DE102012215718B4 - Verfahren und Magnetresonanzanlage zur MR-Bildgebung eines vorbestimmten Volumenabschnitts eines lebenden Untersuchungsobjekts mittels Stimulieren des Untersuchungsobjekts - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur MR-Bildgebung eines vorbestimmten Volumenabschnitts eines lebenden Untersuchungsobjekts (O), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:Stimulieren des Untersuchungsobjekts mit einem definierten Stimulationsmuster,Erfassen von MR-Daten des vorbestimmten Volumenabschnitts, undErstellen von MR-Bildern ausgehend von den MR-Daten in Abhängigkeit von dem Stimulationsmuster, um Signaländerungen innerhalb der MR-Bilder, welche aufgrund der Stimulation erfolgen, von anderen Signaländerungen, welche ihre Ursache nicht in der Stimulation haben, zu trennen,wobei der vorbestimmte Volumenabschnitt ein inneres Organ oder ein Muskelgewebe des Untersuchungsobjekts (O) umfasst.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Magnetresonanzanlage, um MR-Bilder eines vorbestimmten Volumenabschnitts (insbesondere des Herzens) eines lebenden Untersuchungsobjekts zu erstellen.
- Die
US 2011 / 0 160 567 A1 - Die
US 6 073 041 A beschreibt eine MR-Bildgebung des Gehirns, um Signalschwankungen aufgrund von physiologischen Faktoren (Atmung, Herzschlag) zu eliminieren. - In „Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation“, S. Ogawa et al., Proc. Natl. Acad. Sci., USA, Vol. 87, Seiten 9868 - 9872, Dezember 1990, wird beschrieben, dass der BOLD-Kontrast bei der MR-Bildgebung eingesetzt werden kann, um am lebenden Objekt Echtzeitergebnisse bezüglich der Sauerstoffanreicherung im Gehirn unter normalen physiologischen Bedingungen zu erzielen.
- In „Oxygenation in the Rabbit Myocardium: Assessment with Susceptibility-dependent MR Imaging“, M. K. Atalay et al., Cardiac Radiology 1993; 189: Seiten 759 - 764, wird gezeigt, dass es bei der MR-Bildgebung im Tierversuch möglich ist, den Sauerstoffgehalt im Herzmuskel zu bestimmen.
- In „Effect of Cardiac Flow on Gradient Recalled Echo Images of the Caine Heart“, R. S. Balaban, NMR in Biomedicine, Vol. 7, Seiten 89 - 95, 1994, wird offenbart, dass die Intensität von Gradientenechos von einer Intensität des koronaren Blutflusses und der Sauerstoffsättigung im venösen Blutfluss abhängt.
- Nach dem Stand der Technik ist ein robuster, artefaktarmer Nachweis lokaler ischämischer Zustände des Herzmuskelgewebes nur schwer möglich.
- Daher stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, die MR-Bildgebung dahingehend zu verbessern, dass mit erfindungsgemäß erstellten MR-Bildern ein robuster, artefaktarmer Nachweis lokaler ischämischer Zustände eines Muskelgewebes oder von inneren Organen besser als nach dem Stand der Technik möglich ist.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur MR-Bildgebung nach Anspruch 1, durch eine Magnetresonanzanlage nach Anspruch 11, durch ein Computerprogramm nach Anspruch 13 und durch einen elektronisch lesbaren Datenträger nach Anspruch 14 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
- Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur MR-Bildgebung eines vorbestimmten Volumenabschnitts eines lebenden Untersuchungsobjekts bereitgestellt. Bei dem vorbestimmten Volumenabschnitt handelt es sich um ein inneres Organ des Untersuchungsobjekts oder um ein Muskelgewebe des Untersuchungsobjekts, so dass es sich bei dem vorbestimmten Volumenabschnitt gerade nicht um das Gehirn des Untersuchungsobjekts handelt. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte:
- - Stimulieren des Untersuchungsobjekts mit einem definierten Stimulationsmuster. Durch die Stimulierung wird insbesondere die Sauerstoffsättigung innerhalb des vorbestimmten Volumenabschnitts verändert. Die Stimulierung kann dabei auch in Form einer indirekten Stimulierung erfolgen. Dabei wird unter einer indirekten Stimulierung z.B. eine Stimulierung verstanden, bei welcher der vorbestimmte Volumenabschnitt nicht direkt, sondern indirekt stimuliert wird. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein anderer Volumenabschnitt (z.B. das Gehirn) stimuliert wird, wodurch dann (indirekt) der vorbestimmte Volumenabschnitt (z.B. das Herz) stimuliert wird.
- - Erfassen von MR-Daten des vorbestimmten Volumenabschnitts. Während das Untersuchungsobjekt stimuliert wird, werden die MR-Daten innerhalb des vorbestimmten Volumenabschnitts erfasst.
- - Ausgehend von den erfassten MR-Daten werden abhängig von dem Stimulationsmuster MR-Bilder erstellt. Mit anderen Worten wird das Stimulationsmuster oder die Art und Weise, wie das Untersuchungsobjekt während der Erfassung der MR-Daten stimuliert wird, bei der Erstellung der MR-Bilder berücksichtigt.
- Indem die Erstellung der MR-Bilder in Abhängigkeit von dem Stimulationsmuster erfolgt, können vorteilhafterweise Signaländerungen innerhalb der MR-Bilder, welche aufgrund der Stimulation erfolgen, von anderen Signaländerungen, welche ihre Ursache nicht in der Stimulation haben, getrennt werden. Da es sich bei diesen anderen Signaländerungen in der Regel um Störungen handelt, können diese anderen Signaländerungen bzw. Störungen bei der Erstellung der MR-Bilder eliminiert werden, so dass vorteilhafterweise artefaktarme MR-Bilder mit einem hohen Kontrast-Rausch-Verhältnis erstellt werden können.
- Wenn es sich bei dem durch die Stimulierung induzierten Effekt um den BOLD-Effekt (d.h. vereinfacht die Signaldifferenz zwischen experimentell induziertem Sauerstoffmangelzustand und Sauerstoffsättigungszustand) im Herzmuskel handelt, liegen diese durch den BOLD-Effekt verursachten Änderungen in den MR-Daten bzw. MR-Bildern bei gängigen Kernspintomographen mit einer Feldstärke zwischen 1,5 T und 3 T im Bereich von wenigen Prozent und damit in der Größenordnung des Rauschens. Mit anderen Worten enthalten nach dem Stand der Technik (d.h. ohne Berücksichtigung des Stimulationsmusters) erstellte MR-Bilder neben dem gewünschten BOLD-Effekt unerwünschte Signalanteile, welche unter anderem von der gewählten Aufnahmetechnik und Aufnahmezeit abhängen. Als Ursachen für diese Störungen bzw. unerwünschten Signalanteile sind beispielsweise Organbewegungen (verursacht z. B. durch Atmung oder Herzkontraktion), Imperfektionen der Magnetresonanzanlage (z.B. B0-Feld-Drift, Wirbelströme, Magnetfeldinhomogenitäten) und physiologische Effekte (z.B. Änderungen der Herzfrequenz, Änderungen in der Blutzirkulation) zu nennen. Indem erfindungsgemäß die Erstellung der MR-Bilder abhängig von dem Stimulationsmuster erfolgt, können vorteilhafterweise die durch den BOLD-Effekt verursachten Änderungen von den unerwünschten Änderungen bzw. Störungen unterschieden werden, so dass diese Störungen aus den erstellten MR-Bildern eliminiert werden können. Dadurch kann mit den erfindungsgemäß erstellten MR-Bildern ein robuster, artefaktarmer Nachweis lokaler ischämischer Zustände des Herzmuskelgewebes über den BOLD-Effekt durchgeführt werden.
- Das Erfassen der MR-Daten erfolgt insbesondere durch Mess-Zeitreihen, durch welche sich hoch zeitaufgelöste T2*- und/oder T2-gewichtete MR-Bilder ergeben. Dabei werden zwei zeitlich aufeinander folgende MR-Bilder mit einem zeitlichen Abstand von 100 ms bis 500 ms (oder sogar mit einem Abstand von mehreren Sekunden) erstellt, so dass in einer Zeitspanne von einer Sekunde zwei bis zehn MR-Bilder des Volumenabschnitts (z.B. des Herzens) erstellt werden.
- Das Erfassen der MR-Daten kann dabei mit einem dreidimensionalen (3D-) oder einem zweidimensionalen (2D-) Verfahren erfolgen. Auch das Erfassen eines dreidimensionalen Volumenabschnitts mit einem so genannten multislice 2D-Verfahren, bei welchem die MR-Daten in mehreren Schichten erfasst werden, ist erfindungsgemäß möglich.
- Das Stimulieren des Untersuchungsobjekts kann dabei zumindest einen Vorgang umfassen, welcher aus folgender Gruppe von Vorgängen entnommen ist:
- - Zuführen eines pharmazeutischen Stoffes zu dem Untersuchungsobjekt. Dabei wird dem Untersuchungsobjekt ein Medikament oder ein anderer Stoff verabreicht, um dadurch in dem vorbestimmten Volumenabschnitt einen innerhalb der MR-Bilder zu erkennenden Effekt (beispielsweise einer Veränderung der Sauerstoffsättigung) zu erzielen.
- - Mechanisches Reizen des Untersuchungsobjekts. Dabei wird das Untersuchungsobjekt durch einen über die Haut des Untersuchungsobjekts wahrgenommenen Reiz oder durch Berührungen gereizt oder gestresst. Dieses mechanische Reizen bewirkt in dem vorbestimmten Volumenabschnitt einen innerhalb der MR-Bilder zu erkennenden Effekt (beispielsweise einer Veränderung der Sauerstoffsättigung).
- - Mentales Reizen des Untersuchungsobjekts. Dabei wird das Untersuchungsobjekt beispielsweise durch akustische oder optische Reize stimuliert oder gestresst. Das mentale Reizen führt in dem vorbestimmten Volumenabschnitt zu einem innerhalb der MR-Bilder zu erkennenden Effekt (beispielsweise einer Veränderung der Sauerstoffsättigung). Zum Beispiel kann das mentale Reizen des Untersuchungsobjekts für das (menschliche) Herz als vorbestimmter Volumenabschnitt bedeuten, dass über ein Reizen des Gehirns (z.B. durch einen akustischen oder optischen Reiz) die Herzschlagfrequenz erhöht wird.
- - Reizen durch ein Ändern jeglicher Art von äußeren Umständen, welche das Untersuchungsobjekt beeinflussen. Diese Änderungen umfassen beispielsweise eine Änderung der Temperatur, eine Änderung der Zusammensetzung der von dem Untersuchungsobjekt eingeatmeten Luft und den Eiswassertest („cold pressure test“).
- Die Stimulierung des Untersuchungsobjekts erfolgt insbesondere repetitiv, kann aber auch in einer anderen Form zeitvariant (d.h. von der Zeit abhängig) sein. Die Stimulierung bzw. das Stimulationsmuster kann auch Ruhephasen umfassen, in welchen keine Stimulierung stattfindet.
- Wie vorab bereits bezüglich des BOLD-Effekts angedeutet ist, kann das Erstellen der MR-Bilder ein Erfassen von Änderungen innerhalb der MR-Bilder umfassen, welche dem Stimulationsmuster folgen, d.h. insbesondere eine Korrelation mit dem Stimulationsmuster aufweisen. Darüber hinaus können weitere Änderungen innerhalb der MR-Bilder erfasst werden, welche keine oder eine geringe Korrelation mit dem Stimulationsmuster aufweisen. Die MR-Bilder werden nun derart korrigiert, dass die weiteren Änderungen aus den MR-Bildern eliminiert werden, wodurch als Ergebnis MR-Bilder erstellt werden, welche ein gutes bzw. hohes Kontrast-Rausch-Verhältnis aufweisen.
- Mit anderen Worten werden gemäß dieser Ausführungsform in einem ersten Schritt aus den erfassten MR-Daten vorläufige MR-Bilder erstellt. Innerhalb dieser vorläufigen MR-Bilder werden die Änderungen, welche eine Korrelation mit dem Stimulationsmuster aufweisen, und die weiteren Änderungen, welche keine bzw. geringe Korrelation mit dem Stimulationsmuster aufweisen, erfasst. Aus diesen vorläufigen MR-Bildern werden die weiteren Änderungen, welcher als Störungen interpretiert werden, eliminiert, um als Ergebnis die MR-Bilder zu erstellen, welche ein gutes Kontrast-Rausch-Verhältnis aufweisen.
- Das Erfassen der Änderungen und/oder das Erfassen der weiteren Änderungen können beispielsweise mit Hilfe einer statistischen Analyse der vorläufigen MR-Bilder in Abhängigkeit von dem Stimulationsmuster erfolgen.
- Diese statistische Analyse kann beispielsweise mit dem GLM („General Linear Model“) durchgeführt werden. Mit der statistischen Analyse werden mehrere zeitlich aufeinanderfolgende vorläufige MR-Bilder analysiert, bei denen die Voxel eine bestimmte Reaktion (z.B. BOLD-Effekt) auf die Stimulation, welcher das Untersuchungsobjekt während der Erfassung der MR-Daten ausgesetzt ist, zeigen. Die statistische Analyse bestimmt diejenigen Voxel innerhalb der zeitlich aufeinanderfolgenden vorläufigen MR-Bilder, deren Signalwert-ZeitVerlauf eine Korrelation mit einem entsprechenden Zeitverlauf des Stimulationsmusters aufweisen, welche über einem vorbestimmten Korrelationsschwellenwert liegt. Diejenigen Voxel innerhalb der vorläufigen MR-Bilder, bei denen die Korrelation über dem Korrelationsschwellenwert liegt, werden demnach als diejenigen Änderungen interpretiert, welche dem Stimulationsmuster folgt. Das Stimulationsmuster wird dabei insbesondere durch den Zeitverlauf von Stress- und Ruhephasen, aber auch durch die Stärke der Stimulationen zu einem bestimmten Zeitpunkt definiert. Das Stimulationsmuster kann einem Blockdesign folgen oder als Schieberegisterfolge implementiert werden.
- Bei einem Blockdesign besteht das Stimulationsparadigma bzw. Stimulationsmuster aus einer sich wiederholenden Folge von Stimulation und Ruhe (z. B. 30 s Stimulation, 30 s Ruhe). Während dieser Zeit (von 60 s) können jeweils beispielsweise zehn Messungen durchgeführt bzw. MR-Daten erzeugt werden. Die Auswertung bzw. Analyse bestimmt dann, die Intensitäten bzw. Änderungen in den aus den MR-Daten erstellten vorläufigen MR-Bildern, welche dem Stimulationsmuster folgen.
- Bei einer Schieberegisterfolge (auch als Event-basierte Stimulation bekannt) wechseln sich in unregelmäßiger Folge Stimulationsphasen und Ruhephasen ab, wobei auch die Dauer der Stimulationsphasen und Ruhephasen unterschiedlich lang sein können. Bei der Auswertung bzw. Analyse der vorläufigen MR-Bilder müssen bestimmte Effekte, wie z.B. die Reaktionszeit des Körpers, die Form der Signalantwort, berücksichtigt werden, um zu entscheiden, welche Änderungen dem Stimulationsmuster folgen. Die Analyse umfasst dazu beispielsweise eine Entfaltung mit Impulsantwort (mit der so genannten hämodynamischen Antwortfunktion).
- Werden durch die statistische Analyse der zeitlich aufeinanderfolgenden vorläufigen MR-Bilder dagegen zeitliche Änderungen von Voxeln erfasst, deren Korrelation mit dem zeitlichen Verlauf des Stimulationsmusters unterhalb des vorbestimmten Korrelationsschwellenwerts liegt, werden diese Änderungen als die weiteren Änderungen gekennzeichnet, welche als Störung interpretiert werden.
- Die Auswertung oder statistische Analyse der vorläufigen MR-Bilder kann dabei pixelweise oder innerhalb bestimmter Bereiche (ROIs „Regions of Interest“) der zeitlich aufeinanderfolgenden vorläufigen MR-Bilder erfolgen. Dabei können diese Bereiche zeitabhängig bestimmt werden, was insbesondere der Fall ist, wenn sich bestimmte Objekte (z.B. Herz, Zwerchfell), welche durch die MR-Bilder abgebildet werden, bewegen.
- Um die Änderungen und/oder weiteren Änderungen durch eine Auswertung von Bereichen innerhalb der MR-Bilder durchzuführen, kann beispielsweise ein Mittelwert der Voxel eines solchen Bereichs über der Zeit verfolgt werden, um die zeitliche Änderung dieses Mittelwerts mit der zeitlichen Änderung des Stimulationsmusters zu vergleichen.
- Darüber hinaus ist es möglich, eine Kenngröße zu erfassen, welche die erfassten MR-Daten zusätzlich zu dem Stimulationsmuster beeinflusst. Das Erfassen der Änderungen und/oder weiteren Änderungen innerhalb der vorläufigen MR-Bilder kann dann in Abhängigkeit von der erfassten Kenngröße durchgeführt werden.
- Durch die Einführung von Kenngrößen oder Störgrößen, welche beispielsweise von der statistischen Analyse der vorläufigen MR-Bilder zusätzlich zu dem Stimulationsmuster berücksichtigt werden, kann das Erfassen der Änderungen und/oder weiteren Änderungen qualitativ weiter verbessert werden.
- Unter den Kenngrößen oder Störgrößen wird dabei beispielsweise verstanden:
- - ein EKG-Signal,
- - ein Atemsignal (z.B. Angabe der Zwerchfellposition),
- - ein Maß für das Ausmaß einer Bewegung,
- - eine hämodynamische Antwortfunktion (eine Information über den zu erwartenden Blutfluss, welche z.B. aus den bereits erfassten MR-Bildern entnommen werden kann)
- Durch Berücksichtigung der Atemsignale ist es auch möglich, die MR-Daten nur dann zu erfassen, wenn sich das Zwerchfell während der Messung in einem vorbestimmten Bereich befindet. Dadurch werden MR-Daten nicht erfasst oder verworfen, wenn die Atemposition während der MR-Daten-Erfassung außerhalb des vorbestimmten Bereiches liegt.
- Das Erfassen der Änderungen innerhalb der vorläufigen MR-Bilder kann insbesondere in Abhängigkeit von Merkmalen oder Eigenschaften innerhalb der vorläufigen MR-Bilder erfolgen, welche durch die Blutoxygenierung und/oder durch Flusseffekte beeinflusst werden.
- Dazu kann beispielsweise der BOLD-Effekt als Merkmal oder Eigenschaft in den vorläufigen MR-Bildern erfasst werden. Es ist allerdings auch möglich, unter Verwendung von SSFP-Sequenzen (SSFE, „Single State Free Precession“) Mischkontraste aus dem BOLD-Effekt und aus Fluss-Effekten bzw. Perfusions-Effekten als die von dem Stimulationsmuster abhängigen Änderungen zu erfassen, was die Lokalisierung und/oder Quantifizierung von Ischämie-Effekten verstärken kann.
- Darüber hinaus kann das Erstellen der MR-Bilder eine Bewegungskorrektur umfassen.
- Dabei wird unter einer Bewegungskorrektur eine prospektive und/oder retrospektive Registrierung einer zeitlichen Folge der MR-Bilder verstanden, um mit Hilfe elastischer und/oder starrer Körpermodelle beispielsweise Herzbewegungen und Atembewegungen aus den MR-Bildern zu eliminieren. Unter der Registrierung oder besser Bildregistrierung wird dabei ein Verfahren verstanden, mit welchem derselbe Bereich oder zumindest ähnliche Bereiche in mehreren MR-Bildern bestimmt werden, um dadurch diese zumindest ähnlichen Bereiche in den MR-Bildern in eine Übereinstimmung miteinander zu bringen.
- Des Weiteren kann die Erstellung der MR-Bilder ein räumliches und/oder zeitliches Filtern der (vorläufigen) MR-Bilder umfassen.
- Durch das Filtern der MR-Bilder können insbesondere zeitliche oder räumliche Ausreißer bei den Werten für einzelne Voxel der MR-Bilder geglättet werden. Indem die Werte der Voxel der MR-Bilder sowohl räumlich als auch zeitlich geglättet werden, wird insbesondere das Signal-Rausch-Verhältnis der MR-Bilder verbessert.
- Zur Erfassung der MR-Daten kann eine Sequenz eingesetzt werden, welche aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
- - single shot echo planar imaging. Dabei wird der gesamte K-Raum ausgehend von einer HF-Anregung mit einer Gradienten-Echo- oder Spin-Echo-Sequenz ausgelesen.
- - Fast Low Angle Shot (FLASH). Eine schnelle Sequenz, mit welcher Gradienten-Echos mit geringen Flipwinkeln erzeugt werden.
- - True Fast Imaging with Steady State Precession (True-FISP). Eine kohärente Technik (d.h. alle Voxel sind in Phase), bei welcher abgestimmte Gradienten eingesetzt werden. Im Vergleich zu FLASH ist die Erfassungszeit in der Regel kürzer und der Kontrast zwischen Blut und dem Herzmuskel höher.
- Der Kontrast der aus den MR-Daten erfassten MR-Bilder kann auch durch Präparationspulse (z.B. durch eine T2-Präparationssequenz oder eine Sättigungssequenz) beeinflusst bzw. verbessert werden.
- Um bestimmte Statistiken zu erstellen, können diese Statistiken direkt aus den MR-Bildern abgeleitet werden. Es ist allerdings auch möglich diese Statistiken aus den MR-Bildern abgeleiteten Parametern (z.B. T2-map) zu erstellen.
- Das Erfassen der MR-Daten kann dabei getriggert (z.B. von einem EKG-Signal), aber auch ungetriggert erfolgen. Darüber hinaus können die MR-Daten zweidimensional oder dreidimensional erfasst werden. Schließlich kann der K-Raum zur Datenerfassung segmentiert werden, oder aber der K-Raum wird ausgehend von einer HF-Anregung vollständig ausgelesen.
- Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch eine Magnetresonanzanlage zur Erfassung von MR-Daten in einem vorbestimmten Volumenabschnitt innerhalb eines lebenden Untersuchungsobjekts bereitgestellt. Dabei umfasst der vorbestimmte Volumenabschnitt ein inneres Organ (nicht das Gehirn) oder ein Muskelgewebe des Untersuchungsobjekts. Die Magnetresonanzanlage umfasst einen Grundfeldmagneten, ein Gradientenfeldsystem, eine oder mehrere HF-Antennen, eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Gradientenfeldsystems und der HF-Antenne(n), zum Empfang der Messsignale, welche von der/den HF-Antenne(n) aufgenommen werden, und zur Auswertung der Messsignale sowie zur Erstellung der MR-Bilddatensätze und eine Stimulationsvorrichtung. Die Stimulationsvorrichtung ist ausgestaltet, um das Untersuchungsobjekt mit einem vordefinierten Stimulationsmuster zu stimulieren. Die Magnetresonanzanlage ist ausgestaltet, um die MR-Daten zu erfassen und mit Hilfe der Steuereinrichtung MR-Bilder ausgehend von den MR-Daten abhängig von dem Stimulationsmuster zu erstellen.
- Bei der Stimulationsvorrichtung kann es sich um eine Vorrichtung (z.B. eine Pumpe) zur Verabreichung bestimmter Dosen einer Medizin oder anderer Stoffe handeln. Dabei ist die Stimulationsvorrichtung insbesondere in der Lage, diese Dosen entsprechend einem vorbestimmten Stimulationsmuster zu verabreichen. Darüber hinaus kann es sich bei der Stimulationsvorrichtung um eine Vorrichtung handeln, welche das Untersuchungsobjekt entsprechend einem vorbestimmten Stimulationsmuster berührt. Auch eine Schallquelle (z.B. Lautsprecher), um das Untersuchungsobjekt gemäß einem Stimulationsmuster mit Geräuschen oder Audiosignalen zu stimulieren, oder eine Anzeige, um das Untersuchungsobjekt gemäß einem Stimulationsmuster mit optischen Signale zu stimulieren, können als die Stimulationsvorrichtung eingesetzt werden.
- Die Vorteile der erfindungsgemäßen Magnetresonanzanlage entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche vorab im Detail beschrieben worden sind, so dass hier auf eine Wiederholung verzichtet wird.
- Des Weiteren beschreibt die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm insbesondere eine Software, welche man in einen Speicher einer programmierbaren Steuereinrichtung bzw. einer Recheneinheit einer Magnetresonanzanlage laden kann. Mit diesem Computerprogramm können alle oder verschiedene vorab beschriebene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Computerprogramm in der Steuereinrichtung läuft. Dabei benötigt das Computerprogramm eventuell Programmmittel, z.B. Bibliotheken und Hilfsfunktionen, um die entsprechenden Ausführungsformen des Verfahrens zu realisieren. Mit anderen Worten soll mit dem auf das Computerprogramm gerichteten Anspruch insbesondere 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 Quellcode (z.B. C++), der noch compiliert und gebunden oder der nur interpretiert werden muss, oder um einen ausführbaren Softwarecode handeln, der zur Ausführung nur noch in die entsprechende Recheneinheit bzw. Steuereinrichtung zu laden ist.
- Schließlich offenbart die vorliegende Erfindung einen elektronisch lesbaren Datenträger, z.B. eine DVD, ein Magnetband oder einen USB-Stick, auf welchem elektronisch lesbare Steuerinformationen, insbesondere Software (vgl. oben), gespeichert ist. Wenn diese Steuerinformationen (Software) von dem Datenträger gelesen und in. eine Steuereinrichtung bzw. Recheneinheit einer Magnetresonanzanlage gespeichert werden, können alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen des vorab beschriebenen Verfahrens durchgeführt werden.
- Die durch die erfindungsgemäß erstellten MR-Bilder erfassten Ergebnisse können in Form von Merkmalskarten dargestellt werden, in welchen „aktivierte“ Bereiche, in denen z.B. der BOLD-Effekt in den MR-Bildern sichtbar ist, besonders gekennzeichnet sind. Die derart erfassten Ergebnisse können auch in Form von verschiedenen Bereichen (ROIs), beispielsweise durch eine regelmäßige Unterteilung oder in Form von an ein Organ angepassten Segmentmodellen, dargestellt werden.
- Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zur Erstellung von MR-Bildern im Bereich des menschlichen Herzens zur Untersuchung einer Ischämie geeignet. Anders ausgedrückt kann die vorliegende Erfindung zur Detektion, Beurteilung und Quantifizierung ischämischer Effekte eingesetzt werden. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich eingeschränkt, da die vorliegende Erfindung beispielsweise auch zur Erstellung von MR-Bildern anderer innerer Organe oder eines Muskelgewebes des Untersuchungsobjekts eingesetzt werden kann.
- Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail beschrieben.
-
1 stellt eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage dar. -
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Ablauf zum Erstellen von MR-Bildern eines Volumenabschnitts eines Untersuchungsobjekts. -
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Magnetresonanzanlage 5 (eines Magnetresonanz-Bildgebungs- bzw. Kernspintomographiegeräts). Dabei erzeugt ein Grundfeldmagnet 1 ein zeitlich konstantes starkes Magnetfeld zur Polarisation bzw. Ausrichtung der Kernspins in einem Volumenabschnitt eines Objekts O, wie z.B. eines zu untersuchenden Herzens eines Patienten, welcher auf einem Tisch 23 liegend in der Magnetresonanzanlage 5 untersucht wird. Die für die Kernspinresonanzmessung erforderliche hohe Homogenität des Grundmagnetfelds ist in einem typischerweise kugelförmigen Messvolumen M definiert, in welchem die zu untersuchenden Teile des menschlichen Körpers angeordnet werden. 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. - In den Grundfeldmagneten 1 ist ein zylinderförmiges Gradientenfeldsystem 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-AnalogWandler, welcher von einer Sequenzsteuerung 18 zum zeitrichtigen Erzeugen von Gradientenpulsen angesteuert wird.
- Innerhalb des Gradientenfeldsystems 3 befindet sich eine (oder mehrere) Hochfrequenzantennen 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 einem Sendekanal 9 zugeführt. Im Sendekanal 9 werden die Pulssequenzen einem Hochfrequenz-Trägersignal aufmoduliert, dessen Basisfrequenz der Mittenfrequenz entspricht.
- 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 bzw. dreidimensionaler Bilddatensatz 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.
- Während die MR-Daten erfasst werden, wird der Patient bzw. das Untersuchungsobjekt O mit Hilfe einer Stimulationsvorrichtung 30 der Magnetresonanzanlage 5 abhängig von einem Stimulationsmuster stimuliert, so dass bestimmte Änderungen in den aus den MR-Daten rekonstruierten MR-Bildern diesem Stimulationsmuster folgen.
- Darüber hinaus zeigt
1 mit dem Bezugszeichen 10 eine Steuereinrichtung der Magnetresonanzanlage 5 zur Ansteuerung des Gradientenfeldsystems 3 und der mindestens einen HF-Antenne 4, zum Empfang der von dem mindestens einen Empfangsspulenelement aufgenommenen Messsignalen und zur Auswertung der Messsignale und zur Erstellung der MR-Daten. - In
2 ist ein erfindungsgemäßer Ablauf zur Erstellung von MR-Bildern des Herzens eines Untersuchungsobjekts dargestellt. - Im Schritt S1 wird das Untersuchungsobjekt beispielsweise durch optische oder akustische Reize stimuliert, wobei diese Reize einem vordefinierten Stimulationsmuster folgen. Während dieser Stimulation werden MR-Daten im Schritt S2 erfasst. Ausgehend von diesen MR-Daten werden im Schritt S3 vorläufige MR-Bilder erstellt. Diese vorläufigen MR-Bilder werden im nächsten Schritt S4 analysiert, um vom BOLD-Effekt verursachte Signaländerungen in den vorläufigen MR-Bildern zu erfassen. Zeitgleich mit dem Schritt S4 werden im Schritt S5 andere Signaländerungen in den vorläufigen MR-Bildern erfasst. Die Signaländerungen unterscheiden sich von den anderen Signaländerungen durch die Abhängigkeit von dem Stimulationsmuster. Während die Signaländerungen eine enge Korrelation mit dem Stimulationsmuster aufweisen, weisen die anderen Signaländerungen nur eine geringe oder keine Korrelation mit dem Stimulationsmuster auf.
- Im Schritt S6 werden die anderen Signaländerungen, welche Störungen innerhalb der vorläufigen MR-Bilder darstellen, aus den vorläufigen MR-Bildern entfernt, um als Ergebnis MR-Bilder mit einem hohen Kontrast-Rausch-Verhältnis zu erzeugen.
Claims (14)
- Verfahren zur MR-Bildgebung eines vorbestimmten Volumenabschnitts eines lebenden Untersuchungsobjekts (O), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Stimulieren des Untersuchungsobjekts mit einem definierten Stimulationsmuster, Erfassen von MR-Daten des vorbestimmten Volumenabschnitts, und Erstellen von MR-Bildern ausgehend von den MR-Daten in Abhängigkeit von dem Stimulationsmuster, um Signaländerungen innerhalb der MR-Bilder, welche aufgrund der Stimulation erfolgen, von anderen Signaländerungen, welche ihre Ursache nicht in der Stimulation haben, zu trennen, wobei der vorbestimmte Volumenabschnitt ein inneres Organ oder ein Muskelgewebe des Untersuchungsobjekts (O) umfasst.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Stimulieren zumindest einen Vorgang aus einer Gruppe umfasst, wobei die Gruppe umfasst: - Zuführen eines pharmazeutischen Stoffes zu dem Untersuchungsobjekt, - mechanisches Reizen des Untersuchungsobjekts (O), - mentales Reizen des Untersuchungsobjekts (O), - Reizen durch ein Ändern jeglicher Art von äußeren Umständen, welche das Untersuchungsobjekt beeinflussen. - Verfahren nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass das Erstellen der MR-Bilder ein Erfassen von Änderungen innerhalb der MR-Bilder umfasst, wobei diese Änderungen dem Stimulationsmuster folgen, dass weitere Änderungen innerhalb der MR-Bilder erfasst werden, welche nicht dem Stimulationsmuster folgen, und dass das Erstellen der MR-Bilder ein Korrigieren der MR-Bilder umfasst, um die weiteren Änderungen innerhalb der MR-Bilder zu eliminieren, um dadurch ein Kontrast-Rausch-Verhältnis der korrigierten MR-Bilder zu erhöhen. - Verfahren nach
Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der Änderungen und/oder weiteren Änderungen mittels einer statistischen Analyse der MR-Bilder in Abhängigkeit von dem Stimulationsmuster erfolgt. - Verfahren nach
Anspruch 3 oder4 , dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der Änderungen und/oder weiteren Änderungen durch eine Auswertung von Bereichen der MR-Bilder erfolgt. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 3 -5 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Kenngröße erfasst wird, welche die erfassten MR-Daten zusätzlich zu dem Stimulationsmuster beeinflusst, und dass das Erfassen der Änderungen und/oder weiteren Änderungen abhängig von der erfassten Kenngröße durchgeführt wird. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 3 -6 , dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der Änderungen abhängig von Merkmalen innerhalb der MR-Bilder erfolgt, welche durch die Blutoxygenierung und/oder durch Flusseffekte beeinflusst werden. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erstellen der MR-Bilder eine Bewegungskorrektur umfasst.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erstellen der MR-Bilder ein räumliches und/oder zeitliches Filtern der MR-Bilder umfasst.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der MR-Daten mit einer Sequenz durchgeführt wird, welche ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend: - single shot echo planar imaging, - Fast Low Angle Shot, - True Fast Imaging with Steady State Precession.
- Magnetresonanzanlage zur MR-Bildgebung eines vorbestimmten Volumenabschnitts eines lebenden Untersuchungsobjekts (O) , wobei die Magnetresonanzanlage (5) einen Grundfeldmagneten (1), ein Gradientenfeldsystem (3), mindestens eine HF-Antenne (4), mindestens ein Empfangsspulenelement, eine Steuereinrichtung (10) zur Ansteuerung des Gradientenfeldsystems (3) und der mindestens einen HF-Antenne (4), zum Empfang der von dem mindestens einen Empfangsspulenelement aufgenommenen Messsignalen und zur Auswertung der Messsignale und zur Erstellung der MR-Daten und eine Stimulationsvorrichtung (30) umfasst, wobei die Stimulationsvorrichtung (30) ausgestaltet ist, um das Untersuchungsobjekt (O) mit einem definierten Stimulationsmuster zu stimulieren, wobei die Magnetresonanzanlage (5) ausgestaltet ist, um MR-Daten (25) des vorbestimmten Volumenabschnitts zu erfassen und MR-Bilder ausgehend von den MR-Daten in Abhängigkeit von dem Stimulationsmuster zu erstellen, um Signaländerungen innerhalb der MR-Bilder, welche aufgrund der Stimulation erfolgen, von anderen Signaländerungen, welche ihre Ursache nicht in der Stimulation haben, zu trennen.
- Magnetresonanzanlage nach
Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetresonanzanlage (5) zur Durchführung des Verfahrens nach einem derAnsprüche 1 -10 ausgestaltet ist. - Computerprogramm, welches ein Programm umfasst und direkt in einen Speicher einer programmierbaren Steuereinrichtung (10) einer Magnetresonanzanlage (5) ladbar ist, mit Programm-Mitteln, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 -10 auszuführen, wenn das Programm in der Steuereinrichtung (10) der Magnetresonanzanlage (5) ausgeführt wird. - Elektronisch lesbarer Datenträger mit darauf gespeicherten elektronisch lesbaren Steuerinformationen, welche derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers (21) in einer Steuereinrichtung (10) einer Magnetresonanzanlage (5) das Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 -10 durchführen.
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