators in hohem Maße gleichmäßig ist.
Das Bezugszeichen 6 bezeichnet ein entsprechendes Niveaudiagramm
für die
zweite Resonanzmode. Die Empfindlichkeit hat in dieser Mode einen
radialen Gradienten; in der Mitte des Resonators ist sie gleich
Null.
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Das
Bezugszeichen 7 bezeichnet ein auf herkömmliche Weise rekonstruiertes
Bild des Phantoms; dieses Bild wurde mit einem vertikal reduzierten
Sichtfeld und dem in Diagramm 5 dargestellten Empfindlichkeitsprofil
erfasst. Die unterschiedlichen Signalintensitäten sind mit verschiedenen
Grauwerten dargestellt. Im oberen und unteren Bereich des Bildes
sind die typischen, aus dem reduzierten Sichtfeld resultierenden
Rückfaltungs- (Aliasing-) Effekte zu
sehen. Das mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnete Bild wurde
auf die gleiche Weise rekonstruiert, sei es in der zweiten Resonanzmode
des Vogelkäfig-Resonators wie in
Diagramm 6 dargestellt. Im Vergleich zu Bild 7 weist
Bild 8 deutlich rotationssymmetrische Abschwächungen
auf, die auf das charakteristische Empfindlichkeitsprofil von Diagramm 6 in
Bezug auf die zweite Resonanzmode zurückzuführen sind.
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Unter
Verwendung eines geeigneten SENSE-Algorithmus, der in der Rekonstruktionseinheit 9 implementiert
ist, können
die Bilddaten 7 und 8 so kombiniert werden, dass
sich ein Bild 10 ergibt, in dem die Aliasing-Effekte eliminiert
wurden und die Signalintensität über die
gesamte Bildfläche
gleichmäßig ist.
Zum Erstellen von Bild 10 werden die Bilddaten 7 und 8 sowie
die zugehörigen
Empfindlichkeitsprofile 5 und 6 benötigt.