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Dokumentenidentifikation DE102006026542B3 03.01.2008
Titel Verfahren zur Bilderzeugung mittels magnetischer Kernresonanz
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Ritter, Dieter, Dr., 90762 Fürth, DE
DE-Anmeldedatum 07.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006026542
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse G01R 33/56(2006.01)A, F, I, 20060607, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01R 33/565(2006.01)A, L, I, 20060607, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bilderzeugung mittels magnetischer Kernresonanz, mit den folgenden Schritten:
- Aufnehmen eines ersten MR-Rohdatensatzes mit einer ersten Auflösung im k-Raum,
- Aufnehmen zumindest eines weiteren Rohdatensatzes mit einer Auflösung im k-Raum, die gegenüber dem ersten Rohdatensatz reduziert ist,
- Transformation der aufgenommenen Rohdatensätze in den Ortsraum zur Erzeugung von verschiedenen Bilddaten,
- Mittelung der verschiedenen Bilddaten zur Erzeugung eines gemittelten Bilddatensatzes, und
- Darstellen des gemittelten Bilddatensatzes als MR-Bild.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Magnetresonanzanlagen (bzw. Magnetresonanztomographen) wie sie in der Medizin zur Untersuchung von Patienten Anwendung finden. Die Magnetresonanztomographie basiert auf dem physikalischen Phänomen der magnetischen Kernresonanz und wird als bildgebendes Verfahren in der Medizin und in der Biophysik erfolgreich eingesetzt. Die im Körper vorhandenen Wasserprotonen bzw. ihre Kernseins richten sich in einem starken konstanten Magnetfeld aus. Durch Einstrahlung eines Hochfrequenzpulses können diese Kernseins aus der Gleichgewichtslage gebracht werden, wobei sie mit ihren Relaxationszeiten wieder in diese Gleichgewichtslage relaxieren. Diese Relaxationsphänomene können mit geeigneten Empfangsspulen aufgenommen werden. Die Ortsauflösung erfolgt durch Schaltung von zusätzlichen Strömen in so genannten Gradientenspulen zur Erzeugung von Magnetfeldgradienten, wodurch die Präzessionsfrequenz der Seins sich in Abhängigkeit des Ortes ändert.

Die Aufnahme der Daten in der Magnetresonanztomographie erfolgt im so genannten k-Raum bzw. Fourierraum. Das vom Arzt betrachtete Magnetresonanzbild (MR-Bild) wird mit Hilfe der Fourier-Transformation der MR-Rohdaten im k-Raum erhalten.

Zur Ortskodierung eines untersuchten Objekts werden zumeist Gradienten in allen drei Raumrichtungen geschalten. Man unterscheidet hierbei üblicherweise den Schichtselektionsgradienten, den Phasenkodiergradienten und den Gradienten währenddessen die Signalauslese erfolgt.

Um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis in MR-Bildern zu verbessern ist es beispielsweise bekannt, eine bestimmte Messsequenz, das heißt eine bestimmte Abfolge von Gradientenschaltungen mit HF-Einstrahlungspulsen, identisch zu wiederholen und schließlich die Signale der beiden Messungen zu mitteln, um so ein gemitteltes MR-Bild darzustellen, das ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis hat. Dies führt jedoch zu erheblich längeren Aufnahmezeiten.

US 6,448,771 B1 beschreibt ein Verfahren zur Bilderzeugung mit Hilfe der magnetischen Kernresonanz, bei dem ein abgeändertes SENSE-Verfahren beschrieben wird, bei dem der k-Raum in unterschiedliche Bereiche unterteilt wird, ein erster Bereich in dem äußeren k-Raum Zeilen mit geringerer Aufnahmedichte und ein innerer Bereich des k-Raumes mit höherer Aufnahmedichte, wobei MR-Bilder unterschiedlicher Auflösung kombiniert werden.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bilderzeugung mittels magnetischer Kernresonanz bereitzustellen, bei dem das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert wird, ohne dass die Zeit für die Bildaufnahme in gleichem Maß erhöht werden muss.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung betrifft diese ein Verfahren zur Bilderzeugung mittels magnetischer Kernresonanz, das die folgenden Schritte aufweist: Zuerst wird ein erster MR-Rohdatensatz mit einer ersten Auflösung im k-Raum aufgenommen. Weiterhin wird ein weiterer Rohdatensatz im k-Raum aufgenommen, der eine Auflösung hat, die gegenüber dem ersten Rohdatensatz reduziert ist. Schließlich werden die aufgenommenen Rohdatensätze in den Ortsraum bzw. Bildraum transformiert, wobei verschiedene Bilddaten erzeugt werden. Diese verschiedenen Bilddaten werden dann zur Erzeugung eines Bemittelten Bilddatensatzes Bemittelt, und dieser gemittelte Bilddatensatz wird als MR-Bild dargestellt. Durch die Mittelung eines MR-Rohdatensatzes mit einer ersten Auflösung sowie eines MR-Rohdatensatzes mit einer zweiten Auflösung wird entweder die Aufnahmezeit gegenüber Mittelungen von gleichen MR-Rohdatensätzen reduziert oder, wenn die gleiche Aufnahmezeit wie bei üblichen Mittelungen verwendet wird, kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Auflösung des Rohdatensatzes in eine Raumrichtung reduziert, die senkrecht zur Richtung der Signalauslese ist. Durch die Reduktion der Auflösung in eine k-Raum-Richtung bei dem weiteren aufgenommenen Rohdatensatz und bei anschließender Mittelung der fouriertransformierten Bilddaten wird ein MR-Bild erhalten, dessen Ortsauflösung in die eine Richtung gleich gut ist wie bei einer Mittelung von zwei identischen Rohdatensätzen. Dafür wird in Kauf genommen, dass die Ortsauflösung in die andere Raumrichtung schlechter wird.

Vorzugsweise werden mehrere MR-Rohdatensätze aufgenommen, wobei jeweils die Auflösung eines Rohdatensatzes gegenüber der Auflösung des zuvor aufgenommenen Rohdatensatzes reduziert wird. Vorzugsweise wird die Auflösung eines Rohdatensatzes zum nächsten Rohdatensatz im Wesentlichen halbiert. Dies bedeutet, dass bei jedem weiteren aufgenommenen MR-Rohdatensatz die Anzahl der k-Raum-Zeilen, die während einer Signalauslese ausgelesen werden, im Wesentlichen halbiert wird.

Die Anteile der Rohdaten, die bei einem Datensatz mit reduzierter Auflösung nicht aufgenommen werden, werden mit Nullen aufgefüllt bis das gleiche k-Raum-Volumen aufgenommen wurde wie beim ersten MR-Rohdatensatz. Vorzugsweise wird die Auflösung in Phasenkodierrichtung reduziert. Bei einem MR-Rohdatensatz mit reduzierter Auflösung kann dann beispielsweise die k-Raum-Zeile, die nicht aufgenommen wird, mit Nullen aufgefüllt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 schematisch ein Flussdiagramm mit den erfindungsgemäßen Schritten zur Aufnahme eines MR-Bildes mit verbessertem Signal- zu-Rausch-Verhältnis,

2 ein MR-Bild mit herkömmlicher Mittelung und ein MR-Bild mit Mittelung gemäß der Erfindung,

3 ein MR-Bild einer Kante mit einer herkömmlichen Mittelung und einer Mittelung gemäß der Erfindung,

4 das Rauschleistungsspektrum bei einer herkömmlichen Mittelung und einer Mittelung gemäß der Erfindung, und

5 eine Schätzung der relativen Modulationsübertragungsfunktion bei einem Verfahren gemäß der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik.

In 1 sind die Schritte zur Aufnahme eines MR-Bildes gemäß der Erfindung dargestellt. In einem ersten Schritt 11 wird ein erster MR-Rohdatensatz mit einer ersten Auflösung aufgenommen. In einem Schritt 12 erfolgt die Fourier-Transformation dieses Datensatzes in den Orts- bzw. Bildraum. In einem weiteren Schritt 13 wird ein weiterer Rohdatensatz aufgenommen, wobei dieser während des Schrittes 13 aufgenommene Rohdatensatz eine gegenüber dem ersten Rohdatensatz verringerte Auflösung hat. Vorzugsweise wird die Auflösung gegenüber dem ersten Rohdatensatz im Wesentlichen halbiert. Dies bedeutet, dass nur ungefähr die Hälfte des k-Raum-Volumens im Schritt 13 aufgenommen wird im Vergleich zur Aufnahme des k-Raums im Schritt 11, wodurch sich auch die Aufnahmezeit für diesen zweiten Datensatz im Wesentlichen halbiert. In Schritt 14 wird der zweite Rohdatensatz in den Bildraum fouriertransformiert. Im Schritt 15 werden dann die jeweiligen fouriertransformierten Bilddaten zu einem gemittelten Bilddatensatz addiert, bevor der gemittelte Bilddatensatz im Schritt 16 dargestellt wird. Selbstverständlich können vor Schritt 15 weitere MR-Rohdatensätze aufgenommen werden, wobei sich jeweils die Auflösung des Rohdatensatzes von einem Rohdatensatz zum nächsten im Wesentlichen halbieren kann. Der Anteil des k-Raum-Volumens, der im Vergleich mit dem ersten MR-Rohdatensatz nicht aufgenommen wurde, wird jeweils mit Nullen aufgefüllt, bis die Größe des k-Raums identisch ist zu den ersten Rohdaten. In 2 sind beispielhaft Phantombilder dargestellt. Das MR-Bild 21 ist ein MR-Bild, das mit einer herkömmlichen Mittelungsmethodik aufgenommen wurde. Dies bedeutet, dass ein MR-Bild mit einer vorbestimmten k-Raum-Auflösung zweimal aufgenommen wird und anschließend gemittelt wird. Bei dem MR-Bild 22 wurde das erfindungsgemäße Mittelungsverfahren bei gleicher Messzeit angewendet. Bei dem herkömmlichen Mittelungsverfahren gemäß Bild 21 wurden beispielsweise Gradientenechoaufnahmen eines Phantoms aufgenommen mit einer Repetitionszeit von 100 ms und einer Größe des k-Raums von 1024 × 1024. Die Aufnahmezeit eines Einzelbildes betrug für das Beispiel von 2 1:44 min. Bei dem dargestellten Bild 21 wurde ein so genanntes Averaging gleich 2 eingestellt, d.h. das gleiche Bild wurde mit identischer Auflösung noch einmal gemessen und aufsummiert, was zu einer Gesamtmesszeit von 3:28 min führt.

Bei dem in Bild 22 verwendeten Verfahren wurde ein erstes k-Raum-Volumen ebenfalls mit 1024 × 1024 Punkten im k-Raum und einer Repetitionszeit von 100 ms aufgenommen, was ebenfalls zu einer Messzeit von 1:44 min führt. In einem weiteren Schritt wurde ein zweiter MR-Rohdatensatz mit einer Auflösung von 512 × 1024 k-Raum-Punkten aufgenommen, was zu einer Messzeit von 53 s führt. Anschließend wurde ein k-Raum-Rohdatensatz mit 256 × 1024 Punkten mit einer Messzeit von 27 s aufgenommen. Danach erfolgt eine MR-Aufnahme mit. einem MR-Rohdatensatz von 133 × 1024 Punkten mit einer Messzeit von 15 s und abschließend eine Aufnahme eines MR-Rohdatensatzes mit 64 × 1024 k-Raum-Punkten mit einer Messzeit von 8 s. Wie aus dem obigen Beispiel zu erkennen ist, wurde die Auflösung in Phasenkodierrichtung jeweils halbiert. Addiert man nun die Messzeiten für die Aufnahme der Rohdaten von 1024 × 1024 bis 64 × 1024, so erhält man eine Gesamtmesszeit von 3:27 min für das in 2 dargestellte MR-Bild 22. Diese ist im Wesentlichen identisch mit der Aufnahmezeit von Bild 21. Wie aus den beiden Bildern zu erkennen ist, ist das Signal-zu-Rausch-Verhältnis im Bild 22 gemäß der vorliegenden Erfindung deutlich besser gegenüber einem Verfahren mit herkömmlicher Mittelung.

In 5 ist die relative Modulationsübertragungsfunktion (modulation transfer function) für beide Verfahren dargestellt. Die Modulationsübertragungsfunktion ist ein Maß für die Ortsauflösung, d.h. bis zu welchem Abstand können zwei Linien voneinander getrennt dargestellt werden. In Bild 5 ist die relative Modulationsübertragungsfunktion über die Ortsfrequenz von Null bis zur Nyquistfrequenz aufgetragen. Die horizontale relative Modulationsübertragungsfunktion beider Verfahren entsprechen sich in etwa. Erwartungsgemäß fällt aber die relative vertikale Modulationsübertragungsfunktion senkrecht dazu (in Phasenkodierrichtung) deutlich bis zum Bildrand des k-Raums ab. Wie aus den 2 und 5 in Zusammenschau zu erkennen ist, erhält man eine wesentliche Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses mit einem Faktor von ungefähr 2,5. Dieses verbesserte Signal-zu-Rausch-Verhältnis wird erkauft durch eine vermindere Ortsauflösung in eine Raumrichtung. Insgesamt erscheint das Bild jedoch für den Betrachter nicht entsprechend unschärfer, da die Ortsauflösung in die andere Raumrichtung gleich ist wie bei dem Vergleichsverfahren.

In 3 sind Ausschnitte aus Kantenbildern von Phantommessungen gezeigt, die die verringerte Auflösung in Phasenkodierrichtung bestätigen. Bild 31 zeigt die Kante eines Phantoms mit einer herkömmlichen Mittelung zweier identischer Rohdaten, MR-Bild 32 zeigt das gleiche MR-Bild, das mit einem Verfahren gemäß der Erfindung mit ungefähr gleicher Aufnahmezeit aufgenommen wurde. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis bzw. der Kontrast für den Betrachter ist im Bild 32 wesentlich verbessert, jedoch ist die Kante in vertikaler Richtung weicher wiedergegeben als im Vergleichsbild 31.

In 4 ist schließlich das Rauschleistungsspektrum (NPS) für eine herkömmliche Mittelung und eine Mittelung gemäß der Erfindung gezeigt. Das Rauschleistungsspektrum bei einer herkömmlichen Mittelung zeigt eine orientierungsunabhängige Verteilung des Rauschens, während hingegen bei dem Rauschleistungsspektrum gemäß der vorliegenden Erfindung eine orientierungsabhängige Verteilung des Rauschens zeigt. Ein kleineres Rauschen in vertikaler Richtung kompensiert teilweise die geringere vertikale Auflösung.

Zusammengefasst ermöglicht der multi-skalare Ansatz mit MR-Rohdaten unterschiedlicher Auflösung, die zu einem MR-Bild Bemittelt werden, eine Vergrößerung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses bei gleichbleibender Messzeit im Vergleich zu herkömmlichen Mittelungsverfahren. Das verbesserte Signal-zu-Rausch-Verhältnis wird mit einem Verlust der Ortsauflösung in eine Raumrichtung „erkauft", was jedoch für den Betrachter nicht so schwer wiegt, da die Auflösung in die andere Richtung nicht verschlechtert ist.


Anspruch[de]
Verfahren zur Bilderzeugung mittels magnetischer Kernresonanz, mit den folgenden Schritten:

– Aufnehmen eines ersten MR-Rohdatensatzes mit einer ersten Auflösung im k-Raum,

– Aufnehmen zumindest eines weiteren Rohdatensatzes mit einer Auflösung im k-Raum, die gegenüber dem ersten Rohdatensatz reduziert ist,

– Transformation der aufgenommenen Rohdatensätze in den Ortsraum zur Erzeugung von verschiedenen Bilddaten,

– Mittelung der verschiedenen Bilddaten zur Erzeugung eines gemittelten Bilddatensatzes, und

– Darstellen des gemittelten Bilddatensatzes als MR-Bild.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflösung des Rohdatensatzes in einer Raumrichtung reduziert ist, die senkrecht zur Richtung der Signalauslese ist. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere MR-Rohdatensätze aufgenommen werden, wobei jeweils die Auflösung eines Rohdatensatzes gegenüber der Auflösung des zuvor aufgenommenen Rohdatensatzes reduziert ist. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflösung in einer k-Raum Richtung reduziert ist, wobei sich die Auflösung in dieser Richtung von einem aufgenommenen Rohdatensatz zum nächsten aufgenommenen Rohdatensatz im Wesentlichen halbiert. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anteile der Rohdaten, die bei reduzierter Auflösung im k-Raum nicht aufgenommen werden, mit Nullen aufgefüllt werden, bis der gleiche Anteil im k-Raum aufgenommen wurde wie beim ersten MR-Rohdatensatz. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem MR-Rohdatensatz mit reduzierter Auflösung das k-Raum-Zentrum aufgenommen wird, und der äußere, nicht aufgenommene k-Raum mit Nullen aufgefüllt wird. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflösung in Phasenkodierrichtung bei jedem weiteren aufgenommenen Rohdatensatz reduziert wird.






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