DE102005050839B3 - Phantom for magnetic resonance imaging tomography, has set of balls, where phantom is asymmetrically formed such that orientation of phantom during formation of image is determined from image of phantom - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Phantom, das zur Kalibrierung von abbildenden Systemen eingesetzt wird, insbesondere bei Magnet-Resonanz-Abbildungssystemen zur Berechnung der räumlichen Verzerrungen.The The invention relates to a phantom used for calibration of imaging Systems, especially in magnetic resonance imaging systems to calculate the spatial Distortions.
Die Magnet-Resonanz-Tomographie (MR-Tomographie) hat sich in den letzten Jahren als bedeutendes bildgebendes Verfahren in der Medizin etabliert. MR-Abbildungssysteme, die Schnittbilder eines zu untersuchenden Objektes, insbesondere eines menschlichen Körpers oder Körperteils, unter Anwendung magnetischer Kernresonanzen erzeugen, sind an sich bekannt. Hierbei wird der zu untersuchende Körper in ein starkes homogenes statisches Magnetfeld, das sogenannte Hauptmagnetfeld, eingebracht, das in dem Körper eine Ausrichtung der Kernspins von Atomkernen, insbesondere von an Wasser gebundenen Wasserstoffatomkernen (Protonen), bewirkt. Mittels hochfrequenter Anregungspulse werden dann diese Kerne zu einer Präzessionsbewegung angeregt. Nach dem Ende eines entsprechenden Hochfrequenz(HF)-Anregungspulses präzedieren die Atomkerne mit einer Frequenz, der sogenannten Larmorfrequenz, die von der Stärke des Hauptmagnetfeldes abhängt, und pendeln sich dann nach einer vorbestimmten gewebsabhängigen Relaxationszeit wieder in die durch das Hauptmagnetfeld vorgegebene Vorzugsrichtung ein. Durch rechnerische und/oder messtechnische Analyse der integralen, hochfrequenten Kernsignale kann bezüglich einer Körperschicht aus der Verteilung der räumlichen Spindichte in Verbindung mit den Relaxationszeiten ein Bild generiert werden. Die Zuordnung des infolge der Präzessionsbewegung nachweisbaren Kernresonanzsignals zum Ort seiner Entstehung erfolgt durch Anwendung linearer Feldgradienten. Dazu werden entsprechende Gradientenfelder dem Hauptmagnetfeld überlagert und so gesteuert, dass nur in einer abzubildenden Schicht eine Anregung der Kerne erfolgt. Sowohl zur HF-Anregung der Kernspins als auch zur Detektion der Kernant wortsignale ist eine HF-Spuleneinrichtung erforderlich. Auf diesen physikalischen Effekten basierende Abbildungssysteme sind auch bekannt unter den Bezeichnungen Kernspin-Tomographie, Nuclear-Magnetic-Resonance (NMR)-Tomographie oder Magnetic-Resonance-Imaging (MRI).The Magnetic resonance tomography (MR tomography) has been in the last few years Years established as a major imaging method in medicine. MR imaging systems, the sectional images of a to be examined Object, in particular a human body or body part, generate by using nuclear magnetic resonance, are in themselves known. Here, the body to be examined in a strong homogeneous static magnetic field, the so-called main magnetic field, introduced, that in the body an alignment of the nuclear spins of atomic nuclei, in particular of Hydrogen nuclei bound to water (protons) causes. By means of high-frequency excitation pulses then these nuclei become a precession movement stimulated. After the end of a corresponding radio frequency (RF) excitation pulse precess the atomic nuclei with one frequency, the so-called Larmor frequency, those of the strength of the Main magnetic field depends and then oscillate after a predetermined tissue-dependent relaxation time again in the predetermined by the main magnetic field preferred direction one. By computational and / or metrological analysis of the integral, high-frequency nuclear signals can with respect to a body layer from the distribution of spatial Spin density in conjunction with the relaxation times generated an image become. The assignment of the detectable due to the precession movement nuclear magnetic resonance signal to the place of its formation is done by applying linear field gradients. To corresponding gradient fields are superimposed on the main magnetic field and controlled so that only in a layer to be imaged an excitation of the Cores takes place. Both for RF excitation of the nuclear spins as well as for Detection of Kernant word signals an RF coil device is required. Imaging systems based on these physical effects are also known under the names nuclear spin tomography, nuclear magnetic resonance (NMR) tomography or Magnetic Resonance Imaging (MRI).
Abweichungen der Magnetfelder, insbesondere der räumlichen Verteilung ihrer Magnetfeldstärke, von ihren theoretisch vorgegebenen und berechneten Werten rufen im Bild geometrische Verzerrungen hervor. Insbesondere Verfahren, die auf einer quantitativ genauen geometrischen Darstellung der zu untersuchenden Gebiete beruhen, sind hinsichtlich ihrer Qualität durch derartige Verzerrungen maßgeblich gemindert.deviations the magnetic fields, in particular the spatial distribution of their magnetic field strength of their theoretically given and calculated values call in the picture geometric distortions. In particular, methods based on a quantitatively accurate geometric representation of the investigated Areas are based in quality due to such distortions decisively reduced.
Vornehmlich lassen sich vier verschiedene Ursachen identifizieren, die geometrische Verzerrung hervorrufen:
- – Die magnetische Suszeptibilität variiert bei unterschiedlichen Materialien und bewirkt so eine geringfügige materialabhängige Änderung des Hauptmagnetfeldes.
- – Statische Magnetfeldinhomogenitäten werden durch die sogenannte Shimmung des Magnetfeldes weitgehend ausgeglichen, geringe Restinhomogenitäten können aber dennoch verbleiben.
- – Nichtlinearitäten der Gradientenspulen verursachen Verzerrungen in alle Richtungen. Üblicherweise sind Gradientenspulen so entworfen, um derartige Verzerrungen im Isozentrum des Gerätes zu minimieren. Daher treten derartige Effekte vornehmlich in Randbereichen von MRT-Bildern auf.
- – Wirbelströme werden in konduktiven Materialien immer dann erzeugt, wenn Änderungen der Magnetfelder durchgeführt werden. Vornehmlich tritt dies beim Schalten der Gradientenfelder auf. Die Stärke und die räumliche Verteilung der Wirbelströme hängen dabei von der angewendeten MRT-Sequenz ab. Ihrerseits verursachen die Wirbelströme wiederum Magnetfelder, die sich anderen Magnetfeldern überlagern und so geometrische Verzeichnungen verursachen.
- - The magnetic susceptibility varies with different materials and thus causes a slight material-dependent change of the main magnetic field.
- Static magnetic field inhomogeneities are largely compensated by the so-called magnetic field shimming, but small residual inhomogeneities can nevertheless remain.
- - Non-linearities of the gradient coils cause distortions in all directions. Typically, gradient coils are designed to minimize such distortion in the isocenter of the device. Therefore, such effects occur mainly in peripheral areas of MRI images.
- - Eddy currents are generated in conductive materials whenever changes in the magnetic fields are made. This occurs primarily when switching the gradient fields. The strength and the spatial distribution of the eddy currents depend on the applied MRI sequence. In turn, the eddy currents cause magnetic fields that overlap other magnetic fields, causing geometric distortions.
Eine Möglichkeit, geometrische Verzerrungen zu detektieren, die bei einer bestimmten MRT-Sequenz auftreten, ist die Verwendung eines Phantoms. Derartige Phantome weisen meist ein dreidimensionales Gitter von Strukturen auf, die das zu entzerrende Gebiet ausfüllen und die sich in einem MRT-Bild deutlich darstellen. Bei einem Abbild des Phantoms lässt sich das Abbild des dreidimensionalen Gitters mit dem ursprünglichen Gitter vergleichen. Dadurch kann eine Verzeichnungskarte erstellt werden, die die Stärke und die Richtung der geometrischen Verzeichnungen in verschiedenen Raumpunkten kennzeichnet. Diese Verzeichnungskarte wird zur Korrektur geometrischer Verzeichnungen bei nachfolgend mit derselben MRT-Sequenz aufgezeichneten Bildern verwendet.A Possibility, detect geometric distortions that occur in a given MRI sequence is the use of a phantom. Such phantoms usually have a three-dimensional grid of structures that fill in the area to be rectified and that are clearly represented in an MRI image. In an image of the Phantoms leaves the image of the three-dimensional grid with the original one Compare lattices. This will create a distortion map the strength and the direction of geometric distortions in different Room points marks. This distortion map will be for correction geometric distortions recorded subsequently with the same MRI sequence Used pictures.
Bislang existieren verschiedene hierfür konzipierte Phantome.So far There are different ones for this designed phantoms.
Das
in der
Die WO 2004/106962 A1 offenbart ein Phantom, dessen Gitterstruktur aus Ebenen aufgebaut ist, die ein quaderförmiges Gitter bilden.The WO 2004/106962 A1 discloses a phantom whose lattice structure is made Layers is constructed, which form a cuboid grid.
In der M. Breeuwer et al., "Detection and correction of geometric distortion in 3D MR images", Proc. SPIE 4322, 1110–1120, 2001 und in der M. Holden et al. "Sources and correction of higher order geometrical distortion for serial MR brain imaging", Proc. SPIE 4322, 69–78 2001 sind Phantome offenbart, deren dreidimensionales Gitter aus Kugeln gebildet ist.In M. Breeuwer et al., Detection and correction of geometric distortion in 3D MR images ", Proc. SPIE 4322, 1110-1120, 2001 and in M. Holden et al. "Sources and correction of higher order geometrical distortion for serial MR brain imaging ", Proc. SPIE 4322, 69-78 In 2001, phantoms are revealed, their three-dimensional lattice Balls is formed.
All die offenbarten Phantome haben den Nachteil, dass sie eine gewisse Symmetrie aufweisen. Beispielsweise erzeugen die oben genannten Phantome ein im Wesentlichen gleiches Abbild, wenn sie um 90° oder um 180° entlang ihrer Längsachse rotiert werden. Lediglich kleine fertigungsbedingte Asymmetrien in der Gitterstruktur von Phantomen würden einen Rückschluss auf die genaue Lage des Phantoms ermöglichen. Allerdings ist das nicht zuverlässig möglich, da Abweichungen von der Gitterstruktur in dieser Größenordnung ebenso von geometrischen Verzerrungen des Abbildungssystems herrühren können. Bislang muss daher manuell die Lage und die Orientierung des Phantoms mit der Lage und der Orientierung seines Abbildes abgeglichen werden. Dies stellt insbesondere bei der serienmäßigen Verwendung des Phantoms zur Korrektur geometrischer Verzerrungen eine mögliche Fehlerquelle dar. Abweichungen von der Gitterstruktur, die von fertigungsbedingten Toleranzen herrühren, können nicht automatisch von Abweichungen getrennt werden, die von Magnetfeldinhomogenitäten herrühren.Alles The phantoms disclosed have the disadvantage that they have a certain Have symmetry. For example, the above-mentioned phantoms produce a substantially same image when rotated 90 ° or around 180 ° along its longitudinal axis be rotated. Only small production-related asymmetries in the lattice structure of phantoms would be a conclusion allow for the exact location of the phantom. However that is not reliable possible, because deviations from the lattice structure on this scale can also be due to geometric distortions of the imaging system. So far must therefore manually adjust the location and orientation of the phantom the position and orientation of his image. This is especially true in the case of the standard use of the phantom to correct geometric distortions is a possible source of error. Deviations from the grid structure, resulting from manufacturing tolerances can not be automatically separated from deviations resulting from magnetic field inhomogeneities.
In
der
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Phantom, das insbesondere zur Bestimmung geometrischer Verzerrungen bei einem Abbildungssystem verwendet wird, so auszugestalten, dass ein automatischer Abgleich seiner Orientierung und der Orientierung seines Abbildes ermöglicht wird bei gleichzeitig im Wesentlichen vollständiger Überdeckung des Abbildungsvolumens.Therefore It is the object of the present invention to provide a phantom in particular for determining geometric distortions in an imaging system is used, so that an automatic adjustment his orientation and the orientation of his image is made possible while at the same time substantially completely covering the imaging volume.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Phantom nach Anspruch 1 gelöst.The The object is achieved by a Phantom solved according to claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind jeweils Gegenstand von weiteren Patentansprüchen.advantageous Embodiments of the device are each the subject of further Claims.
Das erfindungsgemäße Phantom nach Anspruch 1 weist eine Vielzahl gitterbildender Strukturen auf, durch deren Anordnung im Phantom ein dreidimensionales Gitter, das durch drei Hauptachsen charakterisiert ist, gebildet ist, wobei das Phantom asymmetrisch ausgebildet ist, so dass aus einem Abbild des Phantoms dessen Orientierung bei der Anfertigung des Abbildes in eindeutiger Weise ermittelbar ist. Die Grundstruktur des Gitters ist dabei regelmäßig. Durch die gitterbildenden Strukturen ist ein aus Elementarzellen aufgebautes Raumgitter geformt. Dies kann erreicht werden, indem zumindest eine der gitterbildenden Strukturen versetzt zur Grundstruktur des Raumgitters asymmetrisch angeordnet ist und/oder indem zumindest eine der gitterbildenden Strukturen an asymmetrischer Position von den anderen gitterbildenden Strukturen unterscheidbar ausgebildet ist, und/oder indem zumindest eine weitere Struktur an asymmetrischer Position im Phantom angeordnet ist.The Phantom according to the invention according to claim 1 comprises a plurality of lattice-forming structures, by arranging them in the phantom a three-dimensional lattice, the is characterized by three principal axes, is formed the phantom is asymmetric, so that from an image the phantom's orientation in making the image can be determined in a clear way. The basic structure of the grid is regular. By the lattice-forming structures is a built up of unit cells Room grid shaped. This can be achieved by using at least one the grid-forming structures offset the basic structure of the space grid is arranged asymmetrically and / or by at least one of the lattice-forming Structures at asymmetric position from the other lattice-forming Structures is distinguishable, and / or by at least one further structure arranged at asymmetric position in the phantom is.
Aufgrund der asymmetrischen Ausbildung kann auf die Orientierung des Phantoms bei der Anfertigung des Abbildes allein aus seinem Abbild geschlossen werden. Dadurch lassen sich bei der Erstellung geometrischer Verzeichnungskarten geometrische Verzerrungen genauer erfassen, da fertigungsbedingte Abweichungen von der idealen Gitterstruktur aufgrund der eindeutigen Kenntnis der Orientierung des Phantoms zuverlässig berücksichtigt werden können.by virtue of The asymmetric training may affect the orientation of the phantom closed in the making of the image solely from his image become. This can be done when creating geometric distortion maps capture geometrical distortions more precisely because of production-related Deviations from the ideal lattice structure due to the unique Knowledge of the orientation of the phantom can be reliably taken into account.
In einer Variante geschieht dies dadurch, dass bei dem Phantom zumindest ein Teil der gitterbildenden Strukturen asymmetrisch angeordnet ist. Durch die asymmetrische Anordnung lediglich eines Teiles der gitterbildenden Strukturen bleibt die Gitterstruktur im Wesentlichen erhalten, sodass das Phantom seinen Zweck weiterhin erfüllt, nämlich ein Gitter zu liefern, das das zu entzerrende Abbildungsvolumen möglichst vollständig überdeckt. Üblicherweise reicht es aus, eine einzelne gitterbildende Struktur in asymmetrischer Position leicht versetzt zum Gitter anzuordnen. Die gitterbildende Struktur wird dabei aber so stark versetzt, dass sie im Abbild des Phantoms trotz der durch Magnetfeldinhomogenitäten hervorgerufen Verzerrungen zweifelsfrei identifiziert werden kann.In In a variant, this happens because at least in the phantom a part of the lattice-forming structures arranged asymmetrically is. Due to the asymmetrical arrangement of only a part of the lattice-forming structures, the lattice structure remains substantially so that the phantom continues to serve its purpose, namely one To provide grating, the possible to equalize the image volume completely covered. Usually enough it out, a single grid-forming structure in asymmetric Position slightly offset from the grid to arrange. The grid-forming However, structure is shifted so much that it appears in the image of the Phantoms despite the distortions caused by magnetic field inhomogeneities can be identified without doubt.
In einer anderen Variante ist im Phantom zumindest eine weitere Struktur an asymmetrischer Position angeordnet. Diese weitere Struktur dient dabei vornehmlich der Feststellung der Orientierung des Phantoms. Diese Variante hat den Vorteil, dass die zusätzliche Struktur, die sich in ihrer Form von den gitterbildenden Strukturen vorzugsweise deutlich unterscheidet, eindeutig trotz etwaiger geometrischer Verzerrungen identifiziert werden kann. Die Orientierung kann dadurch eindeutig festgelegt werden.In another variant is at least one more structure in the phantom arranged at asymmetric position. This further structure serves especially the determination of the orientation of the phantom. This variant has the advantage that the additional structure that is preferably clearly in shape from the lattice-forming structures clearly, despite any geometric distortions can be identified. The orientation can thereby clearly be determined.
In einer weiteren Variante ist im Phantom zumindest eine der gitterbildenden Strukturen an asymmetrischer Position von den anderen gitterbildenden Strukturen unterscheidbar ausgebildet. Unterscheidungsmerkmal kann dabei beispielsweise die Größe der zumindest einen gitterbildenden Struktur sein, die sich deutlich von den anderen gitterbildenden Strukturen unterscheidet. Diese Variante hat den Vorteil, dass die weitgehend regelmäßige Gitterstruktur dabei selbst nicht geändert wird, was Vorteile bei der Implementierung eines Auswertungsalgorithmus hat.In a further variant is at least one of the lattice-forming in the phantom Structures at asymmetric position from the other lattice-forming structures distinguishable trained. Distinguishing feature can, for example the size of the least be a lattice-forming structure that stands out clearly from the others differs grid-forming structures. This variant has the Advantage that the largely regular grid structure itself not changed What will be advantages in implementing an evaluation algorithm Has.
In einer Ausbildungsform des Phantoms sind die gitterbildenden Strukturen kugelförmige Strukturen. Die Symmetriebrechung ist dann in einer bevorzugten Ausführungsvariante dadurch verwirklicht, dass zumindest eine der kugelförmigen Strukturen einen von den anderen kugelförmigen Strukturen unterscheidbaren Durchmesser aufweist und in asymmetrischer Position angeordnet ist.In An embodiment of the phantom is the lattice-forming structures spherical Structures. The symmetry breaking is then in a preferred variant realized by at least one of the spherical structures a from the other spherical ones Structures has distinguishable diameter and in asymmetric Position is arranged.
In einer weiteren Ausführungsvariante des Phantoms sind die gitterbildenden Strukturen eine Vielzahl von Ebenen, die derart angeordnet sind, dass sie sich schneiden und ein dreidimensionales Gitter bilden. Die Symmetriebrechung ist dann in einer bevorzugten Ausführungsvariante dadurch verwirklicht, dass zumindest eine der Ebenen außerhalb der Gitterstruktur angeordnet ist.In a further embodiment In the phantom, the lattice forming structures are a variety of Planes that are arranged so that they intersect and form a three-dimensional grid. The symmetry breaking is then in a preferred embodiment realized by at least one of the levels outside the Grid structure is arranged.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.The Invention as well as advantageous embodiments according to the features of the subclaims below with reference to schematically illustrated embodiments explained in the drawing, but not limited thereto to be.
Es zeigenIt demonstrate
In
Die
gitterbildenden Strukturen werden in dem Phantom
Die
Kugeln
Die
Form der gitterbildenden Struktur als Kugel
Die
Bestimmung der geometrischen Verzerrungen im Abbildungsvolumen wird
durch die Gitterstruktur ermöglicht,
die das Abbildungsvolumen im Wesentlichen vollständig ausfüllt. Hierzu werden die geometrischen
Verzerrungen der einzelnen Kugelpositionen in einem Abbild des Phantoms
Eine
Abweichung des Abbildes einer Kugel
In
dem in
In
In
der hier dargestellten Ausführungsvariante
unterscheidet sich nur eine Kugel
Die
in
In
In
der hier dargestellten Ausführungsvariante
ist zusätzlich
zu den gitterbildenden Kugeln
Dadurch,
dass sich eine Ebene
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