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Dokumentenidentifikation DE102005012669A1 03.11.2005
Titel Verfahren zum Erzeugen einer homogenen Magnetisierung in einem räumlichen Untersuchungsvolumen einer Magnetresonanzanlage
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Diehl, Dirk, Dr., 91052 Erlangen, DE
DE-Anmeldedatum 18.03.2005
DE-Aktenzeichen 102005012669
Offenlegungstag 03.11.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.11.2005
IPC-Hauptklasse G01R 33/36
IPC-Nebenklasse G01R 33/3415   
Zusammenfassung Verfahren zum Erzeugen einer homogenen Magnetisierung in einem räumlichen Untersuchungsvolumen einer Magnetresonanzanlage im Rahmen einer Objektuntersuchung, welche Magnetresonanzanlage eine Körperspule, bestehend aus mehreren Resonatorsegmenten, und eine Steuerungs- und Auswerteeinrichtung zum separaten Ansteuern der einzelnen, voneinander elektro-magnetisch entkoppelten Resonatorsegmente entsprechend einem Satz vorgegebener segmentspezifischer Anregungsparameter aufweist, wobei die Resonatorsegmente innerhalb einer Anregungssequenz zeitlich sequentiell unter Verwendung unterschiedlicher Anregungsparametersätze mit Phasenverteilungen der Kernmagnetisierungsverteilungen im Untersuchungsvolumen, die konstruktiv zur resultierenden homogenen Gesamtkernmagnetisierungsverteilung im Untersuchungsvolumen überlagern, angeregt werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer homogenen Magnetisierung in einem räumlichen Untersuchungsvolumen einer Magnetresonanzanlage im Rahmen einer Objektuntersuchung, welche Magnetresonanzanlage eine Körperspule bestehend aus mehreren Resonatorsegmenten und eine Steuerungs- und Auswerteeinrichtung zum separaten Ansteuern der einzelnen, voneinander elektro-magnetisch entkoppelten Resonatorsegmente entsprechend einem Satz vorgegebener segmentspezifischer Anregungsparameter aufweist.

Die Magnetresonanztomographie ist eines der bildgebenden Verfahren in der medizinischen Diagnostik, das die Wechselwirkung eines externen Feldes, hier eines Magnetfelds mit dem menschlichen Körper zur Bildgebung nutzt. Der Aufbau und die Funktionsweise einer solchen Magnetresonanzanlage ist an und für sich bekannt und muss nicht näher beschrieben werden.

In jüngerer Zeit werden auch Magnetresonanzanlagen hergestellt, bei denen das Grundmagnetfeld mehr als 1,5 T, insbesondere 3 T und mehr beträgt. Mit diesen Magnetresonanzanlagen sind bessere Auflösungen erzielbar, jedoch treten im Stand der Technik vermehrt Inhomogenitäten der Bildqualität auf, die auf Inhomogenitäten im von der Körperspule erzeugten Anregungsfeld zurückzuführen sind.

Aus EP 1 279 968 A2 ist eine Magnetresonanzanlage bekannt, bei der gemäß der eingangs beschriebenen Anlagengestaltung elektro-magnetisch voneinander entkoppelte Resonatorsegmente vorgesehen sind, die die Körperspule bilden. Hier können die einzelnen Resonatorsegmente bei der gewünschten Resonanzfrequenz unabhängig voneinander schwingen. Jedem Resonatorsegment ist ein separater Sendekanal zugeordnet, das heißt, jedes Resonatorsegment kann separat angesteuert werden, wodurch die Erzeugung separater Einzelfelder, die in ihrer Gesamtheit das zirkularpolarisierte hochfrequente Magnetfeld ergeben, möglich ist. Die Amplitude und die Phase jedes einzelnen Sendekanals kann entsprechend eingestellt werden.

Die Bildqualität bei Magnetresonanzsystemen hängt wie beschrieben in beachtlichem Maß von der Homogenität der räumlichen Verteilung derjenigen Komponente des zirkularpolarisierten, hochfrequenten Magnetfelds, die das Auslenken der Spins aus der Gleichgewichtslage bewirkt, ab. Speziell bei höheren Frequenzen wird die Homogenität des Magnetfelds jedoch nicht mehr allein durch die Ströme auf den Antennen, sondern auch durch die Ströme im Patientenkörper wesentlich beeinflusst. Die Ansteuerung der Resonatorsegmente erfolgt anhand eines festgelegten Anregungsparametersatzes, der hinsichtlich der Amplituden und Phasen der Ansteuersignale der einzelnen Resonatorsegmente im Hinblick auf ein möglichst homogenes Magnetfeld gewählt ist.

Ein zentrales Problem im Rahmen der MR-Untersuchung mit einem vergleichsweise starken Grundmagnetfeld ist aber die aufgrund der sehr hohen Arbeitsfrequenzen des Anregungsmagnetfelds gegebene Patientenbelastung, hervorgerufen durch patientenseitig aufgenommene Verlustleistung. Wird beispielsweise mit einem Grundmagnetfeld von 3 T gearbeitet, beträgt die Frequenz des zirkularpolarisierten Anregungsmagnetfelds z.B. 128 MHz. Aus der hohen Frequenz und der damit verbundenen geringeren Eindringtiefe des Magnetfelds resultieren stärkere Inhomogenitäten, die dazu führen, dass der Spinflip über das Untersuchungsvolumen nicht ausreichend ist. Daneben resultiert daraus aber auch eine stärkere Erwärmung des Körpers aufgrund des hohen Energieeintrags. Dieser erhöhte Energieeintrag kann lokal bezüglich des Untersuchungsvolumens wie auch global bezüglich des Untersuchungsobjekts selbst nicht beliebig hoch sein, vielmehr sind im Rahmen der MR-Untersuchung Grenzwerte zu berücksichtigen, um den Patienten nicht zu stark zu belasten. Dabei betrifft die lokale spezifische Absorptionsrate (SAR) den lokalen Energieeintrag pro Gewichtseinheit und wird angegeben als Verlustleistungsdichte pro Kilogramm Gewicht, während die globale Absorptionsrate die Summe der lokalen Absorptionsraten über das gesamte Untersuchungsobjekt darstellt. Beispielsweise kann die globale Absorptionsrate unterhalb des Grenzwertes liegen, während die lokale Absorptionsrate in einem bestimmten Punkt des Untersuchungsvolumens den Grenzwert überschreitet und es zu einer lokalen Verbrennung des Patienten kommen kann.

Dem Ziel eines möglichst homogenen Anregungsmagnetfelds steht also das Problem der Patientenbelastung entgegen, die bei Anregung mit einem vorbestimmten Anregungsparametersatz, der zu einem sehr homogenen Magnetfeld führen würde, die Aufnahmemöglichkeiten begrenzt.

Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung eines homogenen hochfrequenten Magnetfelds anzugeben, das einerseits eine sehr gute Homogenisierung der Feldverteilung innerhalb eines räumlichen Untersuchungsvolumens zulässt, gleichzeitig aber auch die Belastung des Patienten reduziert.

Zur Lösung dieses Problems sollen die in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen vorgenommen werden. Demgemäß ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Resonatorsegmente innerhalb einer Anregungssequenz zeitlich sequentiell unter Verwendung unterschiedlicher Anregungsparametersätze angeregt werden. Die Anregungsparametersätze sollen dabei Phasenverteilungen der Kernmagnetisierungsverteilungen im Untersuchungsvolumen aufweisen, die konstruktiv zu einer resultierenden (zumindest weitgehend) homogenen Gesamtkernmagnetisierungsverteilung überlagern. Eine konstruktive Überlagerung bedeutet dabei, dass die Kernmagnetisierung, was gleichbedeutend ist mit dem Flipwinkel, an jedem Ort des Untersuchungsvolumens mit jedem weiteren Anregungspuls, die durch unterschiedliche Anregungsparametersätze gekennzeichnet sind, schrittweise additiv aufgebaut wird, um letztlich die gewünschte, im Rahmen der konkreten experimentellen Möglichkeiten mit entsprechender Genauigkeit erreichbare, also zumindest weitgehend homogene Gesamtkernmagnetisierung zu erhalten. Eine im Wesentliche gleiche Phasenverteilung der Kernmagnetisierung bzw. des Flipwinkels im Untersuchungsvolumen ist Voraussetzung für die Möglichkeit der konstruktiven – also schrittweise additiven – Überlagerung der sequentiell angewendeten Anregungspulse, die unterschiedliche Anregungsparametersätze aufweisen. Es ergibt sich so eine im Wesentlichen – d.h. im Rahmen der konkreten experimentellen Möglichkeiten mit entsprechender Genauigkeit – gleiche Phasenverteilung des resultierenden Flipwinkels der präzedierenden Kernmagnetisierung im Untersuchungsvolumen.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Anregung während der gesamten Anregungszeit nicht anhand eines einzelnen Anregungsparametersatzes vorzunehmen, sondern hierfür mehrere zu verwenden. Die Anregung erfolgt zeitlich sequentiell unter Verwendung der unterschiedlichen Anregungsparameter, das heißt, die gesamte Anregungssequenz wird in eine beliebige Vielzahl unterschiedlicher Zeitfenster gestückelt, wobei innerhalb jedes Zeitfensters mit einem anderen Anregungsparametersatz im Vergleich zum vorherigen Zeitfenster angeregt wird. Es erfolgt also eine Subpuls-Anregung anstelle der im Stand der Technik bekannten Anregung mit nur einem Puls mit definierten Anregungsparametersatz, der während des gesamten Anregungszyklus beibehalten wird.

Nachdem sich zu jedem Anregungsparametersatz ein unterschiedliches Magnetfeld aufbaut, ist folglich der jeweilige lokale Energieeintrag in das Untersuchungsvolumen unterschiedlich. Nachdem sich aber die Orte des lokalen Energieeintrags mit jedem neuen verwendeten Anregungsparametersatz, also von Subpuls zu Subpuls, ändern, kommt es während der gesamten Anregungssequenz nicht dazu, dass sich lokal betrachtet eine zu starke Erwärmung einstellt und es zu lokalen Verbrennungen kommen kann. Das heißt, der einzelne lokale Energieeintrag während der sehr kurzen Anregungsdauer mit einem bestimmten Parametersatz ist sehr gering und eben nicht ausreichend, um zur beschriebenen unzulässigen Erwärmung zu führen. Dies wird durch den hochfrequenten Wechsel der Anregungsparametersätze vermieden. Hieraus folgt, dass die Verlustleistung minimiert werden kann, das heißt, die Hochfrequenz-Belastungsgrenzwerte des Patienten können während der gesamten Anregung wesentlich ausgeschöpft werden, um z.B. zu einer schnelleren Bilderfassung zu gelangen.

Der Flipwinkel baut sich schrittweise bis zum maximal gewünschten resultierenden Flipwinkel auf, damit einhergehend baut sich auch die Magnetisierung schrittweise auf, die einzelnen Felder, die mit jedem einzelnen Anregungssatz erzeugt werden, überlagern einander. Nachdem Anregungsparametersätze verwendet werden, die Phasenverteilungen der Kernmagnetisierungsverteilungen im Untersuchungsvolumen aufweisen, die sich konstruktiv zur resultierenden Gesamtkernmagnetisierung im Untersuchungsvolumen überlagern, wird trotz unterschiedlicher Anregungsparametersätze eine praktisch homogene Flipwinkel-Amplitudenverteilung und damit ein homogenes Feld aufgebaut, jedoch mit einer deutlich geringeren lokalen SAR-Belastung.

Wie beschrieben sollte die Auswahl der verwendeten Unterschiedlichen Anregungsparametersätze derart sein, dass die Phasenverteilung des Flipwinkels im Gesamtgebiet der kombinierten Sätze übereinstimmt, mithin also ein konstruktives Zusammenspiel erreicht wird, so dass es wiederum zu einer homogenen Flipwinkel-Amplitudenverteilung kommt. Gleichzeitig sollten die sich überlagernden, parametersatzspezifischen Einzelfelder ihrerseits eine möglichst homogene Magnetfeldverteilung, jedoch unterschiedliche SAR-Verteilungen aufweisen. Infolgedessen werden die zu verwendenden Anregungsparametersätze zweckmäßigerweise in Abhängigkeit der Homogenität des satzspezifischen Magnetfelds ausgewählt. Das heißt, es erfolgt zunächst eine Erfassung der Homogenität des einem Anregungsparametersatz zugrunde liegenden erzeugten Feldes bezogen auf das Untersuchungsvolumen, wonach aus der Gesamtschar der Anregungsparametersätze diejenigen ausgewählt werden, die möglichst homogen sind, und die hinsichtlich der Flipwinkel-Phasenverteilung eingesetzt werden können.

Die Auswahl der verwendbaren Amplituden-Phasen-Sätze kann besonders vorteilhaft mit einem Verfahren, wie es in der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 103 50 069.3 beschrieben ist, erfolgen. Dort ist ein Optimierungsverfahren zur Erzeugung von Amplituden-Phasen-Sätzen, die zu einem sehr homogenen hochfrequenten Magnetfeld führen, beschrieben, das nach einer ersten Erfindungsausgestaltung vorsieht, bei in der Anlage befindlichem Objekt zunächst separat alle einzelnen Resonatorsegmente anhand definierter Anregungsparameter anzuregen und die jeweilige segmentspezifische Magnetfeldverteilung im Untersuchungsvolumen zu bestimmen, wonach eine rechnerische Überlagerung der segmentspezifischen Magnetfeldverteilungen zur Ermittlung der Gesamtfeldverteilung im Untersuchungsvolumen erfolgt, welche Gesamtfeldverteilung anschließend hinsichtlich der Homogenität anhand eines Bewertungsalgorithmus bewertet wird und anschließend eine Ermittlung etwaige Änderungen eines oder mehrerer Anregungsparameter eines oder mehrerer Resonatorsegmente zum Ausgleich einer festgestellten Feldinhomogenität erfolgt. Neben der realen Anregung der Resonatorsegmente bei eingebrachtem Untersuchungsobjekt kann eine entsprechende Parametersatzerzeugung auch auf Basis einer Simulation der sich ergebenden segmentspezifischen Magnetfeldverteilungen zu den einzelnen Resonatorsegmenten bei einer angenommenen separaten Anregung jedes einzelnen Resonatorsegments mit definierten Anregungsparametern seitens einer Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung unter Verwendung eines Simulationsmodels der Magnetresonanzanlage und des Untersuchungsobjekts erfolgen, wobei auch in diesem Fall die simulierten Feldverteilungen überlagert und ein Gesamtfeld ermittelt wird, das anschließend hinsichtlich der Homogenität bewertet wird und zu dem gegebenenfalls Änderungen hinsichtlich der Anregungsparameter ermittelt werden.

Auf diese Weise kann also eine beachtlich große Schar von unterschiedlichen Anregungsparametersätzen mit unterschiedlichen Amplituden-Phasen-Kombinationen, die jeweils zu unterschiedlichen Feldern führen, erfasst werden, aus denen dann in Abhängigkeit der jeweiligen satzspezifischen Feldhomogenität diejenigen Amplituden-Phasen-Sätze ausgewählt werden, die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden.

Nach einer ersten Erfindungsausgestaltung ist es möglich, das jeweilige Untersuchungsvolumen in seiner Gesamtheit auf Basis des jeweils zeitlich innerhalb der gesamten Anregungsfrequenz verwendeten Anregungsparametersatzes anzuregen. Eine Erfindungsalternative sieht dem gegenüber vor, dass das Untersuchungsvolumen in mehrere Subvolumina unterteilt wird, wobei für jedes Subvolumen mehrere zur sequentiellen Ansteuerung der Resonatorsegmente zu verwendende unterschiedliche Anregungsparametersätze verwendet werden. Es erfolgt gemäß dieser Erfindungsausgestaltung also eine zusätzliche Aufspaltung des Untersuchungsvolumens in zwei oder mehr Subvolumina, wobei jedem Subvolumen eine Anzahl unterschiedlicher Anregungsparametersätze, deren Eigenschaften jedoch die gleichen sind wie oben beschrieben (nämlich einander entsprechende Feldhomogenität sowie übereinstimmende Phasenverteilung des Flipwinkels, dann aber im Subgebiet), zugeordnet ist. Für jedes Subgebiet können also auch hier beispielsweise auch auf Basis des oben beschriebenen Optimierungsverfahrens aus der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 103 50 069.3 eine Anzahl von Sätzen ermittelt werden, die zum einen eine möglichst große Flipwinkelamplitudenverteilung im jeweiligen Subgebiet erreichen lassen, um möglichst effizient innerhalb der zur Verfügung stehenden Zeit anzuregen und um möglichst schnell den schrittweisen Aufbau des Flipwinkels und damit der Magnetisierung zu erzielen, und die zu einer weitgehend homogenen Flipwinkel-Amplitudenverteilung im Subgebiet führen, wobei auch hier die Flipwinkel-Phasenverteilung im gesamten Untersuchungsvolumen derart sein sollte, dass eine konstruktive Überlagerung der Kernmagnetisierungen erzielt wird. Das heißt, es wird zunächst eine Parametersatzschar ermittelt, deren Flipwinkelamplitude im jeweiligen Subgebiet möglichst groß ist, sowie deren Flipwinkel-Amplitudenverteilung im jeweiligen Subgebiet im Wesentlichen (soweit wie experimentell möglich) homogen ist, aus welcher Satzschar anschließend diejenigen ausgewählt werden, die sich durch weitgehend übereinstimmende Flipwinkel-Phasenverteilung im Gesamtgebiet und vornehmlich eine geringe Verlustverteilung auszeichnen.

Anhand der hierüber ermittelten Parametersätze werden nun die einzelnen Subpulse unter zeitlich sequentieller, also nacheinander folgender Verwendung der ermittelten unterschiedlichen, subvolumenspezifischen Sätze gegeben, wobei sich die einzelnen Flipwinkel und damit die lokalen Subvolumenfelder ergänzen, so dass sich im Gesamtvolumen eine homogene Magnetisierung aufbaut. Die Unterteilung in Subgebiete erleichtert dabei die Homogenisierung, das heißt die Zahl existierender (und z.B. mit dem Optimierungsverfahren aus der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 103 50 069.3) ermittelbaren Amplituden-Phasen-Sätze mit befriedigender Homogenität steigt beträchtlich. Aus dieser großen Anzahl kann nun eine Vielzahl von Sätzen gefunden werden, die sich durch geringen Leistungsbedarf auszeichnen, die also besonders effizient die Magnetisierung im Subgebiet aufbauen. Die Kombination derart ausgewählter Sätze führt nun zu einem besonders geringen Gesamtleistungsbedarf, wenn ein weitgehend phasenrichtiger, konstruktiver Beitrag zur Erhöhung des Flipwinkels jedes Subpulses im Gesamtgebiet erreicht wird. Die Erfassung der relevanten, zu verwendenden Sätze, egal ob nun eine Gesamtvolumen- oder eine Subvolumenanregung erfolgt, erfolgt über die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung der Magnetresonanzanlage, die hierfür entsprechende Erfassungs- und Auswertungsalgorithmen aufweist.

Bei einer Subvolumen-Anregung kann es weiterhin zweckmäßig sein, wenn die Amplitude eines zu verwendenden Anregungsparametersatzes und/oder die Anregungsdauer unter Verwendung eines Anregungssatzes und die Phasenverschiebung eines zu verwendenden Anregungsparametersatzes derart bestimmt werden, dass sich im gesamten Untersuchungsvolumen eine im Wesentlichen homogene Flipwinkel-Amplitudenverteilung ergibt. Es erfolgt also nach Bestimmung der zu verwendenden Parametersätze nochmals mit einem weiteren Optimierungsalgorithmus beispielsweise eine Anpassung der Pulsstärke, also beispielsweise eine Änderung der Amplitude aller Ansteuersignale eines Satzes um einen gemeinsamen Faktor und/oder eine Verlängerung der Pulsdauer und beispielsweise auch eine Phasenverschiebung für die zeitlich aufeinander folgende Ansteuerung der Resonatorsegmente mit den ausgewählten Amplituden-Phasen-Sätzen derart, dass sich eine homogene Flipwinkel-Amplitudenverteilung im Gesamtgebiet einstellt.

Für beide Anregungsvarianten, nämlich die Anregung des gesamten Volumens oder die Subvolumen-Anregung, ist entscheidend, dass die Phasenverteilungen der ausgewählten Sätze innerhalb des zu optimierenden Gesamtgebiets weitgehend übereinstimmen, um nach jedem Subpuls einen weiteren positiven Zuwachs im Flipwinkel an jedem Ort des Gesamtgebiets, auch wenn sich dieses aus Subgebieten zusammensetzt, zu erhalten.

Insgesamt kann unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Verlusteintrag in den Patienten lokal (bei einer Anregung des gesamten Volumens) beziehungsweise lokal und global (bei einer Anregung des Gesamtvolumens über Subvolumina) verringert werden. Die zur Erreichung eines vorgegebenen Flipwinkels verminderte HF-Belastung des Patienten kann unter Ausschöpfung der SAR-Belastungsgrenzwerte zur Anpassung von Bildaufnahmesequenzen z.B. für eine schnellere Bilderfassung besser genutzt werden.

Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung ferner eine Magnetresonanzanlage mit einer Steuerungs- und Auswerteeinrichtung, ausgebildet zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung einer Magnetresonanzanlage,

2 eine Prinzipdarstellung eines Schnitts durch eine Körperspule,

3 eine Darstellung der zeitlichen Ansteuerung der Körperspule aus 2 mit n Subpulsen mit jeweils unterschiedlichen Anregungsparametersätzen innerhalb der gesamten Anregungssequenz,

4 eine Prinzipdarstellung der Überlagerung der pulsspezifischen Einzelfelder zu einer Gesamtanregung im Untersuchungsvolumen, und

5 eine Prinzipdarstellung des Aufbaus der Magnetisierung im gesamten Untersuchungsvolumen bei separater Anregung der Magnetisierung in Subvolumina.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage, die einen Untersuchungsbereich 1 aufweist. Mittels einer Patientenliege 2 ist ein Untersuchungsobjekt 3, hier ein Mensch, in den Untersuchungsbereich 1 einbringbar. Der Untersuchungsbereich 1, in dem das Untersuchungsvolumen liegt, wird mittels eines Grundfeldmagneten 4 mit einem Grundmagnetfeld beaufschlagt. Das Grundmagnetfeld ist zeitlich konstant (statisch) und örtlich so homogen wie möglich. Es weist eine magnetische Feldstärke auf, die vorzugsweise 3 T oder mehr beträgt.

Der Grundfeldmagnet 4 ist vorzugsweise supraleitend ausgebildet. Es sind somit keine weiteren Ansteuerungen durch eine Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 5, über die der Anlagenbetrieb gesteuert wird, erforderlich.

Die Magnetresonanzanlage weist ferner ein Gradientensystem 6 auf, mittels dem der Untersuchungsbereich 1 mit Gradientenmagnetfeldern beaufschlagbar ist. Das Gradientensystem 6 ist von der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 5 ansteuerbar, so dass im Gradientensystem 6 Gradientenströme fließen.

Ferner weist die Magnetresonanzanlage eine Körperspule 7 auf, der in der Regel eine Doppelfunktion zukommt. Sie dient als Sendeantenne zur Felderzeugung und als Empfangsantenne zur Aufnahme von Signalen. Die Körperspule 7 ist von der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 5 ansteuerbar, so dass in ihr entsprechende Anregungsströme gemäß den Anregungsparametern, wie sie in der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 5 vorliegen, fließen.

Mittels der Körperspule 7 ist das im Untersuchungsbereich 1 liegende Untersuchungsvolumen mit einem hochfrequenten Anregungsmagnetfeld beaufschlagbar. Falls in den Untersuchungsbereich 1 das Untersuchungsobjekt 3 eingebracht ist, ist dieses somit zur Magnetresonanz anregbar. Die so erzeugten Magnetresonanzsignale werden dann im gezeigten Anlagenbeispiel über die Körperspule 7, die dann als Empfangsantenne arbeitet, aufgenommen: Die empfangenen Magnetresonanzimpulse werden der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 5 zugeführt und von dieser zur Erzeugung des Magnetresonanzbilds ausgewertet, das an einem nicht näher gezeigten Monitor ausgegeben wird.

Die Qualität der Magnetresonanzbilder hängt unter anderem von der Homogenität des über die Körperspule 7 erzeugten Anregungsmagnetfelds ab. Um ein hinsichtlich der Homogenität optimales Anregungsmagnetfeld erzeugen zu können, sind die einzelnen Resonatorsegmente 8 der Körperspule 7 separat ansteuerbar, das heißt jedes Resonatorsegment ist separat zur Felderzeugung ansteuerbar.

Wie 2 zeigt besteht eine Körperspule 7 aus einer Vielzahl einzelner Resonatorsegmente, im gezeigten Ausführungsbeispiel sind sechzehn Resonatorsegmente 8 vorgesehen. Jedes Resonatorsegment besteht aus wenigstens einer Kapazität 9 sowie einem Leiterelement 10, das beispielsweise parallel zur Längsachse des Grundfeldmagneten 4 verläuft. Ein Leiterelement ist zweckmäßigerweise als Bandleiter ausgebildet. Die Resonatorsegmente 8 sind so angeordnet, dass sie den Untersuchungsbereich 1 umgeben.

Damit die Resonatorsegmente 8 separat angesteuert werden können, ist es erforderlich, sie elektromagnetisch voneinander zu entkoppeln. Dies kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Es sei hier exemplarisch auf EP 1 279 968 A2 verwiesen, wo verschiedenen Entkopplungsmöglichkeiten beschrieben sind, die auch bei der erfindungsgemäßen Magnetresonanzanlage – wenngleich hier nicht im Detail beschrieben – vorgesehen werden können.

3 zeigt als Prinzipdarstellung den zeitlichen sequentiellen Ansteuerungsmodus, wie er erfindungsgemäß vorgeschlagen ist. Aufgetragen ist die Zeitachse, dargestellt ist ein gesamter Anregungszyklus, gekennzeichnet durch die Start- und Endzeitpunkte t0 und tn, der in n Zeitfenster unterteilt ist. In Zeitpunkt t0 wird mit einem ersten Anregungsparametersatz S1 die Anregung der Resonatorsegmente der Körperspule, wie sie 2 zeigt, durchgeführt. Die Dauer dieser Subpulsanregung ist relativ kurz und endet im Zeitpunkt t1, wonach die Anregung unter Verwendung eines anderen Anregungsparametersatzes S2, der zu einer ähnlichen Feldhomogenität wie der Parametersatz S1 führt, dem jedoch andere Anregungsparameter zugrunde liegen, fortgesetzt wird. Der Subpuls S2 liegt bis zum Zeitpunkt t2 an, wonach zum Anregungsparametersatz S3 gewechselt wird, der der Anregung zugrunde liegt. Auf diese Weise setzt sich die Anregung unter Verwendung jeweils unterschiedlicher Anregungsparametersätze bis zum Einsatz des letzten Parametersatzes Sn fort, der bis zum Zeitpunkt t0 der Anregung zugrunde liegt, wonach die Anregung insgesamt beendet wird.

An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass die Anregungsparametersätze nicht allesamt unterschiedlich sein müssen. Es ist auch denkbar, Parametersätze des Öfteren zu verwenden. Wichtig ist aber in jedem Fall, dass ein hinreichend häufiger Wechsel und eine hinreichende Anzahl unterschiedlicher Parametersätze verwendet wird, da jeder Parametersatz zwar lokale Verlustleistungen in das Untersuchungsgebiet einbringt, diese aber lokal unterschiedlich liegen, so dass sie während des gesamten Zyklus nicht zusammenfallen und sich nicht verstärken und es zu lokal unzulässigen Energieeinträgen kommt.

Wie 3 ferner zeigt, ist es nicht erforderlich, dass die Dauer der einzelnen Subpulse jeweils gleich ist. Es ist auch denkbar, dass der eine oder andere Subpuls kürzer oder länger als ein vorausgehender Subpuls ist.

Die Wirkungsweise der unterschiedlichen Anregungsmodalitäten lässt sich anhand der 4 und 5 prinzipiell darstellen. Dem liegt der Grundgedanke zugrunde, dass der Flipwinkel schrittweise aufgebaut wird, wozu die einzelnen Subpulse dienen, deren Phasenverteilung im zu optimierenden Gesamtgebiet weitgehend übereinstimmt.

Dem liegen folgende physikalische Zusammenhänge zugrunde: Bei einer Magnetresonanzuntersuchung sorgt ein starkes Grundmagnetfeld mit der magnetischen Flussdichte B0 (z.B. 1,5 T oder 3 T) für die Präzision der kernmagnetischen Momente mit der Lamor-Frequenz&ohgr;. Dabei gilt: &ohgr; = &ggr;·B0, wobei &ggr; das gyromagnetische Verhältnis bezeichnet.

Gemittelt über die magnetischen Kernmomente in einem Volumenelement wird hierdurch eine Nettomagnetisierung M0 erreicht, die ebenfalls mit der Lamor-Frequenz präzediert. Im thermischen Gleichgewicht ist M0 parallel zu B0 gerichtet. Wird nun ein magnetisches hochfrequentes Wechselfeld, das gemäß vorliegender Erfindung möglichst homogen erzeugt werden soll, mit der Flussdichte B1 angelegt, das mit der Lamor-Frequenz (in Resonanz) schwingt und für ein Zeitintervall &Dgr;t einwirkt, wird der Magnetisierungsvektor gegen die B0 Feldrichtung um einen Winkel &agr; ausgelenkt. Den Winkel &agr; bezeichnet man als Flipwinkel. Befindet man sich in einem mit der Lamor-Frequenz um die B0-Feldrichtung rotierende Koordinatensystem, so gilt für die zeitliche Änderung der Magnetisierung M:

Ist B1 konstant für das Zeitintervall &Dgr;t, so gilt für den Flipwinkel &agr;: &agr; = &ggr;·B1·&Dgr;t, wobei B1 der Betrag ist.

Der Flipwinkel &agr; ist der Winkel zwischen dem Magnetisierungsvektor M und dem B0-Vektor. Die Flussdichte B1 weist eine räumliche Verteilung über das Untersuchungsvolumen auf. Sowohl die Amplitude als auch der Phasenwinkel sind ortsabhängig. Damit werden an verschiedenen Punkten a und b im Untersuchungsvolumen nach Einwirken des B1-Feldes für die Dauer &Dgr;t unterschiedliche Magnetisierungen Ma und Mb erhalten.

Als Flipwinkelamplitude ist der Winkel der Magnetisierung Ma beziehungsweise Mb zum B0-Feldvektor gemeint. Als Phase des Flipwinkels ist der Winkel der Projektion von M auf die Vertikalebene zum B0-Feldvektor gemeint. Legt man ein Koordinatensystem zugrunde, so würde der B0-Feldvektor in Richtung der z-Achse gerichtet sein, senkrecht hierzu liegen die x- und die y-Achse, die die x-y-Ebene aufspannen. Das heißt, die Flipwinkelamplitude wäre der Magnetisierungswinkel zur z-Achse, während die Phase des Flipwinkels der Winkel der Projektion der jeweiligen Magnetisierung in den jeweiligen Punkten auf die x-y-Ebene mit der x-Achse ist. Da beide Winkel ortsabhängig sind, wird sowohl eine Flipwinkelverteilung (Amplitude des Flipwinkels) als auch eine Phasenwinkelverteilung des Flipwinkels erhalten.

Erfindungsgemäß wird aufgrund der Subpulsanregung die Flipwinkelverteilung schrittweise aufgebaut, das heißt, der Flipwinkel baut sich von Puls zu Puls stärker auf. Insgesamt ergibt sich die Flipwinkelverteilung &agr;(r) nach einer zeitlich sequentiellen Ansteuerung mit den Sätzen Sn mit einer Pulsdauer &tgr;n und der Phasenverschiebung &phgr;n wie folgt:

4 zeigt als Prinzipskizze den Aufbau der Magnetisierung, der ein schrittweiser Aufbau des Flipwinkels zugrunde liegt, anhand dreier exemplarischer Einzelpulse. Gezeigt ist ein Patient 3 sowie ein Untersuchungsvolumen U, in dem eine möglichst homogene Magnetisierung erzeugt werden soll. Das Magnetfeld wird natürlich auch im sonstigen Bereich des Patienten 3 erzeugt, nachdem die Bildaufnahmen jedoch im Untersuchungsvolumen erfolgen sollen, ist auch nur dort eine homogene Magnetisierung erforderlich.

Wird nun der erste Subpuls S1 angelegt, so baut sich eine erste Magnetisierung M1 im Untersuchungsvolumen U auf. Gezeigt sind ferner lokale Erwärmungsgebiete 11, sogenannte Hot Spots, also Gebiete hohen Energieeintrags und damit hoher lokaler Verlustleistung, die bezüglich der lokalen SAR-Belastung von Relevanz sind.

Nach Ablauf der Anregungszeit t1 wird mit dem Subpuls S2, dem ein anderer Parametersatz zugrunde liegt, angeregt. Es ergibt sich die Gesamtmagnetisierung M2, die wie durch die zunehmende Strichelung dargestellt ist, stärker als die mit dem Subpuls S1 erhaltene Magnetisierung ist. Dies wird aufgrund der konstruktiven Feldüberlagerung und der konstruktiven Addition der Flipwinkelzunahme erreicht. Der Subpuls S2 führt wiederum zu lokalen Energieeinträgen 12, jedoch liegen diese ersichtlich an anderen Stellen, sie fallen also nicht mit den Energieeinträgen 11 zusammen. Das heißt, sie verstärken einander nicht, der lokale Energieeintrag ist jeweils deutlich niedriger als es belastungsmäßig zulässig ist.

Nach Ablauf der Anregung mit dem Subpuls S2 wird die Anregung mit dem Subpuls S3 weitergeführt, die Gesamtmagnetisierung M3 verstärkt sich weiter. Auch diesem Subpuls sind wiederum pulsspezifische lokale Energieeintragszentren zweigen, die ersichtlich wiederum an anderen Stellen liegen als die von den Subpulsen S1 und S2 herrührenden Einträge.

Über diese subpulsweise Anregung kann die Gesamtmagnetisierung im Untersuchungsvolumen U schrittweise aufgebaut werden, ohne dass es zu lokal unzulässig hohen Energieeinträgen kommt.

5 zeigt in Form einer Prinzipdarstellung die sequentielle Anregung einzelner Subgebiete des Untersuchungsvolumens zur Ausbildung einer Gesamtmagnetisierung. Gezeigt ist auch hier der Patient 3 sowie das Untersuchungsvolumen U, das in mehrere, im gezeigten Beispiel 3 Subvolumina SU1, SU2 und SU3 unterteilt ist.

Mit dem ersten Subpuls S1 erfolgt die Anregung im Subvolumen SU1, gezeigt sind ferner die dem Subpuls S1 zugeordneten Orte hohen lokalen Energieeintrags 11. Die Anregung des Subgebiets SU2 erfolgt mit dem Subpuls S2, auch hier baut sich eine subgebietsspezifische Magnetisierung auf, wie durch die Strichelung dargestellt ist. Auch diesem Subpuls S2 sind pulsspezifische Zentren hohen Energieeintrags 12 zugeordnet. Im Subgebiet SU3 wird die Magnetisierung schließlich über den Subpuls S3 aufgebaut, wie durch die Strichelung dargestellt ist. Gezeigt sind ferner die dem Subpuls S3 zugeordneten Zentren hohen Energieeintrags 13.

Jeder Subpuls baut also eine transversale Magnetisierung auf, das heißt, er führt zu einem von der Anregung abhängigen Flipwinkel in einem der Subgebiete. Gleichzeitig führt er zu Zentren hoher lokaler Verlustleistung, die innerhalb und außerhalb des Untersuchungsvolumens U liegen können. Durch die Kombination der verschiedenen Subpulse wird die Magnetisierung nun im gesamten Untersuchungsvolumen U aufgebaut, wie durch die untere Darstellung gezeigt ist, bei der die Einzelmagnetisierungen der Subpuls-spezifischen Anregungen zusammengefasst dargestellt sind. Ersichtlich fallen aber die Orte lokalen Energieeintrags auch hier nicht zusammen und verstärken sich nicht.

Die 5 zeigt die Verwendung lediglich eines Einzelpulses für jeweils ein spezifisches Subvolumen. Die weitere Anregung erfolgt in jedem Subgebiet wie vorher beschrieben weiterhin sequentiell, das heißt, das Gebiet SU1 wird anschließend mit einem anderen Subpuls angeregt, entsprechendes gilt für die anderen Subvolumina. Schließlich ist darauf hinzuweisen, dass natürlich die jeweilige Gebietsanregung nicht scharf abgegrenzt erfolgt, vielmehr baut jeder Subpuls auch außerhalb des ihm zugeordneten Subvolumens eine transversale Magnetisierung auf. Nachdem aber die Subpulse so gewählt sind, dass die Flipwinkelamplitudenverteilung in jedem Subgebiet ähnlich ist, stellt sich eine Gesamtmagnetisierung im Untersuchungsvolumen ein, die äußerst homogen ist.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Erzeugen einer homogenen Magnetisierung in einem räumlichen Untersuchungsvolumen einer Magnetresonanzanlage im Rahmen einer Objektuntersuchung, welche Magnetresonanzanlage eine Körperspule bestehend aus mehreren Resonatorsegmenten und eine Steuerungs- und Auswerteeinrichtung zum separaten Ansteuern der einzelnen, voneinander elektromagnetisch entkoppelten Resonatorsegmente entsprechend einem Satz vorgegebener segmentspezifischer Anregungsparameter aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorsegmente innerhalb einer Anregungssequenz zeitlich sequentiell unter Verwendung unterschiedlicher Anregungsparametersätze mit Phasenverteilungen der Kernmagnetisierungsverteilungen im Untersuchungsvolumen, die konstruktiv zu einer resultierenden homogenen Gesamtkernmagnetisierungsverteilung im Untersuchungsvolumen überlagern, angeregt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verwendenden Anregungsparametersätze in Abhängigkeit der Homogenität des satzspezifischen Magnetfelds ausgewählt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersuchungsvolumen in mehrere Subvolumina unterteilt wird, wobei für jedes Subvolumen mehrere zur sequentiellen Ansteuerung der Resonatorsegmente zu verwendende unterschiedliche Anregungsparametersätze verwendet werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verwendenden Anregungsparametersätze derart gewählt werden, dass die Flipwinkelamplituden im jeweiligen Subgebiet möglichst groß und/oder die Flipwinkel-Amplitudenverteilungen im jeweiligen Subgebiet homogen sind, und deren Flipwinkel-Phasenverteilungen im gesamten Untersuchungsvolumen die konstruktive Überlagerung erlauben.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude eines zu verwendenden Anregungsparametersatzes und/oder die Anregungsdauer unter Verwendung eines Anregungssatzes und die Phasenverschiebung eines zu verwendenden Anregungsparametersatzes derart bestimmt werden, dass sich im gesamten Untersuchungsvolumen eine zumindest weitgehend homogene Flipwinkel-Amplitudenverteilung ergibt.
  6. Magnetresonanzanlage mit einer Steuerungs- und Auswerteeinrichtung, ausgebildet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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