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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuerung für
ein Magnetresonanztomographiegerät, ein Magnetresonanztomographiegerät
sowie Verfahren zur Steuerung eines Magnetresonanztomographiegerät,
zur Erzeugung einer Datenaufnahme und zum Ermitteln einer Konzentration
eines Probenmaterials mit einem Magnetresonanztomographiegerät,
die sich insbesondere im Zusammenhang mit Kontrastmitteln einsetzen
lassen, deren Relaxivitäten magnetfeldabhängig
sind, sowie auf ein Kontrastmittel sowie eine Verwendung des Kontrastmittels.
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In
vielen Bereichen der diagnostischen Bildgebung, z. B. Röntgen,
Computertomographie, Ultraschall und Magnetresonanztomographie (MRT),
ist der Einsatz von Kontrastmitteln (KM) zum Erzeugen eines verbesserten
Bildkontrasts, z. B. zwischen verschiedenen Organen oder Gewebetypen
oder zur Unterscheidung zwischen gesundem und krankem Gewebe, eine
etablierte Methode. Der Einsatz von Kontrastmitteln in der Magnetresonanztomographie hat
einen langjährigen Hintergrund und spielt eine dominante
Rolle in der medizinischen Magnetresonanztomographie. Kontrastmittel
dienen vorrangig zur verbesserten Erkennung einer Krankheit durch eine
verbesserte Sensitivität und erhöhte diagnostische
Aussagekraft. In der klinischen Diagnostik werden zurzeit mehrere
unterschiedliche Arten von Magnetresonanztomographie-Kontrastmittel
eingesetzt, welche im Allgemeinen einen kontrastverstärkenden Effekt
ausüben. Dieser Effekt kann durch den Einfluss der Kontrastmittel
auf die charakteristischen Relaxationszeiten T1, also der Spin-Gitter-Relaxation,
T2, also der Spin-Spin-Relaxation, oder T2* der zu untersuchenden
Atomkerne entstehen, welche für das Entstehen des Magnetresonanz-(MR)-Signals verantwortlich
sind. Das Magnetresonanzsignal kann detektiert und manipuliert werden,
um ein Magnetresonanz-Bild zu erzeugen. Typischerweise werden Kontrastmittel
eingesetzt, um die charakteristischen Relaxationszeiten zu verkürzen.
Die ersten parenteralen Magnetresonanz-Kontrastmittel, welche in
den frühen 1980er Jahren kommerziell erhältlich
wurden, waren Chelatkomplexe aus molekular leichtgewichtigen Lanthanoiden,
z. B. Gadolinium, Gd, in Form von beispielsweise GdDTPA oder GdDTPA-BMA.
Diese Kontrastmittel verteilen sich extrazellulär und führen im
Allgemeinen zu einer signalverstärkten Darstellung von
Strukturen, in denen sich das Kontrastmittel anreichert, und ermöglichen
dadurch eine gewebespezifische Kontrastverstärkung. Diese
Kontrastmittel werden üblicherweise bei T1-gewichteten
Magnetresonanztomographie-Aufnahmen eingesetzt, in denen sich ihr
signalverstärkender Effekt optimal auszeichnet.
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Der
initiale Erfolg von Gd-basierenden Kontrastmitteln für
in vivo Magnetresonanztomographieanwendungen beruht auf der relativ
hohen longitudinalen Relaxivität R1, welche als Schlüsselparameter die
Fähigkeit eines gegebenen Kontrastmittels zur Kontrastverstärkung
beschreibt. Die Relaxivität R ist definiert über
die Steigung der Relaxationsrate (1/T) in Abhängigkeit
der Konzentration des Kontrastmittels und wird durch folgende Gleichung
beschrieben: 1/T1,2(obs) = 1/TD +
R[KM] (Gleichung 1)
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Hier
stellen T1,2(obs) die beobachtete T1- bzw. T2-Relaxationszeit, TD
den diamagnetischen Beitrag zur T1- bzw. T2-Relaxationszeit und
[KM] die Konzentration des Kontrastmittels (in mM = mmol/L) dar.
Somit steigen die gemessenen Relaxationsraten 1/T1 bzw. 1/T2 der
freien Wasserprotonen mit steigender Kontrastmittel-Konzentration
und höherer Kontrastmittel-Relaxivität R. Im Anschluss
an die Entdeckung von Gd-Chelaten als T1-Kontrastmittel wurde der
Einsatz von magnetischen Partikeln, z. B. superparamagnetische Eisenoxid-Partikel,
als T2- bzw. negative Kontrastmittel vorgeschlagen.
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Derzeitig
gängige Magnetresonanz-Kontrastmittel, insbesondere die
vorher beschriebenen paramagnetischen Gd-Chelate oder superparamagnetischen
Eisenoxid-Partikel, werden nicht direkt detektiert. Stattdessen
wirken diese Kontrastmittel indirekt durch ihre mikroskopischen
Störungen des Magnetfeldes, welche die Orientierung der
signalgebenden Wasserprotonen beeinflussen.
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Es
besteht ein starkes Interesse in der Entwicklung zielgerichteter
Magnetresonanz-Kontrastmittel für molekulare bzw. zelluläre
Magnetresonanztomographie Anwendungen, um biologische Zielstrukturen,
z. B. molekulare Signaturen bestimmter Krankheiten, jenseits der
Magnetresonanz-Auflösungsgrenzen für Magnetresonanztomographie-Experimente
sichtbar zu machen, indem die Kontrastmittel den Kontrast zwischen
biologischer Zielstruktur und umliegendem Gewebe oder Organen verstärken.
Der Nutzen eines Magnetresonanz-Kontrastmittels hängt stark
von dessen Relaxivitätsprofil und pharmacokinetischen Verhalten
ab. Idealerweise besitzt das Kontrastmittel eine sehr hohe Relaxivität. Die
Bedeutung der molekularen und zellulären Magnetresonanz-Anwendungen
muss allerdings in der Zukunft noch weiter untersucht werden, da
momentan die intrinsische Sensitivität und Spezifität
gering im Gegensatz zu nuklearmedizinischen Verfahren, z. B. der
Positronen-Emissions-Tomographie, ist. Zurzeit stellt das Hintergrundsignal
des Gewebes den limitierenden Faktor für die Signaldetektion
bei in vitro und in vivo Magnetresonanz-Anwendungen dar. Aus diesem
Grund fokussiert sich die wissenschaftliche Gemeinschaft auf das
Design und die Bereitstellung von verbesserten Kontrastmitteln mit
signifikant verbesserten Relaxivitäten. Eine weitere Limitierung stellt
die Magnetresonanz-Abbildung biochemischer Vorgänge im
Gewebe dar, da die Magnetresonanztomographie eine limitierte Sensitivität
und Spezifität hinsichtlich des Aufspürens geringer
Kontrastmittelkonzentrationen im Gewebe besitzt. So ist beispielsweise
die Abbildung von Genexpressionen oder die Bestimmung der Rezeptordichte
an Zelloberflächen eine große Herausforderung,
da die Konzentration der Moleküle intrinsisch gering gegenüber
den Nachweisgrenzen von Gd-Konzentrationen ist. Zusammengefasst
stellen für Kontrastmittel-unterstützte Magnetresonanz-Anwendungen
die Relaxivität des eingesetzten Kontrastmittels sowie
die Herstellung neuer Kontrastmittel hinsichtlich des Sensitivitätsproblems
die großen Schwerpunkte dar.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Steuerung für
ein Magnetresonanztomographiegerät, ein Magnetresonanztomographiegerät, ein
Verfahren zur Steuerung eines Magnetresonanztomographiegeräts,
ein Verfahren zur Erzeugung einer Datenaufnahme, ein Verfahren zum
Ermitteln einer Konzentration eines Probenmaterials, ein Kontrastmittel
sowie eine Verwendung des Kontrastmittels zu schaffen, die verbesserte
Magnetresonanztomographieanwendungen ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Steuerung gemäß den Ansprüchen
1 und 19, ein Magnetresonanztomographiegerät gemäß Anspruch
20, ein Verfahren zur Steuerung eines Magnetresonanztomographiegeräts
gemäß Anspruch 21, ein Verfahren zur Erzeugung
einer Datenaufnahme gemäß den Ansprüchen
22 und 23, ein Verfahren zum Ermitteln einer Konzentration eines
Probenmaterials gemäß Anspruch 24, ein Kontrastmittel
gemäß Anspruch 26 sowie eine Verwendung des Kontrastmittels
gemäß Anspruch 27 gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung befasst sich mit einer selektiven und quantitativen
Darstellung von Kontrastmittelverteilungen in der Magnetresonanztomographie.
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Die
erfindungsgemäßen Ansätze sind durch die
gemeinsame Erkenntnis verbunden, dass sich ein magnetfeldabhängiges
Relaxivitätsprofil von Kontrastmitteln vorteilhaft in der
Magnetresonanztomographie einsetzen lässt.
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Eine
erfindungsgemäß wichtige Eigenschaft von Magnetresonanz-Kontrastmitteln
ist die Abhängigkeit der Relaxivität von der magnetischen
Feldstärke bzw. Frequenz. Mit anderen Worten, jedes Kontrastmittel
weist ein mehr oder weniger starkes kernmagnetisches Relaxations-Dispersions-(KMRD)-Profil
auf, welches die Abhängigkeit der Relaxivität
R vom äußeren statischen Magnetfeld Bstat beschreibt.
Eine detailierte Beschreibung der Physik hinter den Relaxations-Dispersions-Profilen
findet sich beispielsweise in Bottomley PA, et al. Med Phys. 1984
Jul-Aug; 11(4): 425–48.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bestimmte
Magnetresonanz-Kontrastmittel auf Grund ihrer magnetfeldabhängigen Relaxivität
effektiver eingesetzt werden können. Es werden einige neue
Magnetresonanz-Techniken offenbart, mit denen ein eindeutiger Nachweis
und eine Quantifizierung der Konzentrationen dieser Kontrastmittel,
beispielsweise bei in vivo Untersuchungen, möglich ist.
Ferner basiert die Erfindung auf der Er kenntnis, dass eine eindeutige
Detektion von kontrastverstärktem Magnetresonanz-Signal
durch Modulation der Kontrastmittelrelaxivität in aufeinanderfolgenden
Magnetresonanztomographie-Experimenten innerhalb einer Magnetresonanz-Untersuchungssitzung
erreicht werden kann. Dies erlaubt beispielsweise, zwischen Kontrastmittelverstärktem
Signal und Hintergrundgewebe zu unterscheiden. Insbesondere liegt
der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass ein Verändern
des Magnetfeldes, beispielsweise ein Magnetfeldanheben oder Magnetfeldabsenken,
während dem Verlauf eines Magnetresonanzexperiments eine
wesentliche Änderung der Relaxivität eines eingesetzten
Kontrastmittels erlaubt und dadurch das Magnetresonanz-Signal unter
kontrollierbaren Bedingungen und beliebig wiederholbar moduliert
werden kann. Zweitens, bietet diese Methode die Möglichkeit
für eine Quantifizierung der Kontrastmittel-Konzentration
und eröffnet somit die Möglichkeit für
eine akkurate Bestimmung von lokaler Rezeptordichten oder Zellenanzahl,
was bisher ein ungelöstes Problem in derzeitigen molekularen
oder zellulären Magnetresonanz-Techniken darstellt.
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Um
einen verstärkten Kontrasteffekt zu erzielen, ist es vorteilhaft,
dass die Relaxivität des eingesetzten Kontrastmittels eine
deutlich ausgeprägte Magnetfeldabhängigkeit mit
signifikanten Änderungen der Relaxivität innerhalb
eines engen Magnetfeldstärkebereichs aufzeigt. Zurzeit
sind derartige Kontrastmittel kommerziell nicht verfügbar.
Allerdings existieren bereits experimentelle Kontrastmittel wie
z. B. GdL2, welche ein steiles Relaxations-Dispersions-Profil in
Verbindung mit einer hohen Relaxivität von ca. 60 mM–1s–1 bei
einer Frequenz von 42 MHz, entsprechend einer Magnetfeldstärke
von B0 = 1,0 T und einer niedrigeren Relaxivität von ca.
35 mM–1s–1 bei
einer Frequenz von 63 MHz, entsprechend einer Magnetfeldstärke
von B0 = 1,5 T aufweist. Dies ist beispielsweise in Fatin-Rouge
et al, Journal of Allogs and Compounds 374 (2004): 289–302 beschrieben.
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Die
erfindungsgemäßen Ansätze ermöglichen
eine verbesserte Nachweissensitivität und -spezifität
und Quantifizierung von Magnetresonanz-Kontrastmitteln in den betreffenden
Magnetresonanz-Anwendungen und molekularen und zellulären
Magnetresonanz-Experimenten. Die erfindungsgemäße
Technik, PINPOINT genannt, de tektiert das Vorhandensein eines Magnetresonanz-Kontrastmittels
zielgerichteter mit dem Vorteil einer verbesserten Kontrastmittellokalisation
und -quantifizierung. Diese Methode ermöglicht eine verbesserte
Fähigkeit, zwischen kontrastmittelverstärktem
Signal vom Hintergrundsignal des Gewebes zu unterscheiden, was eine „Hot-Spot”-Interpretation
in den Magnetresonanz-Aufnahmen, ähnlich zu PET- oder SPECT-Aufnahmen,
stark erleichtert. Das Praktische an dem erfindungsgemäßen
Ansatz ist, dass diese „Hot-Spot”-Aufnahmen mit
anatomischen Magnetresonanz-Aufnahmen überlagert werden
können, die mit dem gleichen Magnetresonanz-Gerät
in der gleichen Sitzung aufgenommen werden können.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Steuerung für ein Magnetresonanztomographiegerät,
mit einer Schalteinrichtung, die ausgebildet ist, um zur Modulation
einer Relaxitivität eines Probenmaterials zwischen einer
ersten und einer zweiten Magnetfeldstärke umzuschalten.
Die erfindungsgemäße Steuerung ermöglicht
es somit, die Magnetfeldabhängigkeit der Relaxitivität
von Kontrastmitteln vorteilhaft zu nutzen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung weist die Steuerung eine Auslöseeinrichtung
und eine Auswerteeinrichtung auf, wobei die Auslöseeinrichtung
ausgebildet ist, um eine erste Datenaufnahme bei der ersten Magnetfeldstärke
und eine zweite Datenaufnahme bei der zweiten Magnetfeldstärke
auszulösen, und wobei die Auswerteeinrichtung ausgebildet
ist, um aus der ersten Datenaufnahme und der zweiten Datenaufnahme
eine kombinierte Datenaufnahme zu generieren. Somit lässt
sich beispielsweise eine kontrastverstärkte Aufnahme einer
zu untersuchenden Probe erzeugen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung weist die Steuerung eine Auslenkeinrichtung
und eine Auslöseeinrichtung auf, wobei die Auslenkeinrichtung ausgebildet
ist, um eine erste Auslenkung einer longitudinalen Magnetisierung
einer Probe auszulösen, wobei die Probe ein erstes Material
und ein zweites Material mit unterschiedlichen Relaxationszeiten
aufweist, und wobei die Auslöseeinrichtung ausgebildet ist,
um eine Datenaufnahme zu einem Aufnahmezeitpunkt auszulösen,
bei dem eine longitudinale Magnetisierung des ersten Materials einen
Wert von oder nahe Null aufweist. Somit kann beispielsweise eine Datenaufnahme
erzeugt werden, zu der nur Gewebekomponenten einen Beitrag liefern,
die ein Kontrastmittel mit stark magnetfeldabhängiger Relaxivität enthalten.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung weist die Steuerung eine Erfassungseinrichtung
auf, die ausgebildet ist, um eine Erfassung einer ersten Relaxationszeit
bei der ersten Magnetfeldstärke und eine Erfassung einer
zweite Relaxationszeit bei der zweiten Magnetfeldstärke
auszulösen, wobei aus der ersten und der zweiten Relaxationszeit
eine Konzentration des Probenmaterials ermittelbar ist. Somit ist
beispielsweise eine Quantifizierung von Kontrastmittel-Konzentrationen
möglich.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ferner ein Magnetresonanztomographiegerät
mit einer erfindungsgemäßen Steuerung.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Steuerung eines
Magnetresonanztomographiegeräts, das einen Schritt des
Umschaltens zwischen einer ersten und einer zweiten Magnetfeldstärke
umfasst, um eine Modulation einer Relaxitivität eines Probenmaterials
zu bewirken.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Erzeugung
einer Datenaufnahme mit einem Magnetresonanztomographiegerät,
das die Schritte des Durchführens einer ersten Datenaufnahme
bei einer ersten Magnetfeldstärke, des Durchführens
einer zweiten Datenaufnahme bei einer zweiten Magnetfeldstärke
und des Generierens einer kombinierten Datenaufnahme aus der ersten
Datenaufnahme und der zweiten Datenaufnahme umfasst.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Erzeugung
einer Datenaufnahme einer Probe mit einem Magnetresonanztomographiegerät, wobei
die Probe ein erstes Material und ein zweites Material mit unterschiedlichen
Relaxationszeiten aufweist, wobei das Verfahren die Schritte des
Auslenkens einer longitudinalen Magnetisierung der Probe und des
Durchführens einer Datenaufnahme zu einem Aufnahmezeitpunkt,
bei dem eine longitudinale Magnetisierung des ersten Materials einen
Wert von oder nahe Null aufweist, umfasst.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Ermitteln
einer Konzentration eines Probenmaterials mit einem Magnetresonanztomographiegerät,
das die Schritte des Erfassens einer ersten Relaxationszeit bei
einer ersten homogenen Magnetfeldstärke, des Erfassens
einer zweiten Relaxationszeit bei einer zweiten Magnetfeldstärke
und des Ermittelns der Konzentration des Probenmaterials aus der
ersten und zweiten Relaxationszeit umfasst.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ferner ein Kontrastmittel zur Anordnung
in einem organischen Gewebe, wobei eine R1-Relaxivität
oder eine R2-Relaxivität oder eine R2*-Relaxivität
des Kontrastmittels bei einem sich verändernden Magnetfeld
eine stärkere Veränderung aufweist, als eine R1-Relaxivität
oder R2-Relaxivität oder R2*-Relaxivität des organischen Gewebes
bei dem sich verändernden Magnetfeld. Das Kontrastmittel
lässt sich beispielsweise bei der Untersuchung von menschlichen,
tierischen oder pflanzlichen Geweben einsetzen.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ferner eine Verwendung des erfindungsgemäßen
Kontrastmittels in der Magnetresonanztomographie und insbesondere
bei den erfindungsgemäßen Verfahren.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden
nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
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1A eine
Darstellung eines erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographiegeräts
mit einer erfindungsgemäßen Steuerung;
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1B eine
Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographiegeräts
mit einer erfindungsgemäßen Steuerung;
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2 ein
Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Erzeugung einer Datenaufnahme;
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3 ein
Ablaufdiagramm eines weiteren erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Erzeugung einer Datenaufnahme;
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4 ein
Ablaufdiagramm eines weiteren erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Ermitteln einer Konzentration eines Probenmaterials;
und
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5 ein
Ablaufdiagramm eines weiteren erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Darstellung einer Änderungen der Relaxivität.
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In
der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen
Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente
gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei eine
wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bestimmte Kontrastmittel
Relaxivitäten aufweisen, welche in situ durch Änderungen
eines äußeren Magnetfeldes signifikant verändert
werden können, wodurch das Relaxationsverhalten des Kontrastmittels
auf kontrollierte Weise beeinflusst werden kann. Ein Anheben bzw.
Absenken des äußeren Magnetfeldes führt
zu einer veränderten Relaxivität während der
ursprüngliche Mechanismus des magnetischen, bzw. superparamagnetischen
Elements unverändert bleibt. Die Kontrastmittel können
als Magnetresonanz-Sensoren betrachtet werden, die z. B. einen „Aus”-Zustand
mit geringer Relaxivität bei Nichtvorhandensein bzw. einen „An”-Zustand
mit hoher Relaxivität bei Vorhanden sein eines zusätzlichen äußeren
Magnetfeldstimulus aufweisen oder umgekehrt.
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Ein
Konzept dieser Erfindung ist ein Magnetresonanztomographie-Gerät
mit variabler homogener Magnetfeldstärke in Kombination
mit neuen geschalteten Magnetresonanztomographie-Techniken zur Magnetisierungspräparation,
die es erlauben, die Sensitivität, bzw. Relaxivität
eines Kontrastmittels zu modulieren. Dabei kann die homogene Magnetfeldstärke
direkt durch einen variablen B0 Magnetfeldgenerator geändert
werden. Alternativ kann ein zusätzlich ge schalteter Magnetfeldgenerator
mit einem statischen nichtvariablen B0 Magnetfeldgenerator kombiniert
werden.
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Basierend
auf mindestens zwei Magnetresonanz-Datensätzen, welche
bei unterschiedlichen Magnetfeldstärken und somit bei unterschiedlichen
Kontrastmittel-Sensitivitäten, bzw. Kontrastmittel-Relaxivitäten
akquiriert werden, ist eine eindeutige Identifizierung von Kontrastmitteln
in lebenden Systemen und eine genaue Lokalisierung von molekularen
Zielstrukturen in molekularen oder zellulären Magnetresonanz-Anwendungen
mit verbesserter Sensitivität und Spezifität möglich.
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Die
signifikante Magnetfeldabhängigkeit des Kontrastmittels,
bzw. der Kontrastmitteleigenschaften oder der Kontrastmittel-Relaxivität
ist ein wichtiger Punkt bei dieser Methode, da konventionelle Kontrastmittel
die oben beschriebenen Anforderungen bisher nicht ausreichend erfüllen
können.
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Die
für diese Erfindung vorgesehenen Magnetresonanz-Kontrastmittel
können entweder Kompositverbindungen von magnetischen und
nicht-magnetischen Materialien oder nur magnetischen Materialien
sein. Als magnetische Materialien werden Materialien bezeichnet,
welche ein ferromagnetisches, ferrimagnetisches, superparamagnetisches
oder paramagnetisches Verhalten aufweisen. Ein Kontrastmittel aus
magnetischen Partikeln kann daher aus einem einzelnen magnetischen
Kristall bestehen, der entweder frei oder angekoppelt an oder umhüllt
mit nicht-magnetischen, z. B. nicht-ferro-, nicht-ferri-, nicht-para-
oder nicht-superparamagnetisch Materialien ist, oder er kann aus
einer Vielfalt von magnetischen Kristallen bestehen, die entweder
frei aggregiert oder angekoppelt an, umhüllt mit, eingelagert
in oder anderweitig an nichtmagnetisches Material angegliedert sind.
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In
einer Ausführung der Erfindung wird neben dem Magnetresonanz-Kontrastmittel
mit geeignetem Relaxivitätsprofil des weiteren ein Apparat zum
Ausnutzen der Magnetfeldabhängigkeit durch Schalten zwischen
mindestens zwei unterschiedlichen homogenen Magnetfeldstärken
während des Verlaufs eines Magnetresonanz-Experiments be nötigt.
Dies kann beispielsweise durch geeignetes Schalten von zusätzlichen
Magnetfeldspulen erfolgen.
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Die
Kombination von Magnetresonanz-Kontrastmittel oder magnetischen
Partikeln mit einer stark magnetfeldabhängigen Relaxivität
mit einem Apparat zum Schalten zwischen mindestens zwei Magnetfeldstärken
während eines Magnetresonanz-Experiments bildet einen zentralen
Aspekt dieser Erfindung. Im Allgemeinen ist die Änderung
der Kontrastmittel-Relaxivität abhängig von der Änderung
der Magnetfeldstärke und sollte vorzugsweise bei kleinen
Magnetfeldänderungen so stark wie möglich ausfallen.
Ein Schlüsselelement dieser Erfindung ist somit ein geeignetes
Magnetresonanz-Kontrastmittel mit signifikanten Änderungen
der Relaxivität über ein enges Band der Magnetfeldstärke.
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In
einer Idealspezifikation für klinische Anwendungen könnte
ein geeignetes Kontrastmittel bei B0 = 1,5 T (Frequenz f = 63 MHz)
eine sehr geringe Relaxivität von R1 < 30 mN–1s–1 und bei B0 = 1,0 T eine sehr
hohe Relaxivität von R1 > 60
mM–1s–1 aufweisen.
Somit wäre das Kontrastmittel bei B0 1,0 T „angeschaltet” und
bei B0 = 1,5 T wäre das Kontrastmittel „ausgeschaltet”.
Die Relaxivität würde sich bei einer Änderung
um ΔB = 0,5 T um mindestens den Faktor 2 ändern.
Idealerweise ändert sich die Relaxivität R möglichst
stark bei einer möglichst geringen Änderung der
Magnetfeldstärke um den Betrag ΔB.
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Zurzeit
sind diese geeigneten Kontrastmittel nicht kommerziell verfügbar.
Am ehesten erfüllen experimentelle Kontrastmittel wie beispielsweise
GdL2 die erfindungsgemäßen Anforderungen.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel nutzt die Erfindung, PINPOINT-MRT genannt,
ein starkes statisches homogenes Magnetfeld B0 zur Polarisation einer
Probe und überlagert ein zusätzliches homogenes
Magnetfeld ΔB während bestimmter vorausgewählter
Zeitpunkte in einer Magnetresonanz-Pulssequenz. Dies erlaubt ein
flexibles Design von Magnetresonanz-Pulssequenzen, in denen Dauer
und Stärke des Gesamtmagnetfeldes Btotal =
B0 + ΔB, das einem evolutionären Magnetfeld entspricht,
variiert werden können. Dadurch kann die Kon trastmittel-Relaxivität
im Gesamtmagnetfeld vor der Magnetresonanz Datenakquisition beeinflusst
werden. Das bedeutet für ein Kontrastmittel, dessen Relaxivität
R sich mit der Magnetfeldstärke ändert, dass sich
durch Änderung des evolutionären Magnetfeldes
eine Modulation der Relaxivität abhängig vom Relaxations-Dispersions-Profil
des Kontrastmittels gezielt modulieren lässt.
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1A zeigt
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Magnetresonanztomographiegeräts gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Magnetresonanztomographiegerät
weist eine erfindungsgemäße Steuerung 100 auf.
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Das
Magnetresonanztomographiegerät weist einen ersten Magnetfeldgenerator 102 zum
Erzeugen eines statischen homogenen Magnetfelds B0 auf. Der erste
Magnetfeldgenerator 102 kann beispielsweise als Permanentmagnet,
als Elektromagnet oder als strombeschickte supraleitende Spule ausgeführt
sein. Das Magnetresonanztomographiegerät kann ferner einen
zweiten Magnetfeldgenerator 104 aufweisen, der ausgebildet
ist, um ein zusätzliches homogenes Magnetfeld ΔB
zu erzeugen. Der zweite Magnetfeldgenerator 104 kann als
schaltbarer Magnet ausgeführt sein, dessen Magnetfeld ΔB
dem Magnetfeld B0 des ersten Magnetfeldgenerators 102 überlagert
werden kann. Beispielsweise kann der zweite Magnetfeldgenerator 104 als
schaltbarer Elektromagnet oder Spulensystem ausgebildet sein, dessen
Magnetfeld ein- oder abschaltbar ist, bzw. in seiner Stärke
variierbar ist. Das Magnetresonanztomographiegerät kann
ferner eine Hochfrequenz-Sende-Empfangseinrichtung 106 und
ein Gradientensystem 108 aufweisen. Die Hochfrequenz-Sende-Empfangseinrichtung 106 kann
ausgebildet sein, um ein hochfrequent rotierendes Magnetfeld zu
erzeugen, um eine Probe 112 anzugregen bzw. ein von der
Probe 112 erzeugtes rotierendes Magnetfeld zu detektieren.
Die Probe kann ein Kontrastmittel 114 aufweisen. Eine Relaxivität
des Kontrastmittels 114 kann eine vorbestimmte Abhängigkeit
von der Magnetfeldstärke haben. Insbesondere kann eine
die Relaxivität des Kontrastmittels 114 bei der
Magnetfeldstärke B0 messbar der Relaxivität des
Kontrastmittels 114 bei der Magnetfeldstärke B0
+ ΔB unterscheiden. Ferner kann das Magnetresonanztomographiegerät
eine Bedienungs- und Bildanzeigeeinrichtung 122 aufweisen,
die mit der Steuerung 100 gekoppelt ist.
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Die
Steuerung 100 kann als Magnetresonanz-Steuereinrichtung
mit dem zweiten Magnetfeldgenerator 104 der Hochfrequenz-Sende-Empfangseinrichtung 106 sowie
dem Gradientensystem 108 gekoppelt sein, um beispielsweise
die Parameter ΔB, HF, Gx, Gy, Gz zu überwachen
bzw. einzustellen. Beispielsweise kann die Steuerung 100 eine
Schalteinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um die Stärke
des evolutionären Magnetfeldes umzuschalten bzw. zu variieren.
Dazu kann die Schalteinrichtung ausgebildet sein, um den zweiten
Magnetfeldgenerator 104 anzusteuern. Beispielsweise kann
die Schalteinrichtung ausgebildet sein, um durch aktivieren bzw.
deaktivieren des zweiten Magnetfeldgenerators 104 zwischen
der ersten Magnetfeldstärke B0 der zweiten Magnetfeldstärke
B0 + ΔB umzuschalten. Um weitere Magnetfeldstärken
zu erzeugen, können zusätzliche Magnetfeldgeneratoren
bereitgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann
eine Magnetfeldstärke des ersten oder zweiten Magnetfeldgenerators 102, 104 variierbar
sein. Weist die Relaxitivität des Kontrastmittels 114 eine
Abhängigkeit von der anliegenden Magnetfeldstärke
auf, so kann die Relaxitivität des Kontrastmittels 114,
durch Umschalten der Magnetfeldstärke des evolutionären
Magnetfeldes moduliert werden.
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1B zeigt
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Magnetresonanztomographiegeräts gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Das Magnetresonanztomographiegerät unterscheidet sich von
dem in 1A gezeigten Magnetresonanztomographiegerät
darin, dass die Funktionalität des zweiten Magnetfeldgenerators
von dem ersten Magnetfeldgenerator 102 bereitgestellt wird.
Somit ist der zweite Magnetfeldgenerator nicht erforderlich.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel nutzt die Erfindung den Magnetfeldgenerator 102 zum
Erzeugen eines starken, zeitlich veränderbaren homogenen
Magnetfeldes B0 zur Polarisation der Probe 112. Die Magnetfeldstärke
kann während bestimmter vorausgewählter Zeitpunkte
in einer Magnetresonanz-Pulssequenz verändert werden. Der
Magnetfeldgenerator 102 kann beispielsweise als Elektromagnet
ausgeführt sein, dessen Magnetfeldstärke sich
durch Ändern der Strom stärke beispielsweise zwischen
einer ersten Magnetfeldstärke B0 und einer zweiten Magnetfeldstärke
B0 + ΔB variieren lässt.
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2 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Datenaufnahme gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Damit lässt
sich beispielsweise eine kontrastverstärkte Abbildung erstellen.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden zwei Magnetresonanz-Aufnahmen 201, 203 in
der gleichen Schicht der Probe bei unterschiedlichen evolutionären
Magnetfeldstärken durchgeführt. Zunächst
wird eine erste Magnetresonanz-Datenaufnahme 201 bei der
ersten Magnetfeldstärke B0 durchgeführt. Anschließend
wird eine zweite Magnetresonanz-Datenaufnahme 203 bei der zweiten
Magnetfeldstärke B0 + ΔB durchgeführt. Durch
eine Auswertung 205 der beiden Magnetresonanz-Aufnahmen
kann ein Bild mit verstärktem Kontrast generiert werden.
Die Auswertung 205 kann durch Subtraktion der beiden Magnetresonanz-Aufnahmen
erfolgen. Beispielsweise kann so ein Bild mit verstärktem
Kontrast zwischen Gewebe der Probe, welches Kontrastmittel enthält,
und Gewebe, welches kein Kontrastmittel enthält, generiert
werden. Somit bietet diese Technik Zugang zur kontrastverstärkten
Abbildung zwischen Gewebe, welches Kontrastmittel enthält
bzw. nicht enthält.
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Das
Verfahren kann gemäß dem erfindungsgemäßen
Ansatz variiert werden. Beispielsweise können weitere Datenaufnahmen
bei weiteren Magnetfeldstärken durchgeführt werden.
Auch kann bei der Auswertung 205 eine weitere Aufbereitung
oder Weiterverarbeitung der Datenaufnahmen erfolgen.
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Zum
Ausführen des in 2 gezeigten
Verfahrens zur Datenaufnahme kann die in 1A gezeigte
Steuerung 100 eine Auslöseeinrichtung und eine
Auswerteeinrichtung aufweisen. Die Auslöseeinrichtung kann
ausgebildet sein, um eine Datenaufnahme einer ausgewählten
Schicht der Probe 112 auszulösen. Dazu kann die
Auslöseeinrichtung ausgebildet sein, um die Hochfrequenz-Sende-Empfangseinrichtung 106 und
das Gradientensystem 108 anzusteuern, um die Datenaufnahme
vorzubereiten und durchzuführen. Die Auswerteeinrichtung
kann ausgebildet sein, um die bei der Datenaufnahme gewonnenen Bilddaten zu
verarbeiten und auszuwerten. Beispielsweise kann die Auswerteeinrichtung ausgebildet
sein, um eine Subtraktion der gewonnen Bilddaten durchzuführen
und ein erhaltenes Differenzbild an die Bildanzeigeinrichtung 122 auszugeben.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel kann die Auslöseeinrichtung
ausgebildet sein, um eine erste Datenaufnahme des Magnetresonanztomographiegeräts
bei der ersten Magnetfeldstärke B0 und eine zweite Datenaufnahme
bei der zweiten Magnetfeldstärke B0 + ΔB auszulösen.
Die Auswerteeinrichtung kann ausgebildet sein, um aus der ersten
Datenaufnahme und der zweiten Datenaufnahme eine kombinierte Datenaufnahme
zu generieren. Die Zeitpunkte der ersten und zweiten Datenaufnahme
können vorausgewählt sein und beispielsweise von
den zur Datenaufnahme ausgewählten Magnetfeldstärken
und der Relaxivität des Probenmaterials bzw. Kontrastmittels
abhängen. Beispielsweise kann die Auslöseeinrichtung
ausgebildet sein, um die erste Datenaufnahme auszulösen
nachdem die erste Magnetfeldstärke B0 für eine
vorbestimmte erste Zeitdauer eingestellt war und die zweite Datenaufnahme
auszulösen nachdem die zweite Magnetfeldstärke
für eine vorbestimmte zweite Zeitdauer eingestellt war.
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3 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Datenaufnahme gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Basierend auf dem erfindungsgemäßen Ansatz lässt sich
beispielsweise eine Datenaufnahme generieren, die auf ein Kontrastmittel
mit einer stark magnetfeldabhängigen Relaxivität
abgestimmt ist.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel wird eine Magnetisierung, welche das
Magnetresonanz-Signal erzeugt, so präpariert, dass zum
Zeitpunkt der Datenaufnahme nur bzw. vorwiegend Gewebekomponenten,
die ein Kontrastmittel mit stark Magnetfeld abhängiger
Relaxivität enthalten, zum Magnetresonanz-Signal beitragen.
Erzielt werden kann dies durch eine geeignete Magnetisierungspräparations-Sequenz
bestehend aus der kontrollierten Applikation von beispielsweise
mindestens zwei Hochfrequenz-(HF)-Pulsen und mindestens zwei evolutionären
Magnetfeldstärken, welche zwischen den HF-Pulsen appliziert
werden. Der Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass
nur eine einzelne Magnetresonanz-Aufnahme benötigt wird
und somit ro buster beispielsweise gegen Bewegung von Patienten ist.
Eine mögliche spezifische Pulssequenz zur Magnetisierungspräparation
und ein entsprechender schematischer zeitlicher Magnetisierungsverlauf
sind in 3 gezeigt.
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3 zeigt
im obersten Abschnitt drei Zeitdauern TI1, TI2, TP. Die Zeitdauern
beginnen zum selben Ursprungszeitpunkt. Im darunter liegenden zweiten
Abschnitt ist eine Applikation von drei HF-Pulsen gezeigt. Zu Beginn
der Zeitdauer TI1 wird ein 90° HF-Puls ausgeführt,
nach Beendigung der Zeitdauer TI1 wird ein 180° HF-Puls
ausgeführt und nach Beendigung der Zeitdauer TI2 wird ein
weiterer 180° HF-Puls ausgeführt. Im darunter
liegenden dritten Abschnitt wird eine ZU- bzw. Abschaltung des zusätzlichen
Magnetfelds ΔB gezeigt. Während der Zeitdauer
TI1 und nach der Zeitdauer TI2 ist das zusätzliche Magnetfeld ΔB
ausgeschaltet. Zwischen den zwei 180° Pulsen ist das zusätzliche
Magnetfeld ΔB angeschaltet. Im untersten Abschnitt ist
eine Magnetisierung der Probe gezeigt. Zu Beginn weist die Magnetisierung
einen Wert +M auf. Während des 90° HF-Pulses fällt
die Magnetisierung auf den Wert Null ab und steigt anschließend
während der Zeitdauer TI1 wieder an auf einen zwischen
+M und Null liegenden Wert. Während des ersten 180° HF-Pulses
fällt die Magnetisierung auf einen zwischen –M
und Null liegenden Wert ab und steigt anschließend wieder auf
einen über Null liegenden Wert an. Die Steilheit des Anstiegs
ist abhängig davon, inwiefern eine Relaxitivität
des magnetisierten Materials von dem umgeschalteten Magnetfeld beeinflusst
wird. Die durchgezogene Linie stellt den Fall dar, dass sich die
Relaxitivität nicht oder nur geringfügig durch
das umgeschaltete Magnetfeld beeinflussen lässt. Die gestrichelte
Linie stellt den Fall dar, dass sich die Relaxitivität
erkennbar durch das umgeschaltete Magnetfeld beeinflussen lässt.
Während des zweiten 180° HF-Pulses fällt
die Magnetisierung auf einen zwischen –M und Null liegenden
Wert ab und steigt anschließend wieder an. Nach der Zeitdauer
TP weist die durchgezogene Linie einen Wert von Null oder nahezu
Null auf. Die gestrichelte Linie weist einen Wert zwischen Null
und –M auf. Nach der Zeitdauer TP wird eine Datenaufnahme
durchgeführt.
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Im
folgenden wird der Ablauf der Messung detailliert beschrieben. Zunächst
wird die longitudinale Magnetisierung M durch Einstrahlen eines
geeigneten HF-Anregungspulses um 90° ausgelenkt und somit
auf M = 0 gesetzt. Nach Abschalten des HF-Pulses relaxiert die longitudinale
Magnetisierung M mit der Zeitkonstanten T1. Zum Zeitpunkt TI1 wird die
vorhandene Magnetisierung durch einen 180°-HF-Anregungspuls
invertiert und nach Abschalten des 180°-HF-Pulses ein zusätzliches
Magnetfeld ΔB angeschaltet. Ist kein Kontrastmittel vorhanden, so
relaxiert die longitudinale Magnetisierung M weiterhin mit der Zeitkonstanten
T1, wie es in 3 unten durch die durchgezogene
Linie dargestellt ist. Ist ein Kontrastmittel vorhanden, dessen
Relaxivität bei B0 signifikant anders ist als bei B0 + ΔB,
so relaxiert die longitudinale Magnetisierung mit einer anderen Zeitkonstante
T1', wie es unten in 3 durch die gestrichelte Linie
gezeigt ist. Zum Zeitpunkt TI2 wird das zusätzliche Magnetfeld ΔB
abgeschaltet und anschließend ein weiterer 180°-HF-Puls
eingestrahlt, welcher die longitudinale Magnetisierung M erneut invertiert.
Die Magnetisierung M relaxiert mit der Zeitkonstanten T1. Die Präparationsphase
endet zum Zeitpunkt TP und direkt im Anschluss erfolgt ein konventionelles
Magnetresonanztomographie-Bildgebungsexperiment. Werden die Zeitpunkte
TI1, TI2 und TP geeignet gewählt, so dass die longitudinale Magnetisierung
von Gewebe, dessen T1-Relaxationszeit bei B0 + ΔB sich
nicht oder nur geringfügig von der T1-Relaxationszeit bei
B0 unterscheidet, zum Zeitpunkt TP den Wert M = 0 aufweist, wie
es unten in 3 durch die durchgezogene Linie
gezeigt ist, so werden im anschließenden Magnetresonanztomographie-Experiment
nur jene Gewebetypen abgebildet, welche Kontrastmittel mit stark
Magnetfeld abhängiger Relaxivität enthalten, da
diese zum Zeitpunkt TP eine von Null verschiedene longitudinale Magnetisierung
aufweisen werden, wie es unten in 3 durch
die gestrichelte Linie gezeigt ist.
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Das
Verfahren kann gemäß dem erfindungsgemäßen
Ansatz variiert werden. Beispielsweise können die HF-Pulse
zeitlich vor, nach oder während der Umschaltung des Magnetfelds
ausgeführt werden. Ferner können weitere HF-Pulse
ausgelöst werden und es können weiteren Magnetfeldstärken
eingesetzt werden.
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Zum
Ausführen des in 3 gezeigten
Verfahrens zur Datenaufnahme kann die in den 1A oder 1B gezeigte
Steuerung 100 eine Auslenkeinrichtung aufweisen, die ausgebildet
ist, um eine Auslen kung einer longitudinalen Magnetisierung der Probe 112 auszulösen.
Dazu kann die Auslenkeinrichtung beispielsweise ausgebildet sein,
um die Hochfrequenz-Sende-Empfangseinrichtung 106 anzusteuern.
Ferner kann die Steuerung 100 eine Auslöseeinrichtung
aufweisen, die ausgebildet ist, um eine Datenaufnahme der Probe 112 auszulösen. Dazu
kann die Auslöseeinrichtung ausgebildet sein, um die Hochfrequenz-Sende-Empfangseinrichtung 106 und
das Gradientensystem 108 anzusteuern, um die Datenaufnahme
vorzubereiten und durchzuführen.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel kann die Auslenkeinrichtung ausgebildet
sein, um eine erste Auslenkung einer longitudinalen Magnetisierung
der Probe 112 auszulösen. Die erste Auslenkung
kann beispielsweise eine Invertierung der longitudinalen Magnetisierung
der Probe 112 auslösen. Dabei kann die Probe 112 ein
erstes Material, beispielsweise Gewebe und ein zweites Material,
beispielsweise das Kontrastmittel 114 aufweisen. Beide
Materialien weisen zumindest bei der Magnetfeldstärke,
die nach der ersten Auslenkung eingestellt ist, unterschiedliche
Relaxationszeiten auf. Somit ändert sich eine longitudinale
Magnetisierung des ersten und des zweiten Materials nach der ersten
Auslenkung unterschiedlich schnell. Um diesen Effekt auszunutzen
ist die Auslöseeinrichtung ausgebildet, um eine Datenaufnahme
des Magnetresonanztomographiegeräts zu einem Aufnahmezeitpunkt
auszulösen, bei dem eine longitudinale Magnetisierung des
ersten Materials einen Wert von oder nahe Null aufweist.
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Ferner
kann die Auslenkeinrichtung ausgebildet sein, um zwischen der ersten
Auslenkung und dem Aufnahmezeitpunkt eine weitere Auslenkung der
longitudinalen Magnetisierung der Probe 112 auszulösen.
Die weitere Auslenkung kann beispielsweise wiederum eine Invertierung
der longitudinalen Magnetisierung der Probe 112 auslösen.
In diesem Fall kann die Schalteinrichtung 100 ausgebildet
sein, um zwischen der ersten und der weiteren Auslenkung eine andere
Magnetfeldstärke als nach der weiteren Auslenkung einzustellen.
Beispielsweise kann die Schalteinrichtung 100 ausgebildet
sein, um zwischen der ersten und der weiteren Auslenkung eine größere
Magnetfeldstärke B0 + ΔB und nach der weiteren
Auslenkung eine niedrigere Magnetfeldstärke B0 einzustellen.
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Ferner
kann die Auslenkeinrichtung ausgebildet sein, um vor der ersten
Auslenkung eine vorangegangene Auslenkung auszulösen. Dadurch
kann die longitudinale Magnetisierung der Probe auf einen definierten
Ausgangswert, beispielsweise Null, eingestellt werden. In diesem
Fall kann die Schalteinrichtung ausgebildet sein, um zwischen der
vorangegangenen Auslenkung und der ersten Auslenkung die niedrigere
Magnetfeldstärke B0 einzustellen.
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4 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln einer Konzentration
eines Probenmaterials gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel ist eine Quantifizierung von Kontrastmittel-Konzentrationen möglich.
Dies kann durch Messung der Relaxationszeiten (T1, T2 oder T2*)
bei mindestens zwei oder mehr unterschiedlichen Magnetfeldstärken
Btotal erfolgen. Unter Berücksichtigung
von Gleichung 1 und der Annahme, dass sich der diamagnetischen Beitrag zur
Relaxationszeit TD nicht ändert, ergibt sich die gemessene
T-Zeit als Funktion der evolutionären Magnetfeldstärke
Btotal wie folgt: 1/T(Btotal) = 1/TD + R(Btotal)[KM] (Gleichung
2)
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In
Gleichung 2 stellen T die gemessene T1-, T2- oder T2*-Relaxationszeit,
TD den diamagnetischen Beitrag zur Relaxationszeit, R die Relaxivität (R1,
R2 oder R2*) des Kontrastmittels und [KM] die lokale Kontrastmittelkonzentration
dar. Somit kann es sich bei 1/T um 1/T1, 1/T2 oder 1/T2* handeln,
insbesondere falls R1, R2 oder R2* stark Magnetfeld abhängig
sind. Ist die Magnetfeldabhängigkeit der Kontrastmittel-Relaxivität
R bekannt, so ergeben sich für T-Messungen bei mindestens
zwei Magnetfeldstärken Btotal für
Gleichung 2 mindestens zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten, nämlich
TD und [KM]. Die mindestens zwei Gleichungen können mit
einfachen mathematischen Mitteln nach TD und [KM] aufgelöst werden.
Auf diese Weise kann die lokale Kontrastmittelkonzentration [KM]
im Gewebe quantitativ bestimmt werden.
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Ein
möglicher Ablauf des Verfahrens ist in 4 gezeigt.
Zunächst wird eine quantitative räumlich aufgelöste
T1-Messung 401 bei der Magnetfeldstärke B0 durchgeführt.
Anschließend wird eine quantitative räumlich aufgelöste
T1-Messung 403 bei der Magnetfeldstärke B0 + ΔB
durchgeführt. Im letzten Schritt erfolgt eine Auswertung 405 der
Messergebnisse bei den unterschiedlichen Magnetfeldstärken
nach Gleichung 2 für Btotal = B0
und Btotal = B0 + ΔB sowie die
Berechnung von [KM].
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Zum
Ausführen des in 4 gezeigten
Verfahrens zum Ermitteln einer Konzentration eines Probenmaterials 114,
beispielsweise eines Kontrastmittels, kann die in den 1A oder 1B gezeigte Steuerung 100 eine
Erfassungseinrichtung aufweisen. Die Erfassungseinrichtung kann
ausgebildet sein, um eine Erfassung einer Relaxationszeit, beispielsweise
einer T1-Relaxationszeit auszulösen. Dazu kann die Erfassungseinrichtung
ausgebildet sein, um die Hochfrequenz-Sende-Empfangseinrichtung 106 anzusteuern.
Die Erfassung unterschiedlicher Relaxationszeiten kann zu vorbestimmten
Zeitpunkten, beispielsweise abhängig von einem Umschalten
der Magnetfeldstärke durch die der Schalteinrichtung erfolgen.
Die Erfassungseinrichtung kann ferner ausgebildet sein, um die gemessenen
Relaxationszeiten zu empfangen und auszuwerten, um die Konzentration
des Probenmaterials 114 zu ermitteln. Dazu kann die Erfassungseinrichtung
Daten über eine Abhängigkeit der Relatationszeit
des Probenmaterials 114 bei unterschiedlichen Magnetfeldstärken
aufweisen oder bereitgestellt bekommen. Insbesondere kann die Erfassungseinrichtung
ausgebildet sein, um ein mathematisches Gleichungssystem zu lösen,
um die Konzentration zu ermitteln.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel ist die Erfassungseinrichtung ausgebildet,
um eine Erfassung einer ersten Relaxationszeit bei einer ersten Magnetfeldstärke
und eine Erfassung einer zweiten Relaxationszeit bei einer zweiten
Magnetfeldstärke auszulösen. Die Erfassungseinrichtung
ist ferner ausgebildet, um die Konzentration des Probenmaterials
basierend auf der ersten und der zweiten Relaxationszeit sowie den
Daten über die Abhängigkeit der Relatationszeit
des Probenmaterials von der ersten und der zweiten Magnetfeldstärke
zu ermitteln. Bei dem Probenmaterial kann es sich um ein Kontrastmittel
handeln, dessen Relaxitivität im Vergleich zu einem weiteren
Probenmaterial, beispielsweise einem Gewebe der Probe, eine andere
Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke aufweist.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel für eine kontrastverstärkte
Darstellung von Kontrastmitteln mit stark Magnetfeld abhängiger
R2-Relaxivität. Insbesondere lässt sich gemäß diesem
Verfahren eine Änderung der R2-Relaxivität darstellen.
Ein erstes Experiment ist in dem oberen Diagramm und ein zweites
Experiment ist in dem unteren Diagramm dargestellt. Das zweite Experiment
kann zeitlich nach dem ersten Experiment durchgeführt werden.
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Zunächst
wird im ersten Experiment ein konventionelles Spin-Echo Bildgebungsexperiment
bei einer Magnetfeldstärke B0 durchgeführt. Anschließend
wird im zweiten Experiment in der gleichen zu untersuchenden Schicht
ein weiteres Bildgebungsexperiment mit gleichem zeitlichen Abstand
TE/2 zwischen 90°-HF-Puls und 180°-HF-Puls durchgeführt. Hier
wird nach Auslenken der Magnetisierung mittels eines 90°-HF-Pulses
das Magnetfeld zwischen B0 und B0 + ΔB variiert. Ebenfalls
kann die Magnetfeldstärke des Magnetfelds nach Einstrahlen
des 180°-HF-Pulses und vor der Datenaufnahme 510 zwischen
B0 und B0 + ΔB variiert werden. Dazu kann die Magnetfeldstärke
ausgehend von B0 für eine vorbestimmte Zeitdauer auf B0
+ ΔB angehoben und anschließend wieder auf B0
abgesenkt werden. Kontrastmittel mit stark Magnetfeld abhängiger
R2-Relaxivität führen zu einer veränderten
T2-Relaxation der Transversalmagnetisierung während das
Magnetfeld den Wert B0 + ΔB aufweist und liefern dadurch
im Vergleich zum ersten Experiment ein verändertes Signal 512 zum
Zeitpunkt der Datenaufnahme 510. Die Auswerteeinrichtung
kann ausgebildet sein, um aus der ersten Datenaufnahme und der zweiten
Datenaufnahme eine kombinierte Datenaufnahme, beispielsweise durch
Subtraktion beider Datenaufnahmen, zu generieren.
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Das
Ausführungsbeispiel nach 5 kann gemäß dem
erfindungsgemäßen Ansatz variiert werden. Beispielsweise
können die HF-Pulse zeitlich vor, nach oder während
der Umschaltung des Magnetfelds ausgeführt werden. Ferner
können weitere HF-Pulse ausgelöst werden. Auch
können weitere Experimente bei weiteren Magnetfeldstärken
durchgeführt werden.
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Die
in den 1A und 1B gezeigte Steuerung 100 kann
ausgebildet sein, um die anhand der 2 bis 5 beschriebenen
Verfahren auszuführen.
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Für
diese Erfindung werden neuartige Kontrastmittel mit geeigneten Relaxations-Dispersions-Profilen
benötigt. Ein Schlüsselelement ist die signifikante
Abhängigkeit der physikalischen Eigenschaften eines Kontrastmittels
von der Magnetfeldstärke. Ein bevorzugtes Kontrastmittel
weist einen signifikanten Anstieg, bzw. einen signifikanten Abfall der
R1-Relaxivität bei anwachsendem Magnetfeld gegenüber
der R1-Relaxivität des umgebenden Gewebes auf. Üblicherweise
sinkt R1 von Gewebe leicht bei ansteigender Magnetfeldstärke.
Weitere bevorzugte Kontrastmittel weisen andere physikalische Eigenschaften,
wie z. B. R2-Relaxivität, R2*-Relaxivität, mit
einer signifikanten Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke
auf, so dass die Kontrastmittel durch gezieltes Anwenden unterschiedlicher
evolutionärer Magnetfelder identifiziert und quantifiziert
werden können.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Methode zur biomedizinischen
Abbildung von menschlichen und nicht-menschlichen Objekten mittels
Kontrastmittel unterstützter Magnetresonanztomographie.
Sie richtet sich gezielt an eine Modulation der Kontrastmittel-Effizienz
durch eine externe Quelle während bestimmter vorausgewählter
Zeitpunkte einer Magnetresonanztomographie Sequenz.
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Die
beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft
gewählt und können miteinander kombiniert werden.
Insbesondere können die Magnetfeldstärken bei
denen Messungen vorgenommen werden geändert werden und
es können zusätzliche Messungen bei denselben
oder weiteren Magnetfeldstärken durchgeführt werden.
Die beschriebene erste Magnetfeldstärke kann einen größeren
Wert oder einen geringeren Wert als die beschriebene zweite Magnetfeldstärke
aufweisen. Die Magnetfeldstärken können so gewählt
werden, dass sie an ein Relaxivitätsverhalten der zu untersuchenden
Probenmaterialien und insbesondere der verwendeten Kontrastmittel
angepasst sind. Genannte Bereichsangaben sollen jeweils die genannten
Randwerte als auch alle dazwischen liegenden Werte umfassen.
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Die
erfindungsgemäßen Verfahren können in Hardware
oder in Software implementiert werden. Die Implementierung kann
auf einem digitalen Speichermedium mit elektronisch auslesbaren
Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem
zusammenwirken können, dass die erfindungsgemäßen
Verfahren ausgeführt werden. Die Erfindung besteht somit
auch in einem Computer-Programm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren
Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung
der erfindungsgemäßen Verfahren, wenn das Computer-Programm-Produkt
auf einem Rechner abläuft. Somit kann die Erfindung als
ein Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung
der erfindungsgemäßen Verfahren realisiert werden,
wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Bottomley
PA, et al. Med Phys. 1984 Jul-Aug; 11(4): 425–48 [0011]
- - Fatin-Rouge et al, Journal of Allogs and Compounds 374 (2004):
289–302 [0013]