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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme eines
MR-Bildes eines Eisenoxidpartikel enthaltenden Gewebes.
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Eisenoxidpartikel
können von Zellen aufgenommen werden und erlauben somit
deren Markierung. Das Eisen kann in der Magnetresonanztomographie
(MRT) mit T2*-gewichteten Gradientenechosequenzen nachgewiesen werden,
die sehr sensitiv für Magnetfeldinhomogenitäten
sind. Nachteilig ist, dass die Eisenoxidpartikel im T2*-gewichteten
Bild zu Signalverlusten führen. Daher können Areale
mit sehr geringer Signalintensität im MR-Bild nicht eindeutig
auf die Eisenoxidpartikel zurückgeführt werden,
solange andere Quellen von Signalverlusten wie beispielsweise Lufteinschlüsse
oder Dephasierungen durch schnellen Blutfluss nicht ausgeschlossen werden
können. Somit ist immer eine Vergleichsaufnahme vor Eisengabe
notwendig. Aus diesem Grund sind Messverfahren entwickelt worden,
bei denen Eisenoxidpartikel enthaltende Gewebe einen positiven Bildkontrast
darstellen. Im Stand der Technik ist eine Reihe von Verfahren bekannt,
die alle auf der Tatsache beruhen, dass die Eisenpartikel mikroskopische magnetische
Dipolfelder erzeugen. Sie erzeugen in ihrer Nähe sowohl
Magnetfeldgradienten als auch eine Verschiebung der Resonanzfrequenz
der sie umgebenden Protonen. In Magnetic Resonance in Medicine,
Mai 2005, 53(5):999–1005 von Charles H. Cunningham mit
dem Titel "Positive contrast magnetic resonance imaging
of cells labeled with magnetic nanoparticles" werden
Spinechosequenzen mit nichtselektiven 90°- und 180°-Pulsen
verwendet. Die Pulse sind jedoch ca. 500 bis 1500 Hz von der Resonanzfrequenz
freier Protonen entfernt, so dass nur Protonen mit starker Verschiebung
der Resonanzfrequenz in unmittelbarer Nähe der Eisenoxidpartikel zum
Messsignal beitragen.
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In
einem Artikel von J. H. Seppenwoolde „Dephased
MRI" in Magnetic Resonance in Medicine, 2006, 55(1):92–97 wird
beschrieben, dass Eisenpartikel enthaltendes Gewebe detektiert wird
durch Gradientenechosequenzen mit nicht ausgewogenem Echo, d. h.
mit einem dephasierten 0. Gradientenmoment zur Echozeit. Die Feldgradienten
in Partikelnähe kompensieren die Dephasierung und resultieren im
Idealfall in einem vollen Messsignal während die Protonen
im homogenen Magnetfeld einen starken Signalverlust durch die Dephasierung
erleiden.
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Weiterhin
ist in dem Artikel von M. Stuber „Positive contrast
visualization of iron Oxide-labled stem cells using inversion-recovery
with ON-resonant water suppression (IRON)" in Magnetic
Resonance in Medicine, 2007; 58(5):1072–1077 offenbart, dass
die Eisendetektion durch eine Frequenzselektive Präparierung
der Längsmagnetisierung vor der Bildgebung erfolgt. Resonante
Protonenseins, die keine Frequenzverschiebung durch Eisen aufweisen, werden
durch spezielle Vorpulse gezielt unterdrückt. Dieses Verfahren
hat jedoch den Nachteil, dass die T1-Relaxationszeiten der Wasserprotonen
im Messobjekt lokal stark schwanken können, so dass eine vollständige
Unterdrückung der resonanten Protonen nur im homogenen
Gewebe mit einheitlicher und bekannter T1-Relaxationszeit möglich
ist.
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Aus
diesem Grund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Eisenoxidpartikel
mit positiver Signaldifferenz gegenüber dem umliegenden
Gewebe darzustellen, wobei dies auch bei inhomogenem Gewebe mit
unterschiedlichen nicht bekannten T1-Zeiten möglich sein
soll.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche
gelöst. In den abhängigen Ansprüchen
der Erfindung sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Aufnahme eines
MR-Bildes eines Eisenoxidpartikel enthaltenden Gewebes bereitgestellt,
bei dem die Längsmagnetisie rung vor Aufnahme des MR-Bildes
frequenzselektiv invertiert wird, wobei das MR-Bild schließlich
bei einem Nulldurchgang der Längsmagnetisierung aufgenommen wird.
Erfindungsgemäß wird nun die Längsmagnetisierung
vor Aufnahme des MR-Bildes durch mehrere Inversionspulse invertiert,
die einen festen zeitlichen Abstand zueinander aufweisen. Wie nachfolgend noch
näher erklärt wird, wird hierdurch erreicht, dass nahezu
unabhängig von der T1-Zeit der beteiligten Gewebe die Protonen
einen gemeinsamen Nulldurchgang der Magnetisierung haben, so dass
im Wesentlichen unabhängig von der T1-Zeit ein positives
Signal des Gewebes, welches keine Eisenoxidpartikel enthält,
verhindert wird.
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Das
Spektrum eines Messobjekts im menschlichen Körper hat im
Wesentlichen zwei Peaks, den Peak der Wasserprotonen und den Peak der
Fettprotonen. Vorzugsweise werden nun gemäß einem
Aspekt der Erfindung jeweils für die Wasser- und die Fettanteile
des Gewebes Inversionspulse zur Invertierung der Wasser- und Fettgewebe
eingestrahlt, wobei die Inversionspulse des Wassers bzw. die Inversionspulse
des Fettes jeweils zueinander einen festen zeitlichen Abstand haben,
d. h. die Inversionspulse für die Wasserprotonen haben
einen festen zeitlichen Abstand, sowie die Inversionspulse der Fettprotonen.
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Um
einen Gleichgewichtszustand bei der wiederholt invertierten Magnetisierung
der Wasser- und Fettanteile zu erreichen sollte die Längsmagnetisierung
zumindest 5, vorzugsweise 7–10 Mal vor der Aufnahme des
MR-Bildes invertiert werden, damit erreicht wird, dass der Nulldurchgang
der invertierten Magnetisierung im Wesentlichen zum gleichen Zeitpunkt
erfolgt. Wie dem Fachmann bekannt ist, bedeutet der Nulldurchgang,
dass die Magnetisierung in Richtung des Hauptmagnetfeldes, d. h.
in Richtung der Längsachse, üblicherweise 0 ist
zu diesem Zeitpunkt des Nulldurchgangs. Anders ausgedrückt
soll die Längsmagnetisierung vor Aufnahme des MR-Bildes
vorzugsweise über vier Sekunden, weiterhin vorzugsweise über
fünf Sekunden invertiert werden, bevor mit der Bildaufnahme
der Eisenoxidpartikel begonnen wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Längsmagnetisierung
weiterhin während der Aufnahme des MR-Bildes invertiert,
wobei zwischen dem Nulldurchgang und der darauffolgenden Invertierung
der Längsmagnetisierung zumindest ein Teilbereich des MR-Bildes
aufgenommen wird. Vorzugsweise erfolgt zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs
der invertierten Magnetisierung die Anregung der Eisenoxidpartikel
enthaltenden Gewebe, die Signale zum MR-Bild beitragen sollen. Als Bildgebungssequenz
wird vorzugsweise eine schnelle Bildgebungssequenz wie eine Turbo-Spinecho, eine
segmentierte Gradientenechosequenz oder eine EPI-Sequenz (Echo Planar
Imaging) verwendet. Weiterhin vorzugsweise werden mehrere 2D-Schichten
oder mehrere Blöcke einer 3D-Bildgebungssequenz für
die Bildgebung aufgenommen, wobei zwischen zwei Inversionspulsen
zumindest ein Teilbereich einer ersten Schicht aufgenommen wird,
während zwischen zwei darauffolgenden Inversionspulsen
zumindest ein Teilbereich einer zweiten Schicht aufgenommen wird.
Diese verschachtelte Aufnahmetechnik hat den Vorteil, dass durch
die Bildgebung der Gleichgewichtszustand der Protonen außerhalb der
gerade angeregten Schicht nicht gestört wird. Dies ermöglicht
eine wesentlich schnellere Datenakquisition als bei dem Verfahren
gemäß dem Stand der Technik, bei dem je eine Invertierung
pro Datenakquisition in einer Schicht vorgenommen wird, so dass
eine verschachtelte Mehrschichtaufnahme nicht möglich ist.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Magnetresonanzanlage zur Aufnahme
eines MR-Bildes eines Eisenoxidpartikel enthaltenden Gewebes, wobei
eine HF-Einstrahleinheit zum frequenzselektiven Invertieren einer
Längsmagnetisierung vor Aufnahme des MR-Bildes vorgesehen
ist und eine Bildaufnahmeeinheit zur Aufnahme eines MR-Bildes bei
einem Nulldurchgang der Längsmagnetisierung. Im vorliegenden
Sinne sind in der Bildaufnahmeeinheit sämtliche Elemente
umfasst, die von der Signaldetektion mit einer Spule bis zur Darstellung
des fertigen MR-Bildes notwendig sind. Die HF-Einstrahleinheit ist
nun derart ausgebildet, dass vor Aufnahme des MR-Bildes durch die
Bild aufnahmeeinheit die Längsmagnetisierung durch Einstrahlen
von mehreren Inversionspulsen invertiert wird, wobei die Inversionspulse
einen festen zeitlichen Abstand zueinander haben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
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1 das
Frequenzspektrum mit dem Fett- und dem Wasserpeak, der durch eingelagerte
Eisenoxidpartikel verbreitert ist,
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2 schematisch
die Pulssequenz und den Magnetisierungsvorlauf nach dem Stand der
Technik,
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3 schematisch
die Bildgebungssequenz zur Aufnahme von Eisenoxidpartikeln gemäß der
vorliegenden Erfindung,
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4 den
zeitlichen Verlauf der Magnetisierung bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren für zwei verschiedenen T1-Zeiten,
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5 einen
vergrößerten Abschnitt des Verlaufs von 4,
und
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6 den
Verlauf der Magnetisierung beim Stand der Technik und gemäß der
vorliegenden Erfindung.
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In 1 zeigt
in einem idealen Messobjekt das Frequenzspektrum das im Wesentlichen
aus zwei Peaks besteht, nämlich dem Fettpeak 10 und dem
Wasserpeak 11. Der Größenunterschied
der beiden Peaks ist hier nicht im richtigen Größenverhältnis
dargestellt, da der Wasserpeak üblicherweise 100 bis 1000
mal so groß wie der Fettpeak ist. Werden einer Untersuchungsperson
Eisenoxidpartikel verabreicht, die sich nur im Wasser anreichern,
so ist ausschließlich der Wasserpeak im Frequenzspektrum
erweitert wie durch die Verbreiterung 12 in 1 zu
erkennen ist. Wenn nun die in der 1 grau unterlegten
Frequenzbereiche durch geeignete Präparierung der longitudi nalen
Magnetisierung unterdrückt werden, können die
Signalanteile der Gewebe mit Eisenoxidpartikeln ein positives Signal,
d. h. ein gegenüber dem Fett und Wasser verstärktes
Signal haben.
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In 2 ist
nun die Bildgebungssequenz und der Verlauf der Magnetisierung dargestellt,
wie er im Stand der Technik durch das eingangs erwähnte
Verfahren von M. Stuber bekannt ist. Rechts ist die Längsmagnetisierung
Mz im zeitlichen Verlauf dargestellt. Im Graph 21 ist der
Verlauf der Magnetisierung der Fettprotonen dargestellt, während
in Graph 22 der Verlauf der Magnetisierung der Wasserprotonen dargestellt
ist. Wie aus dem Bild zu erkennen ist, haben beide unterschiedliche
T1-Zeiten. Um nun sicherzustellen, dass bei der Invertierung der
Fett- und der Wasserprotonen diese gleichzeitig bei der eigentlichen
Signalauslese für die Eisenoxidpartikel keinen Beitrag
zum Gesamtsignal liefern, müssen diese gleichzeitig keine
Längsmagnetisierung aufweisen. Aus diesem Grund muss beispielsweise
aufgrund der längeren T1-Zeit der Wasserpeak vor dem Fettpeak angeregt
werden. Zum Zeitpunkt 23, wenn sowohl die Wasser- als auch
die Fettprotonen keine Längsmagnetisierung haben, erfolgt
die Bildgebung für die Eisenoxidpartikel. Mit 24 ist
schematisch die Magnetisierung der Eisenoxidpartikel enthaltenden
Gewebe dargestellt, die von der Anregung idealerweise nicht berührt
werden.
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Auf
der linken Seite von 2 ist hierfür die Bildgebungssequenz
schematisch dargestellt. Zur frequenzselektiven Anregung der Wasserprotonen wird
durch Schalten eines Gradienten 25 und gleichzeitiger frequenzselektiver
Einstrahlung eines HF-Pulses 26 der Wasserpuls invertiert,
während durch Schalten des Gradienten 27 und des
HF-Pulses 28 die Fettprotonen invertiert werden, bevor
zum Zeitpunkt 23 durch einen HF-Puls 29 die eigentliche Bildgebung
für die Aufnahme des MR-Bildes für die Eisenoxidpartikel
enthaltenden Gewebe beginnt.
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In 3 ist
nun die Bildgebungssequenz zur T1-unabhängigen Aufnahme
von MR-Bildern von Eisenoxidpartikeln gezeigt. Wie aus dem Verlauf
der Gradientenschaltung und der Schaltung der HF-Pulse zu erkennen
ist, werden im festen zeitlichen Abstand jeweils Gradienten 31 und
HF-Pulse 32 zur Invertierung der Wasserprotonen geschaltet
und anschließend Gradienten 33 und HF-Pulse 34 zur
Invertierung der Fettsignalanteile. Der zeitliche Abstand zwischen
den einzelnen Anregungspulsen für Wasser 32 ist
zeitlich konstant, ebenso der zeitliche Abstand zwischen den Invertierungspulsen
für Fett 34.
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In 4 ist
im zeitlichen Verlauf die zugehörige Längsmagnetisierung
für unterschiedliche T1-Zeiten dargestellt, wobei die T1-Zeiten
von 900 ms Wassergewebe darstellt, während die T1-Zeit
von 350 ms Fettgewebe symbolisiert. Wie aus dem zeitlichen Verlauf
der Magnetisierung zu erkennen ist, wird die Magnetisierung durch
die wiederholte Invertierung insgesamt verringert und oszilliert
um den Nullpunkt, wobei nach ca. 4 bis 5 Sekunden ein Gleichgewichtszustand
erreicht wird.
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In 5 ist
ein Teil des zeitlichen Verlaufs der Magnetisierung von 4 vergrößert
dargestellt, wobei zu erkennen ist, dass die Magnetisierung der Fettprotonen 35 und
die Magnetisierung der Wasserprotonen 36 unabhängig
von der T1-Zeit einen gemeinsamen Nulldurchgang der Magnetisierung
zu den Zeitpunkten T01 und T02 haben,
wie aus 5 zu entnehmen ist.
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Wie
aus 4 und 5 zu erkennen ist, muss die
Magnetisierung einige Male invertiert werden, bis der Gleichgewichtszustand
erreicht wird. Nach etwa 5 Sekunden, in denen die Magnetisierung wiederholt
invertiert wird, wird dieser Gleichgewichtszustand erreicht. Zu
den Zeitpunkten T01 und T02 sollte
nun die Anregung für die Bildgebung erfolgen. Ein optimales
Schema für eine Bildgebungssequenz mit mehr als einer Schicht
liegt vor, wenn in der Zeit zwischen Nulldurchgang der Magnetisierung
und der darauffolgenden globalen Inversion jeweils ein Auslesezug,
d. h. ein Teilbereich des MR-Bildes einer bestimmten Schicht aufgenommen
wird, wobei zwischen denn nächsten Inversionspulsen dann
eine andere Schicht auf genommen wird. Hierdurch wird der Gleichgewichtszustand
der Protonen außerhalb der gerade angeregten Schicht nicht
gestört.
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In 6 ist
schematisch der Magnetisierungsverlauf gemäß der
vorliegenden Erfindung im rechten Bildbereich dargestellt, während
links im Vergleich das Verfahren von M. Stuber gemäß dem Stand
der Technik dargestellt ist. Im Verfahren gemäß des
Standes der Technik wird der Wasserpeak zuerst angeregt wie es aus
dem Magnetisierungsverlauf 41 zu erkennen ist, vor der
Anregung der Fettprotonen die einen Signalverlauf 42 haben.
Beim Nulldurchgang der beiden Magnetisierungen erfolgt die Bildgebung
zum Zeitpunkt 43 wobei die Eisenoxidpartikel enthaltenden
Protonen zu diesem Zeitpunkt angeregt werden. Im rechten Teil von 6 ist
das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt, wobei
die Eisenoxidpartikel enthaltenden Gewebe in Graph 45 dargestellt
sind im Verlauf der Magnetisierung. Zu den Zeitpunkten bei denen
die Magnetisierung der Wasserprotonen 41 und die Magnetisierung
der Fettprotonen 42 den Nulldurchgang aufweist erfolgt
zu den Zeitpunkten 44 die verschachtelte Aufnahme mehrerer
Schichten. Wie aus 6 zu erkennen ist, ist die Datenakquisition
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um einiges
schneller als bei dem im Bild links dargestellten Verfahren gemäß dem
Stand der Technik, da eine verschachtelte Mehrschichtaufnahme möglicht
ist, die im Stand der Technik nicht möglich ist.
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Zusammenfassend
ermöglicht die vorliegende Erfindung die Darstellung von
Eisenoxidpartikel enthaltenden Geweben mit positiven Signalen, wobei die
Unterdrückung resonanter Protonen im Wesentlichen T1-unabhänig
ist. Weiterhin ist eine wesentlich beschleunigte Bildgebung durch
verschachtelte Aufnahme mehrerer 2D-Schichten oder auch von 3D-Dünnschichtblöcken
möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Magnetic Resonance
in Medicine, Mai 2005, 53(5):999–1005 von Charles H. Cunningham
mit dem Titel ”Positive contrast magnetic resonance imaging
of cells labeled with magnetic nanoparticles” [0002]
- - J. H. Seppenwoolde „Dephased MRI” in Magnetic
Resonance in Medicine, 2006, 55(1):92–97 [0003]
- - M. Stuber „Positive contrast visualization of iron Oxide-labled
stem cells using inversion-recovery with ON-resonant water suppression
(IRON)” in Magnetic Resonance in Medicine, 2007; 58(5):1072–1077 [0004]