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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Störsignalen, die in Form von Spikes in der Frequenzdarstellung von Magnetresonanzspektroskopie-Signalen vorkommen.
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In Magnetresonanzspektroskopie-Signalen sind manchmal unerwünschte Störsignale enthalten, die in Form von Spikes in der Frequenzdarstellung des Signals erkennbar sind. Diese Störsignale können beispielsweise durch nicht optimale Restmagnetisierungsunterdrückung zustande kommen.
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Diese Störsignale können die Signalauswertung des Nutzsignals erschweren, da einerseits die Spikes als Resonanzlinien des Nutzsignals aufgefasst werden könnten und andererseits Spikes sich den Resonanzlinien des Nutzsignals so überlagern können, dass sie nicht direkt als Störsignale erkennbar sind, aber das Nutzsignal stark verfälschen. Daher können diese Spikes eine Auswertung der aufgenommenen Spektren erschweren oder unmöglich machen.
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Bisher wurde eine Auswertung von Magnetresonanzspektroskopie-Signalen in Bezug auf Störsignale rein visuell vorgenommen. Dies erfordert hohe Sorgfalt und Erfahrung der Personen, welche die Daten auswerten. Insbesondere Personen mit wenig Erfahrung in der Datenauswertung von Magnetresonanzspektren sind daher überfordert, die Daten ausreichend zu beurteilen und zu interpretieren.
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Aus diesem Grund ist es wünschenswert, mögliche Störsignale so eindeutig darzustellen bzw. zu identifizieren, dass die entsprechende Auswertung und Beurteilung der Spektren nicht von der Erfahrung und Sorgfalt der auswertenden Personen abhängig ist. Weiterhin ist es wünschenswert, über die Darstellung und Analyse der Störsignale bezüglich eines gemessenen Magnetresonanzspektroskopie-Signals entscheiden zu können, ob dieses für eine weitere Auswertung geeignet ist oder nicht.
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Jiru, F.: Introduction to post-processing techniques. In: European Journal of Radiology, 67, 2008, 202–217 ist ein Übersichtsartikel, der bekannte Verfahren zur nachträglichen Verbesserung von Signalen beschreibt, die bei In-Vivo-MR-Spektroskopien entstehen. Dabei wird insbesondere auf Störungen durch Wirbelströme, Entfernen unerwünschter Wassersignale und Basislinienkorrektur eingegangen.
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Mierisova, S., u. a.: MR spectroscopy quantitation: a review of frequency domain methods. In: NMR Biomed, 14, 2001, 247–259 gibt einen Überblick über verschiedene Frequenzbereichsmethoden bei der MR-Spektroskopie. Dabei werden einerseits die möglichen Verfahren beschrieben und diskutiert. Weiterhin geht die Schrift auch auf bekannte Verfahren der Unterdrückung von Wassersignalen und zur Behebung von Basislinienstörungen ein.
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Provencher, S. W.: Automatic quantitation of localized in vivo 1H spectra with LC model. In: NMR Biomed, 14, 2001, 260–264 beschreibt ein Verfahren zur Analyse von In-Vivio-MR-Spektren, das LC Modell, welches auf einer Linearkombination von modellierten einzelnen Metabolitenspektren beruht. Das LC Modell benutzt eine sogenannte „regularization method”, die zur Korrektur der Basislinie, zur Unterdrückung von Wassersignalen und von Suszeptibilitätsartefakten eingesetzt werden kann.
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Chang, D., u. a.: Robust baseline correction algorithm for signal dense NMR spectra. In: J Magn Reson, 187, 2007, 288–292 beschreibt einen speziellen Algorithmus zur Korrektur der Basislinie für MR-Spektren, der sich insbesondere für hochaufgelöste MR-Spektren eignet.
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DE 10 2004 012 286 A1 beschreibt ein Verfahren zum Auswerten der Daten eines Magnetresonanzsignals, das Schritte zum Modellieren einer Basislinie und zum Modellieren zumindest eines Metabolitensignals beinhaltet. Das Modellieren der Basislinie erfolgt hierbei auf Grundlage von Magnetresonanzdaten im Zeitbereich und es werden zum Modellieren der Basislinie nur Daten aus einem Zeitintervall verwendet, das mit dem Magnetresonanzsignal beginnt und dessen Länge kurzer als die Dauer des gesamten Magnetresonanzsignals gewählt ist.
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Daher stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, Störsignale, welche in Form von Spikes in Magnetresonanzspektroskopie-Signalen auftreten, zu detektieren.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Detektion von Störsignalen in einem Magnetresonanzspektroskopie-Signal nach Anspruch 1, durch eine Vorrichtung zur Detektion von Störsignalen in einem Magnetresonanzspektroskopie-Signal nach Anspruch 8, durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt nach Anspruch 12 und einen elektronisch lesbaren Datenträger nach Anspruch 13 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Detektion von Störsignalen in einem Magnetresonanzspektroskopie-Signal bereitgestellt. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- 1. Rekonstruktion eines Vergleichs-Signals. Dabei wird rechnerisch ein Vergleichs-Signal erzeugt, welches beispielsweise aus einer Summe von Exponentialfunktionen besteht und welches das gemessene Magnetresonanzspektroskopie-Signal möglichst gut nachbildet. Insbesondere erlaubt die entsprechende mathematische Darstellung des Vergleichs-Signals in der Frequenzdarstellung ein einfaches Bestimmen charakteristischer Resonanzlinien der untersuchten Substanzen. Das Magnetresonanzspektroskopie-Signal und das Vergleichs-Signal können entweder im Zeitbereich oder im Frequenzbereich dargestellt und bearbeitet werden.
- 2. Berechnung eines Residuums. Dabei wird die Differenz der beiden Signale, des gemessenen Magnetresonanzspektroskopie-Signals und des rekonstruierten Vergleichs-Signals gebildet. Das Residuum in der Frequenzdarstellung enthält daher Signalanteile, welche nicht durch das rekonstruierte Signal dargestellt werden.
- 3. Bestimmung der Störsignale aus dem Residuum. Da das rekonstruierte Vergleichs-Signal vorzugsweise alle im gemessenen Magnetresonanzspektroskopie-Signal aufgenommenen Resonanzlinien enthält, welche den untersuchten Substanzen zugeordnet werden können, werden im Residuum ungewünschte Signalanteile, wie Rauschen oder Störsignale in Form von Spikes in der Frequenzdarstellung dargestellt.
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Dabei kann insbesondere das Rauschsignal im Residuum rechnerisch analysiert werden, spike-förmige Signalanteile in der Frequenzdarstellung des Residuums, welche deutlich über dem Rauschen liegen, können dabei als Störsignale in Form von Spikes identifiziert werden. Vorzugsweise kann hierfür eine Standardabweichung des Rauschens im Residuum berechnet werden. Damit kann ein Schwellwert für mögliche Störsignale festgelegt werden. Signale im Residuum, welche höher als der festgelegte Schwellwert sind, können somit sicher als Störsignale identifiziert werden. Daher kann die Identifikation der Störsignale in Form von Spikes nicht nur direkt visuell aus der Frequenzdarstellung des Residuums erfolgen, sondern auch automatisiert mit einem entsprechenden Rechenverfahren. Weiterhin kann dieses Rechenverfahren über die Auswertung der Störsignale auch eine Bewertung der Signalqualität des Magnetresonanzspektroskopie-Signals abgeben und Hinweise auf Fehler im Messaufbau liefern.
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Für die Rekonstruktion eines Vergleichs-Signals wird das gemessene Magnetresonanzspektroskopie-Signal beispielsweise über den Algorithmus der Singular Value Decomposition (SVD) in entsprechende Eigenwerte zerlegt. Weiterhin können auch Verfahren wie der Hankel Singular Value Decomposition (HSVD) oder Linear Prediction Singular Value Decomposition (LPSVD) eingesetzt werden.
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Weiterhin kann sich bereits die Rekonstruktion des Vergleichs-Signals auf einen reduzierten Frequenzbereich beziehen. Beispielsweise kann dieser reduzierte Frequenzbereich auf einen Bereich festgelegt werden, in dem bestimmte erwartete Resonanzlinien der untersuchten Substanzen liegen.
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Insbesondere kann das Verfahren auch als eine zusätzliche Analysemethode bei der bildgebenden Kernresonanztomographie eingesetzt werden. Hierbei können die Magnetresonanzspektroskopie-Signale aus bestimmten räumlich festgelegten Bereichen, sogenannten Voxeln, aufgenommen werden. Damit kann das jeweilige Magnetresonanzspektroskopie-Signal mit seinen für bestimmte Substanzen charakteristischen Resonanzlinien einem bestimmten räumlichen Bereich zugeordnet werden. Gleichzeitig kann über das bildgebende Verfahren der Kernresonanztomographie der jeweilige räumliche Bereich auch in der Kernresonanztomographie-Aufnahme bildlich dargestellt werden.
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Im Rahmen der Erfindung wird auch eine Vorrichtung zur Detektion von Störsignalen in einem Magnetresonanzspektroskopie-Signal bereitgestellt. Dabei umfasst diese Vorrichtung eine Einleseeinheit zur Aufnahme eines Magnetresonanzspektroskopie-Signals, eine Recheneinheit, welche einerseits das Vergleichs-Signal aus dem gemessenen Magnetresonanzspektroskopie-Signal rekonstruiert und andererseits das Residuum über die Differenz aus gemessenem Magnetresonanzspektroskopie-Signal und dem rekonstruierten Vergleichs-Signal berechnet. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Analyseeinheit, welche das Residuum in der Frequenzdarstellung zeigt und/oder entsprechend auswertet.
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Dabei kann die Einleseeinheit beispielsweise die Daten von einem Detektor eines Kernspintomographen aufnehmen.
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Die Recheneinheit ist dabei vorzugsweise so ausgeführt, dass rechnerisch ein Vergleichs-Signal erzeugt wird, welches beispielsweise aus einer Summe von Exponentialfunktionen besteht und welches das gemessene Magnetresonanzspektroskopie-Signal möglichst gut nachbildet. Das führt dazu, dass die rechnerische Darstellung des Vergleichs-Signals in der Frequenzdarstellung ein relativ einfaches Bestimmen charakteristischer Resonanzlinien der untersuchten Substanzen erlaubt. Die Rekonstruktion des Vergleichs-Signals kann sich auch auf einen reduzierten Frequenzbereich beziehen. Beispielsweise kann dieser reduzierte Frequenzbereich auf einen Bereich festgelegt werden, in dem bestimmte erwartete Resonanzlinien der untersuchten Substanzen liegen.
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Weiterhin ist die Analyseeinheit so ausgeführt, dass sie ein Rauschsignal im Residuum rechnerisch analysiert und dabei spike-förmige Signalanteile in der Frequenzdarstellung des Residuums, welche deutlich über dem Rauschen liegen, als Störsignale identifizieren kann. Dabei kann die Analyseeinheit beispielsweise eine Standardabweichung des Rauschsignals im Residuum berechnen. Somit kann über diese Standardabweichung ein Schwellwert festgelegt werden. Spike-förmige Signale in der Frequenzdarstellung des Residuums, welche den festgelegten Schwellwert überschreiten, können somit von der Analyseeinheit als Störsignale identifiziert werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere auch Bestandteil eines Systems zur bildgebenden Kernresonanztomographie sein. Damit gestattet das System zusammen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dass Magnetresonanzspektroskopie-Signale aus bestimmten räumlich festgelegten Bereichen, Voxeln aufgenommen werden. Damit gestattet das System zur bildgebenden Kernresonanztomographie zusammen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dass ein bestimmtes gemessenes Magnetresonanzspektroskopie-Signal mit seinen für bestimmte Substanzen charakteristischen Resonanzlinien einem bestimmten räumlichen Bereich zugeordnet werden kann. Gleichzeitig gestattet das System auch eine bildliche Darstellung der jeweiligen räumlichen Bereiche in einer Kernresonanztomographie-Aufnahme.
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Des Weiteren beschreibt die vorliegende Erfindung ein Computerprogrammprodukt, insbesondere ein Computerprogramm oder eine Software, welche man in einen Speicher einer programmierbaren Steuereinrichtung zur Auswertung der Magnetresonanzspektroskopie-Signale laden kann. Mit diesem Computerprogrammprodukt können alle oder verschiedene vorab beschriebene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Computerprogrammprodukt in der Steuereinrichtung zur Auswertung der Magnetresonanzspektroskopie-Signale läuft. Dabei benötigt das Computerprogrammprodukt eventuell Programmmittel, z. B. Bibliotheken und Hilfsfunktionen, um die entsprechenden Ausführungsformen der Verfahren zu realisieren. Mit anderen Worten soll mit dem auf das Computerprogrammprodukt gerichteten Anspruch insbesondere ein Computerprogramm oder eine Software unter Schutz gestellt werden, mit welcher eine der oben beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden kann bzw. welche diese Ausführungsform ausführt. Dabei kann es sich bei der Software um einen Quelicode (z. B. C++), der noch kompiliert (übersetzt) und gebunden oder der nur interpretiert werden muss, oder um einen ausführbaren Softwarecode handeln, der zur Ausführung nur noch in die entsprechende Recheneinheit zu laden ist. Diese Software könnte Bestandteil einer Einrichtung für eine bildgebende Kernresonanztomographie oder einer Software zur Auswertung von Magnetresonanzspektroskopie-Signalen sein.
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Die vorliegende Erfindung bietet daher den Vorteil, dass Störsignale direkt in einer Spektrumsdarstellung des Residuums analysiert und dargestellt werden, in welchem keine oder wenige Nutzsignale vorhanden sind, so dass die Störsignale wesentlich eindeutiger erkennbar sind als im aufgenommenen Spektrum des gemessenen Magnetresonanzspektroskopie-Signals.
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Die vorliegende Erfindung gestattet insbesondere, Störsignale in Form von Spikes im Residuum darzustellen, erkennbar zu machen oder selbständig zu erkennen. Da das Residuum keine oder nahezu keine Resonanzlinien der untersuchten Substanzen enthält, heben sich die Störsignale im Residuum besonders deutlich hervor und können hier gegenüber einem lediglich verbliebenem Rauschsignal wesentlich deutlicher detektiert werden als im gemessenen Magnetresonanzspektroskopie-Signal.
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Weiterhin gestattet es die vorliegende Erfindung, über die Darstellung und Analyse der Störsignale bei einem gemessenen Magnetresonanzspektroskopie-Signals zu entscheiden, ob dieses für eine weitere Auswertung geeignet ist oder nicht. Damit kann über die vorliegende Erfindung beispielsweise über eine Software automatisch die Qualität von Magnetresonanzspektroskopie-Signalen überprüft werden. So würden Spektren, bei denen Störsignale in Form von Spikes detektiert werden, als schlecht markiert und aus der weiteren Behandlung und Ergebnisdarstellung herausgenommen werden. Auf diese Weise können verlässlichere Ergebnisse gewonnen werden und der Arbeitsaufwand für das Erstellen eines Befundes reduziert werden. Vorzugsweise kann eine Software zur automatischen Überprüfung der Qualität von Magnetresonanzspektroskopie-Signalen in die Software einer Vorrichtung zur bildgebenden Kernspintomographie oder in eine entsprechende Software zur Nachbearbeitung dieser Signale integriert werden.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail beschrieben.
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In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage dargestellt.
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In 2 ist schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung and Analyse von Magnetresonanzspektroskopie-Signalen dargestellt.
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In 3 sind die Spektren von Magnetresonanzspektroskopie-Signalen mit Resonanzlinien, Rauschanteilen und Störsignalen dargestellt.
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In 4 sind die Spektren von Residuen zu den Magnetresonanzspektroskopie-Signalen von 3 dargestellt.
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5 stellt ein Flussablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion von Störsignalen in einem Magnetresonanzspektroskopie-Signal dar.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Magnetresonanzanlage 5, wie sie sowohl für bildgebende Kernresonanztomographie als auch für Magnetresonanzspektroskopie eingesetzt werden kann. Dabei erzeugt ein Grundfeldmagnet 1 ein zeitlich konstantes starkes Magnetfeld zur Polarisation bzw. Ausrichtung der Kernspins in einem Untersuchungsbereich eines Objekts O, wie z. B. eines zu untersuchenden Teils eines menschlichen Körpers, welcher auf einem Tisch 23 liegend in die Magnetresonanzanlage 5 geschoben wird. Die für die Kernspinresonanzmessung erforderliche hohe Homogenität des Grundmagnetfelds ist in einem Messvolumen M definiert. Zur Unterstützung der Homogenitätsanforderungen und insbesondere zur Eliminierung zeitlich invariabler Einflüsse werden an geeigneter Stelle so genannte Shim-Bleche aus ferromagnetischem Material angebracht. Zeitlich variable Einflüsse werden durch Shim-Spulen 2 eliminiert.
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In den Grundfeldmagneten 1 ist ein zylinderförmiges Gradientenspulensystem 3 eingesetzt, welches aus drei Teilwicklungen besteht. Jede Teilwicklung wird von einem Verstärker mit Strom zur Erzeugung eines linearen (auch zeitlich veränderbaren) Gradientenfeldes in die jeweilige Richtung des kartesischen Koordinatensystems versorgt. Die erste Teilwicklung des Gradientenfeldsystems 3 erzeugt dabei einen Gradienten Gx in x-Richtung, die zweite Teilwicklung einen Gradienten Gy in y-Richtung und die dritte Teilwicklung einen Gradienten Gz in z-Richtung. Der Verstärker umfasst einen Digital-Analog-Wandler, welcher von einer Sequenzsteuerung 18 zum zeitrichtigen Erzeugen von Gradientenpulsen angesteuert wird.
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Innerhalb des Gradientenfeldsystems 3 befindet sich eine (oder mehrere) Hochfrequenzantenne 4, welche die von einem Hochfrequenzleistungsverstärker abgegebenen Hochfrequenzpulse in ein magnetisches Wechselfeld zur Anregung der Kerne und Ausrichtung der Kernspins des zu untersuchenden Objekts O bzw. des zu untersuchenden Bereiches des Objekts O umsetzen. Jede Hochfrequenzantenne 4 besteht aus einer oder mehreren HF-Sendespulen und einer oder mehreren HF-Empfangsspulen in Form einer ringförmigen vorzugsweise linearen oder matrixförmigen Anordnung von Komponentenspulen. Von den HF-Empfangsspulen der jeweiligen Hochfrequenzantenne 4 wird auch das von den präzedierenden Kernspins ausgehende Wechselfeld, d. h. in der Regel die von einer Pulssequenz aus einem oder mehreren Hochfrequenzpulsen und einem oder mehreren Gradientenpulsen hervorgerufenen Kernspinechosignale, in eine Spannung (Messsignal) umgesetzt, welche über einen Verstärker 7 einem Hochfrequenz-Empfangskanal 8 eines Hochfrequenzsystems 22 zugeführt wird. Das Hochfrequenzsystem 22 umfasst weiterhin einen Sendekanal 9, in welchem die Hochfrequenzpulse für die Anregung der magnetischen Kernresonanz erzeugt werden. Dabei werden die jeweiligen Hochfrequenzpulse aufgrund einer vom Anlagerechner 20 vorgegebenen Pulssequenz in der Sequenzsteuerung 18 digital als Folge komplexer Zahlen dargestellt. Diese Zahlenfolge wird als Real- und als Imaginärteil über jeweils einen Eingang 12 einem Digital-Analog-Wandler im Hochfrequenzsystem 22 und von diesem einen Sendekanal 9 zugeführt. Im Sendekanal 9 werden die Pulssequenzen einem Hochfrequenz-Trägersignal aufmoduliert, dessen Basisfrequenz der Resonanzfrequenz der Kernspins im Messvolumen entspricht.
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Die Umschaltung von Sende- auf Empfangsbetrieb erfolgt über eine Sende-Empfangsweiche 6. Die HF-Sendespulen der Hochfrequenzantenne(n) 4 strahlt/en die Hochfrequenzpulse zur Anregung der Kernspins in das Messvolumen M ein und resultierende Echosignale werden über die HF-Empfangsspule(n) abgetastet. Die entsprechend gewonnenen Kernresonanzsignale werden im Empfangskanal 8' (erster Demodulator) des Hochfrequenzsystems 22 phasenempfindlich auf eine Zwischenfrequenz demoduliert und im Analog-Digital-Wandler (ADC) digitalisiert. Dieses Signal wird noch auf die Frequenz 0 demoduliert. Die Demodulation auf die Frequenz 0 und die Trennung in Real- und Imaginärteil findet nach der Digitalisierung in der digitalen Domäne in einem zweiten Demodulator 8 statt. Durch einen Bildrechner 17 wird aus den dergestalt gewonnenen Messdaten ein MR-Bild rekonstruiert. Die Verwaltung der Messdaten, der Bilddaten und der Steuerprogramme erfolgt über den Anlagenrechner 20. Aufgrund einer Vorgabe mit Steuerprogrammen kontrolliert die Sequenzsteuerung 18 die Erzeugung der jeweils gewünschten Pulssequenzen und das entsprechende Abtasten des k-Raumes. Insbesondere steuert die Sequenzsteuerung 18 dabei das zeitrichtige Schalten der Gradienten, das Aussenden der Hochfrequenzpulse mit definierter Phasenamplitude sowie den Empfang der Kernresonanzsignale. Die Zeitbasis für das Hochfrequenzsystem 22 und die Sequenzsteuerung 18 wird von einem Synthesizer 19 zur Verfügung gestellt. Die Auswahl entsprechender Steuerprogramme zur Erzeugung eines MR-Bildes, welche z. B. auf einer DVD 21 gespeichert sind, sowie die Darstellung des erzeugten MR-Bildes erfolgt über ein Terminal 13, welches eine Tastatur 15, eine Maus 16 und einen Bildschirm 14 umfasst.
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Als Magnetresonanzspektroskopie wird ein auf der Kernspinresonanz basierendes Verfahren bezeichnet, mit dem biochemische Beobachtungen ortsaufgelöst in einem Volumenelement durchgeführt werden können. Das Verfahren wird oft zusammen mit der bildgebenden Kernresonanztomographie eingesetzt und unterscheidet sich von der Bildgebung im Wesentlichen dadurch, dass zusätzlich zur Ortsauflösung wie in der Bildgebung auch die chemische Verschiebung aufgelöst und in Form eines Spektrums dargestellt wird.
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Unter der chemischen Verschiebung versteht man in der NMR-Spektroskopie den Abstand einer Resonanzlinie der Probe von der Resonanzlinie eines Referenzsignals, dem die chemische Verschiebung 0 zugewiesen wird. Ursache der chemischen Verschiebung ist die magnetische Suszeptibilität der Elektronen, die den jeweiligen Atomkern umgeben. Diese führt zu einer teilweisen Abschirmung des externen Magnetfeldes durch die Elektronen und damit auch zu einer entsprechenden Änderung der Kernresonanzfrequenz. Ist das Atom Teil eines Moleküls, so wird die Elektronendichte und damit die Abschirmwirkung durch die Nachbaratome beeinflusst. Anhand der chemischen Verschiebung lassen sich daher in einem NMR-Spektrum einzelne Substituenten oder funktionelle Gruppen identifizieren. Insbesondere können mit der Magnetresonanzspektroskopie verschiedene chemische Substanzen, wie Metaboliten (Zwischenprodukte von Stoffwechselvorgängen) im lebenden Gewebe aufgrund ihrer chemischen Verschiebung identifiziert und quantifiziert werden.
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Die von der Magnetfeldstärke des verwendeten Spektrometers unabhängige chemische Verschiebung wird üblicherweise in ppm (parts per million) angegeben.
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Am häufigsten werden bei der Magnetresonanzspektroskopie Messungen an den per Kernresonanztomographie am besten zugänglichen und in biologischen Geweben in großer Menge vorhandenen Wasserstoff-Kernen durchgeführt, seltener auch an Phosphor- oder Kohlenstoff-Kernen. Bei der Aufnahme von Spektren von Wasserstoff-Kernen kann ein großes Störsignal entstehen, welches von Protonen des Wassers erzeugt wird. Dieses Störsignal kann einerseits mit speziellen Verfahren der Anregung unterdrückt werden; andererseits kann es auch aus den aufgenommenen Spektren nachträglich durch entsprechende mathematische Verfahren reduziert werden.
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Mit Hilfe der Magnetresonanzspektroskopie kann ein bestimmtes Volumen, das vorher auf Übersichtsbildern positioniert wird, in Körpergewebe untersucht und analysiert werden. Diese Methode wird auch als Single-Voxel-Spektroskopie (SVS) bezeichnet. Es ist auch möglich, mehrere Voxel gleichzeitig zu messen, wobei ein größeres lokalisiertes Volumen durch Phasenkodierung in mehrere kleine Volumina unterteilt wird. Diese Methode nennt sich Multivoxel-Spektroskopie oder Chemical Shift Imaging und kann in zwei oder drei Dimensionen ausgeführt werden.
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2 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Erfassung und Analyse von Magnetresonanzspektroskopie-Signalen. Das gemessene Kernresonanzsignal wird von einer Einleseeinheit 210 aufgenommen und einer Recheneinheit 220 zugeführt. Die Einleseeinheit kann dabei ein System zum Einlesen von Magnetresonanzspektroskopie-Signalen sein. Die Recheneinheit 220 bestimmt aus dem aufgenommenen Signal ein zugehöriges Spektrum 240 im Frequenzbereich; weiterhin bestimmt die Recheneinheit 220 ein Vergleichs-Signal 260 durch ein Rekonstruktionsverfahren. Das Vergleichs-Signal 260 wird beispielsweise als eine Summe von Exponentialfunktionen rekonstruiert und soll das gemessene Magnetresonanzspektroskopie-Signal möglichst gut nachbilden. Dadurch können aus der rechnerischen Darstellung des Vergleichs-Signals 260 in der Frequenzdarstellung charakteristische Resonanzlinien der untersuchten Substanzen relativ einfach bestimmt werden. Weiterhin bestimmt die Recheneinheit 220 das Residuum 250 über die Differenz aus nem Magnetresonanzspektroskopie-Signal und dem rekonstruierten Vergleichs-Signal 260. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Analyseeinheit 230 welche das von der Recheneinheit 220 berechnete Residuum 250 in der Frequenzdarstellung zeigt und/oder entsprechend auswertet.
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Das Vergleichs-Signal 260 bildet in der Regel nur potentielle Resonanzlinien von Substanzen mathematisch nach; daher werden Signalanteile aus dem gemessenen Magnetresonanzspektroskopie-Signal, die nicht von Resonanzlinien herrühren, oft auch nicht im Vergleichs-Signal 260 abgebildet. Diese nicht abgebildeten Signalanteile können sich aus einem Rauschanteil und sonstigen Störsignalen zusammensetzen. Da das Residuum 250 aus der Differenz des Magnetresonanzspektroskopie-Signals und dem Vergleichs-Signal 260 gebildet wird, enthält es in erster Linie nicht im rekonstruierten Vergleichssignal abgebildete Rauschanteile und sonstige Störsignale.
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Die Analyseeinheit 230 kann weiterhin so ausgeführt sein, dass sie ein Rauschsignal im Residuum 250 rechnerisch analysiert und dabei spike-förmige Störsignalanteile in der Frequenzdarstellung des Residuums 250 detektieren kann. Insbesondere werden spike-förmige Signalanteile dann als Störsignal erkannt, wenn sie von der Amplitude her deutlich über den Rauschsignalen liegen. Dabei kann die Analyseeinheit 230, eine Erkennung von Störsignalen über eine Standardabweichung vom Rauschsignalpegel im Residuum 250 durchführen. Insbesondere kann über diese Standardabweichung ein Schwellwert für spike-förmige Störsignale festgelegt werden. Störsignale in der Frequenzdarstellung des Residuums 250, welche den festgelegten Schwellwert überschreiten, können somit von der Analyseeinheit als Störsignale identifiziert werden.
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3 zeigt verschiedene Spektren von Magnetresonanzspektroskopie-Signalen mit Resonanzlinien, Rauschen und Störsignalen. Dabei zeigt jedes Teilbild 330 das Spektrum eines Voxels, d. h. eines begrenzten definierten räumlichen Gewebeabschnitts. Im Bereich 310 enthält das Spektrum hauptsächlich Rauschanteile, während 320 ein spike-förmiges Störsignal darstellt. Solche Störsignale 320 unterscheiden sich von typischen Resonanzlinien darin, dass sie nicht deren übliche Form aufweisen und daher nicht durch Gauss-, Lorentz- oder Voigt-Linien darstellbar sind.
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4 zeigt verschiedene Spektren von Residuen zu den Magnetresonanzspektroskopie-Signalen von 3. Jedes einzelne Teilbild 430 zeigt hier das entsprechende Residuum eines Voxels, welches dem jeweiligen Voxel aus 3 entspricht und aus der Differenz des Magnetresonanzspektroskopie-Signals und des Vergleichs-Signals gebildet wurde. Entsprechend der Rekonstruktion des Vergleichs-Signals und der Differenzbildung zwischen Magnetresonanzspektroskopie-Signal und Vergleichs-Signal enthält das Residuum hauptsächlich Rauschsignale 410 und spike-förmige Störsignale 420, die den entsprechenden Signalen 310 und 320 aus 3 entsprechen.
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5 stellt ein Flussablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion 510 von Störsignalen in einem Magnetresonanzspektroskopie-Signal dar.
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Zunächst wird in einem ersten Schritt 510 das zu messende Magnetresonanzspektroskopie-Signal von einer Einleseeinheit empfangen und gespeichert.
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Im zweiten Schritt 520 wird ein Vergleichs-Signal rekonstruiert, welches das gemessene und aufgezeichnete Magnetresonanzspektroskopie-Signal möglichst gut annähert. Das Magnetresonanzspektroskopie-Signal und das Vergleichs-Signal können entweder im Zeitbereich oder im Frequenzbereich dargestellt und bearbeitet werden. Dabei bildet das Vergleichs-Signal spektrale Komponenten von Resonanzlinien im gemessenen Magnetresonanzspektroskopie-Signal nach.
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Im dritten Schritt 530 wird ein Residuum über die Differenz des Magnetresonanzspektroskopie-Signals und des Vergleichs-Signals in der Frequenzdarstellung berechnet.
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Im vierten Schritt 540 werden die Störsignale in der Frequenzdarstellung des berechneten Residuums bestimmt. Insbesondere können spike-förmige Störsignale von Rauschsignalen dadurch unterschieden werden, dass die Amplituden dieser Signale einen Schwellwert überschreiten. Dieser Schwellwert wiederum kann aus der Standardabweichung des Rauschsignals gebildet werden.
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Im fünften Schritt 550 wird die Qualität des Magnetresonanzspektroskopie-Signals anhand der ermittelten Störsignale überprüft und bewertet. Beispielsweise kann die Qualität sowohl über die Anzahl als auch über die Größe der einzelnen Starsignale eines Magnetresonanzspektroskopie-Signals bewertet werden. Vorzugsweise können Magnetresonanzspektroskopie-Signale, welche eine vorgegebene Mindestqualität unterschreiten, über einen automatisierten Vorgang markiert oder von der weiteren Auswertung ausgeschlossen werden. Ein solcher automatisierter Vorgang ist insbesondere dann von Vorteil, wenn viele Magnetresonanzspektroskopie-Signale von einzelnen Voxeln auf einmal gemessen wurden und gemeinsam nachverarbeitet werden sollen. Dabei können durch Störsignale entstandene Messartefakte zu falschen Gesamtergebnissen führen. Durch das Ausschließen von Magnetresonanzspektroskopie-Signalen mit geringer Qualität kann ein Gesamtergebnis vieler einzelner Voxel verbessert werden. Beispielsweise kann ein Metabolitenbild, auf dem die Verteilung der Signalintensität eines bestimmten Peaks der Spektren abgebildet ist (der beispielsweise für eine bestimmte Substanz charakteristisch ist), über alle Voxel als Farbverlauf kodiert werden und dann auf ein bestehendes Bild einer Kernresonanzspektroskopie-Aufnahme überlagert werden. Auf diese Weise wird die ermittelte Konzentration des Metaboliten als jeweilige Farbe der Kernresonanzspektroskopie-Aufnahme überlagert, so dass man die ermittelten Konzentrationen einem Ort in der Aufnahme zuordnen kann und so die Metabolitenverteilung darstellen kann. Durch das Ausschließen von Magnetresonanzspektroskopie-Signalen mit geringer Qualität wird erreicht, dass falsche Signalintensitäten aufgrund von Störsignalen nicht zu einem falschen Bildeindruck führen.
