AT406010B - Testphantom zur kontrolle der abbildungsqualität in der hochortsauflösenden nmr-bildgebung (nmr-mikroskopie) für medizinische und biologische anwendungen und in der material- oder werkstofforschung - Google Patents
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Description
<Desc/Clms Page number 1> Die Erfindung betrifft Teststrukturen (Phantome) zur Überprüfung und Evaluierung der Abbildungseigen- schaften eines bildgebenden Gerätes, dessen Abbildungsprinzip auf der Magnetresonanz beruht, bestehend im wesentlichen aus einem ganzen Satz oder einzelnen periodisch angeordnetenStrukturelementen unter- schiedlicher Grösse, welche sich in einem Behälter befinden, der mit einem NMR-aktiven Material, wie z.B. Kupfersulfat- oder Manganchlondlösung gefüllt ist. Die NMR-Mikroskopie56 erlaubt nicht-invasive zerstörungsfreie, quasikontinuierliche Bildgebung mit relativ hoher räumlicher Auflösung (bis ca. 8 x 8 x 50 um3, im Einzefall auch darunter6) an lebenden Strukturen und Materialien. Die Ortsauflösung wird hierbei neben den apparativen Bedingungen durch die Eigenschaften des Messobjektes (z. B. Linienbreite und Bewegungszustand) mitbestimmt. Um NMR-Bildgebungsgeräte hinsichtlich ihrer Abbildungsleistungen, insbes. die erreichbare räumliche Auflösung, vergleichen und bewerten zu können, werden hinsichtlich ihrer Abmessungen definierte Phanto- me benötigt, die Strukturen in dem interessierenden Auflösungsbereich enthalten. Bildteststrukturen sind ferner unverzichtbare Voraussetzung als Gütekriterium für Systemverbesserungen, die feinere Ortsauflösun- gen zum Ziel haben. Sie dienen ausserdem im Sinne einer kontinuierlichen Qualitätskontrolle der Aufrechter- haltung einer bereits erreichten Abbildungsqualität. Bisher wurden Phantome für verschiedene Qualitätsparameter von NMR-tomographischen Bildern beschrieben, z. B für Sensitivität und Liearität7.10 Mehrere Patente beschreiben die Kontrolle und Quantifi- zierung von Schichtdicke, -Position,-Neigung und Verbiegung 10,12,13,14 Einge Veröffentlichungen beziehen sich auf unterschiedliche NMR-aktive Materialien, wie Deuteriumoxid7, Hydrogele8, Polymergele18 oder Polyvinylalkohole (flüssig und gefroren)9. Es existieren ebenfalls Beschreibungen für Phantome zur Erfas- sung des räumlichen Magnetfeldverlaufs15. Wenige Arbeiten eröffnen die Möglichkeit, mehrere wichtige, unterschiedliche Qualitätsparameter gleichzeitig zu erfassen, z.B.: Signal- und Kontrast- Rausch-Verhältnis, geometrische Verzerrung, Schichtparameter, T1, T2, Spindichte, Stabilität etc. und räumliche Auflösung8.10 Auflösungs-Phantome wurden bisher vorwiegend für den Einsatz an klinischen MR-Tomographen verwendet. Sie bestehen im wesentlichen aus zylinderartigen Strukturen oder Löchern und Rillen mit definiertem Spaltabstand und Öffnungsbreite von minimal ca. 0,6 mm11. Die Strukturen galten als aufgelöst, wenn deutliche Unterschiede in den Intensitätsmaxima und Minima im MR-Bild des Gitters zu beobachten waren. Orthogonal zueinander orientierte Test-Platten erlauben die gleichzeitige Erfassung bestimmter NMR-Qualitätsparameter in zwei unabhängigen Raumrichtungen 17. Verbesserungen dieser Phantome be- standen aus Teststrukturen unterschiedlicher Grösse9, auch einem ganzen Satz von Gittern unterschiedlicher Periodizität. Diese gestatten die Aufnahme der Intensitätsmodulation zwischen den Gitterspalten in Abhän- EMI1.1 Stangen oder Platten in einen Hohlraum mit einem Gehäuse aus Plastik beruhen.19 Gemeinsam ist diesen Beschreibungen, soweit sie explizit genannt werden, eine typische kleinste Strukturgrösse von herab bis zu ca. 1 mm für die Öffnungen. Wesentlich unterschieden von den bisherigen Publikationen weist der Gegenstand der Erfindung Hohlräume in einem Basismaterial auf Halbleiter- oder Keramikbasis mit sehr niedrige Strukturbreiten von ca. 1-600 um in einer vielfach periodischen Anordnung z. B. senkrecht zueinander positioniert auf. Die sehr kleinen Strukturbreiten können nur durch spezielle Herstellungsverfahren erreicht werden. In einer speziellen Ausgestaltung werden Strukturelemente beschrieben, die sich durch besonders hohe Strukturtiefen im Verhältnis zu den lateralen (in der Ebene der gewählten NMR-Schicht) Abmessungen der Strukturelemente auszeichnen (hohes Aspektverhältnis). Dies wird dadurch erreicht, dass die Stuturelemente aus keramischem - oder Halbleiter- oder Lack- bzw. Polymer-Basismaterial bestehen, aus welchem Hohlräume mit Strukturgrössen kleiner als 600 um durch Mikrostrukturierungsverfahren herausgearbeitet sind, so dass die einzelnen Strukturelemente bzw. jeder Satz der Strukturelemente sich jeweils in einem einzigen Block des Basismaterials befinden. Der Gegenstand der Erfindung besteht im wesentlichen aus einem ganzen Satz oder einzelnen Gittern, bestehend aus periodisch angeordneten Spalten oder Öffnungen in einem soliden Basismaterial aus Halbleiter- oder Keramikmatenal, zB. Silizium oder Galliumarsenid, oder Lacken bzw. Polymeren.. Der Spaltabstand kann hierbei typischerweise zwischen ca 1 um und ca 600 um variieren. Die periodischen Öffnungen, die Räume zwischen dem soliden Basismaterial, sind mit einer NMR-aktiven Flüssigkeit, z. B. Wasserlösungen gefüllt. Bei der NMR-Bildgebung z. B. in Form eines Profils in einer Richtung liefen das Phantom periodische Helligkeitsverteilungen, die die Aufnahme der Modulation, der Intensitäts- Maxima und -Minima der Bildintensität, gestatten. Als Modulation M einer Intensitätsverteilung wird hierbei der folgende Ausdruck verstanden: M = (Imax -Imin)/(Imax + Imin) (1) <Desc/Clms Page number 2> Imax bezeichnet das Maximun der Intensität, wie es bei einem Intensitätsprofil (Bild) über die Gitterstruktur im Bereich der Spaltöffnungen aufgrund der dort präsenten NMR-aktiven Flüssigkeit zu beobachten ist Imin ist das im Profil beobachtete Minimum im Bereich des Basismaterials, das nicht NMR- beobachtbar sein sollte. Ist speziell das Objekt aus periodischen Strukturen aufgebaut, z. B. der Ortsfre- quenz K =1/a (a bezeichnet die Periode der Struktur), dann bezeichnet die Modulationsübertragungsfunk- tion M (K) Modulation M als Funktion der Ortsfrequenz K. Sie gestattet eine quantitative Auswertung der Ortsauflösung des Systems z. B. durch Festlegung eines Schwellenwertes Mcrit für die Modulation, z. B. Mcrit=50%. Die zugehörige Ortsfrequenz liefert die Ortsauflösung acrit/2. Als Einzeibeispiel zur Realisierung oben aufgeführter Teststrukturen/Phantome wird ein Satz von Gittern beschrieben, der 9 unterschiedliche Spaltabstände i. B. zwischen 4 um und 1024 um umfasst (s. Abb.1). Zwei bzgl. Spaltabstand identische Gittersätze (2 und 3) sind senkrecht zueinander angeordnet, um gleichzeitig im NMR-Bild die Modulationen in zwei unabhängige Raumrichtungen erfassen zu können (z.B die "Frequenz"- und "Phasen"-Kodierungsrichtung bei "spin warp"-, 2DFT- oder Rückprojektions-Verfah- ren). Ebenfalls dargestellt sind mehrere keilförmige, konzentrisch um einen Symmetriepunkt angeordnete Spalt-Öffnungen(4) im Basismaterial (1).Die eigentliche Teststruktur befindet sich während der Messung in einem Behälter, der mit einer NMR-aktiven Flüssigkeit, z. B einer Kupfersulfat-Wasserlösung gefüllt ist Kupfersulfat führt zu einer Reduktion der T1-Zeiten. Dies verkürzt die Messzeiten. Im folgenden (Figurenübersicht) wird eine mögliche Ausgestaltung der beschriebenen Teststrukturen nach den Abbildungen 1 und 2 detaillierter beschrieben : Fig. 1 Beispiel eines Testphantoms zur Erfassung der Ortsauflösung in der NMR-Milcroskopie- Aufsicht Fig. 2 Ausschnitt des in Fig. 1 dargestellten Phantoms mit einer Schnittführung entlang mehrerer benachbarter Spalten-Gitter: Längsprofil Fig. 1 zeigt zwei prinzipiell unterschiedliche Strukturen zur qualitativen und quantitativen Auswertung der erreichten Ortsauflösung des abbildenden Systems. Erstens sind in einem Basismaterials (1) zwei Sätze von Hohlraumstrukturen (Gittersysteme 2 und 3) senkrecht zueinander angeordnet, um gleichzeitig zwei unabhängige Bildkodierungsrichtungen erfassen zu können. Jedes Gittersystem besteht aus einem Satz von Gittern, die wiederum aus mehreren Spalten (Hohlräumen), die die NMR-aktive Substanz aufnehmen besteht. Die Spaltbreite und-abstand variieren im Beispiel zwischen einer Breite von 1024 um und 4 um für verschiedene Gitter. Die jeweiligen SpaltgröBen sind oberhalb bzw. neben dem Gitter eingetragen. Zweitens kann eine Teststruktur (Teil 4) mit konzentrisch angeordneten Keilspalten zusammen mit den Gitterstrukturen in einem Phantom integriert werden. Periodisch mit dem Drehwinkel wechseln sich das solide Basismaterial und die NMR-aktive Substanz in den Kreissegment- (= Keil-) förmigen Hohlräumen ab. Ein Kreisprofil im NMR-Bild führt zu einer periodischen Modulation der Intensität mit kleiner werdenden Perioden bei kleineren Radien. In Abb. 2 ist ein Längsprofil durch die in Abb. 1 beschriebene Testruktur zwischen dem Gitter mit einer Strukturbreite von 256 um, den dazwischenliegenden Spalten und dem Gitter mit einer Penode von 32 um zu sehen. In dieser speziellen Ausgestaltung werden die notwendigen Flankensteilheiten deutlich, die besonders bei den kleineren lateralen Strukturbreiten kleiner als 64 um mit einem hohen Struktur-Tiefen zu -Breiten Verhältnis (Aspektverhältnis) verbunden sind. Gestrichelt ist eine mögliche Wahl der Schichtfüh- rung im Rahmen der NMR-mikroskopischen Abbildung der Teststruktur eingezeichnet. Die Teststrukturen können nach einem oder mehreren der unten beschriebenen Verfahren hergestellt werden : z. B. 1. ) Die Spalten können über mechanische Feinst-Trenn-, Fräs-, Säge oder Schneideverfahren aus dem Basismaterial geschnitten werden. 2.)Die Spaltstrukturen werden mit Hilfe von physikalischen Abtragungsverfahren (z. B. Laser- oder Elektronenstrahl-Schneiden) erzeugt. 3. ) Mit Hilfe chemischer (z. B. chemisches Ätzen, insbes. anisotropes Ätzen') oder physikalischer (z.B. Plasmaätzen, RIE-Verfahren) Bearbeitung unter Benutzung lithographischer Verfahren unter Einsatz von Masken., wird das Basismaterial strukturiert. 4. ) Mit Hilfe optisch-, Röntgen-, Ionen-, oder Elektronenstrahl-lithographischer Verfahren auf oder in Lack- , Plexiglas oder Polymerähnlichen Schichten. Kennzeichnend für das Phantom im Unterschied zu den bisherigen Erfindungen im Bereich der NMR- Bildgebung sind die für die NMR-Mikroskopie adaptierten ausserordentlich niedrigen Abstände (Feinstruktur) und Hohlraumgrössen von ca. 1- 600 um. Diese Strukturgrössen können nur mit Hilfe spezieller Verfahren hergestellt werden. In einer speziellen Ausgestaltung sind gleichzeitig im Verhältnis zu den lateralen Abständen der Strukturelemente grosse Strukturtiefen (hohes Aspektverhältnis) von minimal 150 um vorhan- den. Diese Strukturtiefen sind für eine genügend hohe Spin-Zahl in dem detektierten Volumen sowie bei der <Desc/Clms Page number 3> Wahl einer Schichtführung für die MR-Bildgebung in der Ebene der Gitterstrukturen sehr wichtig. Die beschriebenen Teststrukturen können in ein bestehendes Phantom, das Möglichkeiten zur Messung anderer Qualitätsparameter, z. B. Sensitivität, Schichtdicke etc besitzt, auch als Einzelteile integriert werden Es ist ebenso möghch, ein Testphantom herzustellen, das die einzelnen Testhohlräum-Elemente nicht auf einem Basismaterialstück., sondern aufmehreren Teilstücken besitzt. Referenzpubliaktionen 1 Podo, E et al. Magn Res. Imag. 6,173-222 (1988) 2 Lerski, R. A., Mc Robbie, D. W. "Eurospm 11 Magnetic Resonance Quahty Assesment Test Objects", Instructions for use (1992) 3 Lerski, R.A. et al. Magn. Res Imag. 11,809-840 (1993) 4 D.L. Kendall Applied Physics Letters Vol. 26 No.4 1975 5 P Mansfield, P. G. 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Teststrukturen (Phantome) zur Überprüfung und Evaluierung der Abbildungseigenschaften eines bildge- benden Gerätes, dessen Abbildungsprinzip auf der Magnetresonanz beruht, bestehend im wesentlichen aus einem ganzen Satz oder einzelnen periodisch angeordnetenStrukturelementen unterschiedlicher Grösse, welche sich in einem Behälter befinden, der mit einem NMR-aktiven Material, wie z. B. Kupfersulfat- oder Manganchloridlösung gefüllt ist, gekennzeichnet dadurch dass die Stuturelemente aus keramischem - oder Halbleiter- oder Lack- bzw. Polymer-Basismaterial bestehen, aus welchem Hohl- räume mit Strukturgrössen kleiner als 600 um durch Mikrostrukturierungsverfahren herausgearbeitet sind, so dass die einzelnen Strukturelemente bzw. jeder Satz der Strukturelemente sich jeweils in einem einzigen Block des Basismaterials befinden.
Claims (1)
- 2. Testrukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial mehrere in unter- schiedliche Raumrichtungen, z.B. orthogonal, orientierte einzelne Spalte, Gitter oder mehrere Gittersät- ze enthält, die eine gleichzeitige unabhängige Vermessung der Modulation in zwei oder mehr unabhän- gigen Raumrichtungen gestatten.3. Testrukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial Öffnungen oder Hohlräume in Form konzentrisch zulaufender Keilspalte enthält. <Desc/Clms Page number 4> 4. Teststrukturen nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume im Basismaterial, sich durch besonders hohe Strukturtiefen im Verhältnis zu den lateralen (in der Ebene der gewählten NMR-Schicht) Abmessungen der Strukturelemente auszeichnen (hohes Aspektverhält- nis).5. Teststrukturen nach einem oder mehreren der Ansprüch 1 bis 4, gekennzeichnet durch den Typ des Basismaterials derart, dass das betreffende Material für anisotrope Abtragungsverfahren geeignet ist, wie z. B. Silizium, Gallium-Arsenid (GaAs) oder Aluminium-Gallium-Arsenid 6. Verfahren zur Herstellung von Teststrukturen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlraum-Strukturen mittels mechanischer Trenn-, Fräs-, Säge oder Schnei- deverfahren aus dem Basismaterial herausgearbeitet werden.7. Verfahren zur Herstellung von Teststrukturen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlraum-Strukturen mit Hilfe von Physikalischen Abtragungsverfahren (z.B.Laser- oder Elektronenstrahl-Schneiden) erzeugt werden.8. Verfahren zur Herstellung von Teststrukturen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlraum-Strukturen mittels chemischer (z.B. chemisches Ätzen, insbes. anisotropes Ätzen) oder physikalischer (z. B. Plasmaätzen, RIE etc. ) Bearbeitung unter Benutzung lithographischer Verfahren unter Einsatz von Masken strukturiert werden.9. Verfahren zur Herstellung von Teststrukturen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlraum-Strukturen mit Hilfe optisch- Röntgen- lonen- oder Elektronen- strahl-lithographischer Verfahren auf oder in Lack-, Plexiglas- oder Polymerähnlichen Schichten erstellt werden.Hiezu 1 Blatt Zeichnungen
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