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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diffusionstensorermittlung eines Untersuchungsobjektes mit einem Magnetresonanztomographen, sowie einen Magnetresonanztomographen zur Ausführung des Verfahrens. Bei dem Verfahren wird eine Volumenabbildung des Untersuchungsobjektes ohne Diffusionskodierung sowie eine Volumenabbildung einer ersten Diffusionskodierung in einer ersten Raumrichtung und einer zweiten Komponente des Diffusionstensors erfasst
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Magnetresonanztomographen sind bildgebende Vorrichtungen, die zur Abbildung eines Untersuchungsobjektes Kernspins des Untersuchungsobjektes mit einem starken äußeren Magnetfeld ausrichten und durch ein magnetisches Wechselfeld zur Präzession um diese Ausrichtung anregen. Die Präzession bzw. Rückkehr der Spins aus diesem angeregten in einen Zustand mit geringerer Energie wiederum erzeugt als Antwort ein magnetisches Wechselfeld, auch als Magnetresonanzsignal bezeichnet, das über Antennen empfangen wird.
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Mit Hilfe von magnetischen Gradientenfeldern wird den Signalen eine Ortskodierung aufgeprägt, die nachfolgend eine Zuordnung von dem empfangenen Signal zu einem Volumenelement ermöglicht. Das empfangene Signal wird dann ausgewertet und eine dreidimensionale bildgebende Darstellung des Untersuchungsobjektes bereitgestellt. Die erzeugte Darstellung gibt eine räumliche Dichteverteilung der Spins an.
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Eine Diffusion von Stoffen in dem Untersuchungsobjekt, insbesondere von Wasser bzw. wasserstoffhaltigen Stoffen, wird durch einen Diffusionstensor beschrieben, der im allgemeinen Fall als eine symmetrische Diffusionsmatrix mit 3 × 3 Komponenten, davon 6 unabhängigen, dargestellt wird. Zur Ermittlung des Tensors wird im Stand der Technik zunächst eine Abbildung der Dichteverteilung des zu untersuchenden Stoffes, z.B. Wasserstoff, erzeugt. Es handelt sich dabei beispielsweise um eine konventionelle Magnetresonanztomographie. Zur Bestimmung der einzelnen Komponenten des Diffusionstensors ist es dann erforderlich, die Änderung der Protonendichte mit der Zeit durch Abwanderung in unterschiedliche Richtungen quantitativ zu erfassen. Dazu werden die Protonen nach der Anregung durch ein Gradientenfeld einer orts- und richtungsabhängigen Phasenmodulation unterzogen und nach einem Messintervall die Phasenmodulation umgekehrt. Bei Protonen, die dann den ursprünglichen Ort in Richtung der Kodierung z.B. durch Diffusion verlassen haben, ist die Umkehrung der Phasenmodulation unvollständig und sie tragen dann mit reduzierter Intensität zu der nachfolgend ermittelten Dichteverteilung bei. Durch eine Quotientenbildung kann diese Reduktion und daraus eine Komponente des Tensors ermittelt werden.
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Insgesamt sind zur Bestimmung aller Komponenten des Diffusionstensors neben der unkodierten Dichtemessung 6 weitere Messungen mit unterschiedlichen Richtungen der Kodierung erforderlich. Aufgrund der geringen Änderung der Dichte durch die Diffusion ist das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (signal-to-noise-ratio, SNR) bei den Messungen wesentlich schlechter als bei einfachen Dichtemessungen. Für verwertbare Messungen muss daher eine Vielzahl an Messungen durchgeführt und darüber gemittelt werden, sodass sich die Messzeit erheblich verlängert.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die das bestimmen des Diffusionstensors beschleunigt.
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Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren nach Anspruch 1 sowie einen erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen nach Anspruch 8 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Diffusionstensorermittlung eines Untersuchungsobjektes mit einem Magnetresonanztomographen weist den Schritt auf, eine Volumenabbildung des Untersuchungsobjektes mittels einer bildgebenden Magnetresonanztomographie ohne Diffusionskodierung zu erfassen. Im Sinne der Erfindung ist darunter jede Abbildung zu verstehen, die für die Volumenelemente des Untersuchungsobjektes einen Wert liefert, der zu einer Dichte des Stoffes bzw. Elements korreliert, für das ein Diffusionstensor zu bestimmen ist. Als Untersuchungsobjekt kann dabei auch ein Teilbereich oder Teilvolumen eines größeren Objektes sein, beispielsweise ein Organ, Blutgefäß, Muskel oder ähnliches. Das Volumen kann dabei auch eine dünne flächige Schicht sein, beispielsweise mit jeweils einem Volumenelement als Dicke.
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Ohne Diffusionskodierung ist hierbei so zu verstehen, dass die Volumenabbildung eine Diffusionssensitivität aufweist, die wesentlich geringer ist als bei den nachfolgend beschriebenen diffusionssensitiven Abbildungen. Beispielsweise beträgt ein diffusionssensitiver Anteil des Messwertes der Volumenabbildung weniger als 50%, 20%, 10%, 5% oder 1% einer diffusionssensitiven Abbildung. Dies hat den Grund, dass zur Stabilisierung der Bildqualität Gradienten ausgespielt werden, die selbst eine mehr oder weniger starke Diffusionskodierung hervorrufen. Es kann aber auch eine Referenz mit signifikanter Kodierung verwendet werden um der Diffusion überlagerte Effekte auszuschließen, wie z.B. IVIM (intra voxel incoherent motion = Fluss in Kapillaren). In einem anderen Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Volumenabbildung segmentiert und eine diffusionsrelevante erste Symmetrieeigenschaft des Untersuchungsobjektes in einer Symmetrieebene ermittelt. Als Symmetrieebene ist hier nicht eine Ebene bezeichnet, die eine Spiegelebene für eine Spiegelsymmetrie ist, sondern eine Ebene oder allgemeiner zweidimensionale Fläche, in der Symmetrieelemente mit einer gemeinsamen Symmetrieeigenschaft angeordnet sind. Beispielsweise kann ein Bilderkennungsalgorithmus der Steuerung des Magnetresonanztomographen in der Volumenabbildung Muskeln oder Blutgefäße erkennen, zum Beispiel durch Kontraste und Kantenerkennung in Verbindung mit einer Relativposition in einem Körper des Patienten und einer Datenbank mit Vergleichsdaten. Für die erkannten Objekte sind Symmetrieeigenschaften bekannt, beispielsweise folgen bei einem Querschnitt durch eine Ader die Zellen in einer Wand der Morphologie der Ader, die im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu einem Mittelpunkt der Ader ist, wobei der Querschnitt durch die Ader gleichzeitig die Symmetrieebene bildet. Ähnliches gilt für zum Beispiel auch für Muskelfasern, deren Morphologie eine Rotationssymmetrie zu einer Symmetrieebene aufweist, die sich durch einen Querschnitt quer zur Längserstreckung ergibt.
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Als symmetrisch im Sinne der Erfindung ist dabei nicht zu verstehen, dass die Position oder exakte Form einzelner Zellen genau einer Spiegel-, Punkt- oder Achsensymmetrie entspricht, sondern dass die Eigenschaften der Zellen an als symmetrisch bezeichneten Orten bezüglich der Diffusion symmetrisch sind und durch eine Symmetrieabbildung aufeinander abgebildet werden können. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Magnetresonanztomografie üblicherweise und insbesondere auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht in der Lage ist, einzelne Zellen räumlich aufzulösen, sondern lediglich über eine Vielzahl von Zellen eine mittlere Dichte an Spins ermittelt. Entsprechend sind auch in dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelte Messwerte immer nur über eine Vielzahl von Zellen gemittelt. Vorzugsweise folgt aber die Orientierung und Ausbildung einzelner Zellen einer makroskopischen Morphologie, sodass Symmetrieeigenschaften bezüglich der Diffusion auch anhand einer makroskopischen Segmentierung einer Magnetresonanzabbildung ermittelt werden können.
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In einem anderen Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine erste Symmetriegruppe an Volumenelementen des Untersuchungsobjektes ermittelt, die die erste Symmetrieeigenschaft aufweisen, also eine Menge von Volumenelementen, für die durch die erste Symmetrieoperation Diffusionseigenschaften ineinander überführbar sind. Für das bereits angeführte Beispiel einer Ader kann es sich bei der Symmetriegruppe beispielsweise um Volumenelemente handeln, die Zellen in der Mitte der Wand der Ader oder auf der inneren Oberfläche oder auf der äußeren Oberfläche umfassen. Durch eine Drehung um den Mittelpunkt des runden Querschnitts der Ader werden diese Volumenelemente jeweils wieder auf Volumenelemente mit im Wesentlichen gleichen Eigenschaften abgebildet.
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In einem anderen Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einer ersten Abbildung eine erste Komponente des Diffusionstensors in einer ersten Richtung unter einem ersten Winkel zu der Symmetrieebene erfasst. Die erste Komponente des Diffusionstensors entspricht dabei nicht notwendigerweise unmittelbar einem Matrixelement des Diffusionstensors im kartesischen Koordinatensystem, sondern einem Matrixelement eines Tensors in einem Koordinatensystem, das von den gewählten Raumrichtungen der ersten Abbildung und der nachfolgend beschriebenen zweiten Abbildung bestimmt wird. Eine Koordinatentransformation kann die beiden Diffusionstensoren ineinander überführen.
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Dabei ist der erste Winkel ungleich Null und ungleich 90 Grad. Vorzugsweise unterscheidet sich der Winkel deutlich von einem Null- oder rechten Winkel, der Betrag ist beispielsweise größer als 10, 20 oder 30 Grad. Zum Erfassen kann beispielsweise eine Schicht an Volumenelementen in bzw. parallel zu der Symmetrieebene durch ein angelegtes Gradientenfeld senkrecht zu der Symmetrieebene angeregt werden. Ein Magnetfeldgradientenpuls mit einer ersten Richtung und ein nach einem Zeitintervall erfolgender zur ersten Richtung entgegengesetzter Magnetfeldgradientenpuls können beispielsweise eine Spin-Kodierung erzeugen, die auf eine Diffusion in der ersten Richtung sensitiv ist. Anschließend kann beispielsweise durch eine EPI-Sequenz für jedes Volumenelement des Untersuchungsobjektes ein Wert erfasst werden, der eine Diffusionstensorkomponente in der ersten Richtung repräsentiert. Beispielsweise kann ein Wert erfasst werden, der der Spindichte für Spins entspricht, die in dem Zeitintervall in dem Volumenelement waren und gleichzeitig ein durch die diffusionssensitive Kodierung bestimmtes Teilvolumen nicht verlassen haben.
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Dabei kann das diffusionssensitve Teilvolumen wesentlich kleiner als die Volumenelemente einer Magnetresonanzbildgebung sein, beispielsweise können Diffusionsbewegungen in der Größenordnung einer Zelle quantitativ erfasst werden, allerdings integral für alle in dem Volumenelement der Magnetresonanzabbildung enthaltenen Spins.
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In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einer zweiten Abbildung eine zweite Komponente des Diffusionstensors in einer zweiten Richtung unter einem zweiten Winkel zu der Symmetrieebene erfasst. Dabei unterscheidet sich der zweite Winkel von dem ersten Winkel im Betrag, d.h. nicht nur im Vorzeichen. Vorzugsweise unterscheidet sich der zweite Winkel im Betrag um einen Wert größer als 10, 20 oder 30 Grad von dem Betrag des ersten Winkels. Das Erfassen der zweiten Abbildung ist im Wesentlichen identisch zu dem Erfassen der ersten Abbildung.
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In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Diffusionstensor eines ersten Volumenelementes der ersten Symmetriegruppe aus der Volumenabbildung, der ersten Abbildung und der zweiten Abbildung ermittelt. Dabei gibt die Volumenabbildung einen Referenzwert ohne Diffusionsanteil an.
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Bei einer herkömmlichen Ermittlung des Diffusionstensors sind insgesamt 6 Abbildungen mit unterschiedlicher diffusionssensitiver Kodierung in unterschiedlichen Raumrichtungen erforderlich, dazu zusätzlich die diffusionsunabhängige Volumenabbildung als Referenzwert.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird jedoch die Symmetrie ausgenutzt und Messungen in zusätzlichen Raumrichtungen durch Messungen für andere Volumenelemente der ersten Symmetriegruppe ersetzt. Dazu werden die in der ersten Abbildung gewonnenen ersten Komponenten des Diffusionstensors und die in der zweiten Abbildung gewonnenen zweiten Komponenten des Diffusionstensors von einer Mehrzahl an zweiten Volumenelementen der ersten Symmetriegruppe durch eine von der Symmetrie, der Position des ersten Volumenelements und der Position des zweiten Volumenelements abhängigen Symmetrieabbildung auf das erste Volumenelement abgebildet und optional gemittelt. Dabei sind das erste Volumenelement und das zweite Volumenelement nicht identisch, sie unterscheiden sich in der Position.
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Als Beispiel seien zwei Volumenelemente A und B der ersten Symmetriegruppe angenommen. Der Mittelpunkt M des kreisförmigen Querschnitts der Ader und das Volumenelement A in der Wand der Ader definieren eine erste Gerade in der Symmetrieebene. Das Volumenelement B sei dazu in rechtem Winkel in der Wand der Ader angeordnet. Dabei kann ein Messewert für B wegen der Symmetrieeigenschaften anstelle eines Messwertes für A unter einer um 90 Grad gedrehten Raumrichtung eingesetzt werden. Die unter einer einzelnen Diffusionskodierung in einer ersten Richtung gleichzeitig für Volumenelemente A und B erfassten Diffusionstensorkomponenten entsprechen dabei zwei Diffusionstensorkomponenten für das Volumenelement A, die zwei gegeneinander um 90 Grad in der Symmetrieebene gedrehten Diffusionskodierrichtungen entsprechen. Es stehen daher Messwerte für unterschiedliche Winkel in der Symmetrieebene aus einer einzelnen Bilderfassung in einer Zahl bereit, die der Anzahl der Volumenelemente in der ersten Symmetriegruppe entspricht. Es ist lediglich erforderlich, die Messwerte, die jeweils Vektoren sind, durch eine Symmetrieoperation gemäß der Symmetrieeigenschaft auf den jeweils anderen Messwert abzubilden. Dabei ist die Symmetrieoperation auch von der jeweiligen Position des ersten und des zweiten Volumenelements abhängig. Im Beispiel der Rotationssymmetrie ist die Symmetrieoperation eine Drehung, repräsentiert durch eine Matrix, und die Position des ersten und des zweiten Volumenelements ist durch den Radius und den jeweiligen Azimut-Winkel gegeben.
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Dabei sind auch komplexere Symmetrien und Symmetrieoperationen denkbar. Möglich sind auch Symmetrien nicht nur in einer Symmetrieebene, sondern auch dreidimensionale Symmetrien. Indem in der Symmetrieebene nicht nur Messwerte für zwei Volumenelemente unter zwei Winkeln bezüglich der Ebene, sondern über eine Vielzahl an Volumenelementen mit einer Vielzahl an Winkeln in einer Messung bestimmt wird, ist das Gleichungssystem zur Bestimmung der Diffusionstensorkomponenten überbestimmt. Die zusätzliche Information kann daher auf vorteilhafte Weise genutzt werden, um bereits bei der Bestimmung der Diffusionstensorkomponenten zu Mitteln und damit ein Ergebnis mit besserem SNR zu erhalten. Insgesamt reduziert sich auf vorteilhafte Weise die Anzahl an Messungen und die Messzeit zur Bestimmung des Diffusionstensors bei einem besseren Ergebnis.
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Der erfindungsgemäße Magnetresonanztomograph teilt die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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In einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Schritt des Ermittelns des Diffusionstensors für ein anderes erstes Volumenelement wiederholt.
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Auf vorteilhafte Weise kann unter Nutzung der Symmetrieeigenschaften der Diffusionstensor für alle Elemente der Symmetriegruppe ohne zusätzliche Messungen bestimmt werden.
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In einer denkbaren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Schritte Segmentieren einer Volumenabbildung und Ermitteln des Diffusionstensors für eine Mehrzahl an Symmetriegruppen wiederholt
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei komplexen Untersuchungsobjekten mit mehreren unterschiedlichen Symmetrien vorteilhafterweise an unterschiedliche Symmetrien angepasst werden und so beispielsweise auch ein Wert für den Verlauf eines gekrümmten Gefäßes bestimmt werden. Wurden die erste Abbildung und die zweite Abbildung bereits für ein Volumen ausgeführt und gespeichert, das auch die Bereiche des Untersuchungsobjektes mit der Mehrzahl an Symmetriegruppen umfasst, so kann eine erneutes Erfassen entfallen und die gespeicherten Daten genutzt werden. Es ist aber auch denkbar, jeweils ein Erfassen der ersten Abbildung und der zweiten Abbildung für ein kleines Volumen mit einer oder mehrerer der Symmetriegruppen zu wiederholen und so Speicherplatz zu sparen.
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In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Schritt Erfassen einer Abbildung einer Komponente des Diffusionstensors für eine Vielzahl an Winkeln wiederholt. Auf vorteilhafte Weise verbessert sich mit der Anzahl der erfassten Winkel der Signal-Rauschabstand SNR des bestimmten Diffusionstensors. Darüber hinaus ist es denkbar, dass die Messwerte gespeichert werden, sodass zu einem späteren Zeitpunkt eine Diffusionstensorbestimmung für unterschiedliche Symmetriegruppen und Symmetrien nachträglich aus den bereits bestimmten Messdaten erfolgt.
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In einer denkbaren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Diffusionstensor mit sechs oder weniger Magnetresonanzabbildungen vollständig ermittelt.
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Auf vorteilhafte Weise kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Diffusionstensor mit einer geringeren Anzahl als den sieben nach herkömmlicher Vorgehensweise erforderlichen Abbildungen schneller und besser erfasst werden.
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In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Diffusionstensor mit vier Magnetresonanzabbildungen vollständig ermittelt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es bereits mit drei Abbildungen, davon zwei diffusionskodierte und eine diffusionsunabhängige Referenzmessung, vollständige Diffusionstensoren unter Nutzung der Symmetrie zu ermitteln.
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In einer denkbaren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfasst das Verfahren den Schritt des Erfassens einer dritten Abbildung einer dritten Komponente des Diffusionstensors in einer dritten Richtung unter einem dritten Winkel zu der Symmetrieebene. Dabei unterscheidet sich der dritte Winkel von dem ersten Winkel und dem zweiten Winkel im Betrag und die erste Richtung, die zweite Richtung und die dritte Richtung spannen ein orthogonales Koordinatensystem auf.
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Mittels der drei senkrecht aufeinander stehenden Richtungen bei der Diffusionskodierung ermöglicht es das Verfahren zusätzlich und ohne Symmetrieannahme für alle Volumenelemente eine skalare Diffusionskonstante, genannt „apparent diffusion coefficient“ (ADC) zu bestimmen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:
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1 schematisch einen erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen;
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2 schematisch einen Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 einen schematischen Querschnitt durch ein beispielhaftes Blutgefäß;
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4 schematisch eine beispielhafte Sequenz zum Ermitteln einer Komponente des Diffusionstensors;
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5 eine schematische Darstellung der Vorzugsrichtungen der diffusionsselektiven Abbildung in einer Ausführungsform;
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6 eine schematische Darstellung der Vorzugsrichtungen der diffusionsselektiven Abbildung in einer anderen Ausführungsform;
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen 1.
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Die Magneteinheit 10 weist einen Feldmagneten 11 auf, der ein statisches Magnetfeld B0 zur Ausrichtung von Kernspins von Proben bzw. in einem Körper eines Patienten 40 in einem Aufnahmebereich erzeugt. Der Aufnahmebereich ist in einem Patiententunnel 16 angeordnet, der sich in einer Längsrichtung 2 durch die Magneteinheit 10 erstreckt. Üblicherweise handelt es sich bei dem Feldmagneten 11 um einen supraleitenden Magneten, der magnetische Felder mit einer magnetischen Flussdichte von bis zu 3T, bei neuesten Geräten sogar darüber, bereitstellen kann. Für geringere Feldstärken können jedoch auch Permanentmagnete oder Elektromagnete mit normalleitenden Spulen Verwendung finden.
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Weiterhin weist die Magneteinheit 10 Gradientenspulen 12 auf, die dazu ausgelegt sind, zur räumlichen Differenzierung der erfassten Abbildungsbereiche in dem Untersuchungsvolumen dem Magnetfeld B0 variable Magnetfelder in drei Raumrichtungen zu überlagern. Die Gradientenspulen 12 sind üblicherweise Spulen aus normalleitenden Drähten, die zueinander orthogonale Felder in dem Untersuchungsvolumen erzeugen können.
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Die Magneteinheit 10 weist ebenfalls eine Körperspule 14 auf, die dazu ausgelegt ist, ein über eine Signalleitung zugeführtes Hochfrequenzsignal in das Untersuchungsvolumen abzustrahlen und von dem Patient 40 emittierte Resonanzsignale zu empfangen und über eine Signalleitung abzugeben. Weiterhin weist der erfindungsgemäße Magnetresonanztomograph eine oder mehrere Lokalspulen 50 auf, die in dem Patiententunnel 16 nahe am Patient 40 angeordnet sind.
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Eine Steuereinheit 20 versorgt die Magneteinheit 10 mit den verschiedenen Signalen für die Gradientenspulen 12 und die Körperspule 14 und wertet die empfangenen Signale aus.
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So weist die Steuereinheit 20 eine Gradientenansteuerung 21 auf, die dazu ausgelegt ist, die Gradientenspulen 12 über Zuleitungen mit variablen Strömen zu versorgen, welche zeitlich koordiniert die erwünschten Gradientenfelder in dem Untersuchungsvolumen bereitstellen.
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Weiterhin weist die Steuereinheit 20 eine Hochfrequenzeinheit 22 auf, die ausgelegt ist, einen Hochfrequenz-Puls mit einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf, Amplitude und spektraler Leistungsverteilung zur Anregung einer Magnetresonanz der Kernspins in dem Patienten 40 zu erzeugen. Dabei können Pulsleistungen im Bereich von Kilowatt erreicht werden. Die einzelnen Einheiten sind über einen Signalbus 25 untereinander verbunden.
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Das von der Hochfrequenzeinheit 22 erzeugte Hochfrequenzsignal wird über eine Signalverbindung 31 der Patientenliege 30 zugeführt und an eine oder mehrere Lokalspulen 50 verteilt und in den Körper des Patienten 40 ausgesendet, um dort die Kernspins anzuregen.
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Die Lokalspule 50 empfängt dann vorzugsweise ein Magnetresonanzsignal aus dem Körper des Patienten 40, denn aufgrund des geringen Abstandes ist das Signal-zu-Rauschverhältnis (SNR) der Lokalspule 50 besser als bei einem Empfang durch die Körperspule 14. Das von der Lokalspule 50 empfangene MR-Signal wird in der Lokalspule 50 aufbereitet und an die Hochfrequenzeinheit 22 des Magnetresonanztomographen 1 zur Auswertung und Bilderfassung weitergeleitet. Vorzugsweise wird dazu ebenfalls die Signalverbindung 31 genutzt, es sind aber auch separate Signalverbindungen oder eine drahtlose Übertragung denkbar. Es ist ebenso denkbar, dass für das Empfangen eigene Lokalspulen oder andere Antennen vorgesehen sind.
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2 stellt einen schematischen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Die Reihenfolge der Schritte zeigt nur die Abfolge für eine beispielhafte Ausführungsform und ist nicht beschränkend für das erfinderische Verfahren. Insbesondere können einzelne Schritte auch in anderer Reihenfolge ausgeführt werden.
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In einem Schritt S10 wird eine Volumenabbildung des Untersuchungsobjektes mittels einer bildgebenden Magnetresonanztomographie ohne Diffusionskodierung erfasst. Beispielhafte Sequenzen sind Gradienten-Echo-Sequenzen (GRE) oder Echo-Planar-Sequenzen (EPI). Als Ergebnis liefert der Schritt S10 ein Maß für die Dichte eines Stoffes, üblicherweise Wasserstoffkernen bzw. Protonen in Fett oder Wasser eines Körpers, für die zu untersuchenden Volumenelemente. Die Volumenelemente können ein kleines Teilvolumen eines Körpers sein, beispielsweise eine einzelne Schicht eines Querschnitts, ein dreidimensionales Teilvolumen oder ein einzelnes Organ. Vorzugsweise speichert die Steuereinheit das Ergebnis des Schritts S10 in einem Speicher.
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In einem weiteren Schritt S20 wird die in Schritt S10 gewonnene Volumenabbildung segmentiert, um physiologisch unterschiedliche Bereiche zu unterscheiden. Beispielsweise können allein schon durch den Kontrastsprung Gefäße wie Adern bzw. Hohlmuskeln, insbesondere das Herz, von den von Ihnen umschlossenen Hohlräumen unterschieden werden und so Gebiete eines im wesentlichen einheitlichen Kontrastwertes von Gebieten mit einem deutlich anderen Kontrastwert von der Steuereinheit getrennt werden und anschließend eine diffusionsrelevante Symmetrieeigenschaft des Untersuchungsobjektes in einer Symmetrieebene ermittelt werden.
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3 gibt als Beispiel einen schematischen Querschnitt durch ein Blutgefäß bzw. eine Ader 41 an. Um ein nahezu kreisförmiges Lumen 42 sind die Zellen der Intima 43 bzw. Zellwandung und Zellen der Media 44 angeordnet. Dabei sind die Zellen nahezu kreisförmig um den Mittelunkt 45 der Ader angeordnet.
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In dem Schritt S30 wird eine erste Symmetriegruppe an Volumenelementen des Untersuchungsobjektes ermittelt, die eine erste Symmetrieeigenschaft aufweisen. Am Beispiel der 3 kann dies die Rotationssymmetrie um den Mittelpunkt 45 sein. Die Symmetrie der Zellen spiegelt sich auch in einer entsprechenden Rotationssymmetrie der Diffusionseigenschaften der Zellen wieder. Die erste Symmetriegruppe kann in diesem Fall die Gruppe der Zellen der Intima 43 sein. Es gibt aber in diesem Beispiel noch weitere Symmetriegruppen, beispielsweise die Symmetriegruppe der Zellen der Media 44. Diese unterscheiden sich von den Zellen der Intima 43 dadurch, dass sie in allen Richtungen der dargestellten Symmetrieebene von Zellen der Gefäßwand umgeben sind. Daher ist zu erwarten, dass sich die Zellen der Intima 43 zumindest in den Diffusionseigenschaften in Richtung des Mittelpunktes 45 von den Zellen der Media 44 unterscheiden und eine eigene Symmetriegruppe angeben. In einer denkbaren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden daher die Schritte S30 und S90 für eine Mehrzahl an Symmetriegruppen wiederholt, wobei die für das ganze Untersuchungsobjekt erfassten Volumendaten der ersten Abbildung und der zweiten Abbildung genutzt werden. Alternativ kann jedoch jeweils eine erste Abbildung und eine zweite Abbildung für ein kleines Teilvolumen mit der Symmetriegruppe ausgeführt werden, um beispielsweise Speicherplatz zu sparen.
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In dem Schritt S40 wird eine erste Abbildung einer ersten Komponente des Diffusionstensors in einer ersten Richtung unter einem ersten Winkel zu der Symmetrieebene durch den Magnetresonanztomographen 1 erfasst.
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In 4 ist eine beispielhafte Sequenz schematisch angegeben. Auf der horizontalen Achse sind dabei die Zeit aufgetragen, in der vertikalen Achse die Feldstärke der Radiosignale und die Magnetfeldstärke der Gradientensignale in x-, y-, und z-Richtung in beliebigen, nicht maßstäblichen Einheiten.
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Die Sequenz gliedert sich in zwei Abschnitte, die mit ENC für Encoding, d.h. in diesem Fall mit einem richtungs- und diffusionssensitiven Anregen der Spins, und ROUT für Read Out bzw. Auslesen der ortsabhängigen Spindichte bezeichnet sind.
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Im Abschnitt ENC erfolgt eine Anregung einer Schicht von Spins des Untersuchungsobjektes, die in z-Richtung begrenzt ist, durch einen 90-Grad und einen 180-Grad-Hochfrequenzpuls unter Anlegen einer z-Gradiente. Eine spin-sensitive Phasenmodulation erfolgt durch die Gradientenpulse, die mit DIF bezeichnet sind. Durch gleichzeitiges Anlegen von drei Gradientenkomponenten in x-, y- und z-Richtung kann dabei eine vorbestimmte Richtung des Diffusion ausgewählt werden, in die Diffusionsmessung sensitiv sein soll. Die diffudionssensitive Anregung ist dabei für eine Distanz der Diffusion sensitiv, die wesentlich kleiner als die Volumenelemente der MR-Abbildung sind. Lediglich angeregte Spins, die sich in dieser Richtung um mehr als diese Distanz bewegen, tragen nicht mehr zu dem nachfolgend ausgelesenen Signal bei.
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Bei dem Abschnitt ROUT zum nachfolgenden Erfassen der Spindichte handelt es sich in diesem Beispiel um eine Echo-Planar-Sequenz (EPI). Die dargestellten empfangenen RF-Signale sind nicht maßstabsgerecht zu den Anregungspulsen und in der Realität um Größenordnungen kleiner.
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Das Ergebnis der Sequenz in 3 ist ein Maß für eine Spindichte in den Volumenelementen des Untersuchungsobjektes, wobei die Spindichte um die Spins reduziert ist, die sich während der Anregung ENC zwischen den DIF-Gradientenpulsen um mehr als die Distanz in eine durch die DIF-Gradienten vorbestimmte Richtung bewegt haben. Vorzugsweise speichert die Steuereinheit auch diesen Wert für die Volumenelemente.
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In einem Schritt S50 wird eine zweiten Abbildung einer zweiten Komponente des Diffusionstensors in einer zweiten Richtung unter einem zweiten Winkel zu der Symmetrieebene erfasst, wobei der zweite Winkel sich von dem ersten Winkel im Betrag unterscheidet. Der Schritt S50 erfolgt dabei vorzugsweise mit der gleichen Sequenz, die bereits zu Schritt S40 und 3 erläutert wurde. Dabei unterscheidet sich der Schritt S50 lediglich durch die Diffusionsrichtung, die durch ein verändertes Verhältnis der Richtungskomponenten der Gradientenpulse DIF vorbestimmt wird. Wegen der Vorzeichensymmetrie des Diffusionstensors ist es dabei erforderlich, dass sich die Winkel der Richtungen in Bezug auf die Diffusionsebene auch im Betrag und nicht nur im Vorzeichen unterscheiden. Vorzugsweise unterscheidet sich der Betrag ebenfalls deutlich, beispielsweise um mindestens 20 oder 30 Grad, damit der Diffusionstensor in allen drei Koordinaten mit ausreichender Genauigkeit und SNR bestimmt werden kann.
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Es ist in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens auch denkbar, dass in einem Schritt S60 entsprechend den Schritten S30 und S40 eine Abbildung mit einer Komponente des Diffusionstensors in einer dritten Richtung erfasst wird, wobei die erste Richtung, die zweite Richtung und die Dritte Richtung ein orthogonales Koordinatensystem aufspannen. Mittels der drei Abbildungen aus S30, S40 und S50 lässt sich dann unmittelbar und ohne Nutzung der Symmetrie eine skalare Diffusionskonstante für jedes Volumenelement bestimmen.
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In Schritt 70 erfolgt das Ermitteln des Diffusionstensors eines ersten Volumenelementes der ersten Symmetriegruppe durch die Steuereinheit. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt dabei die Symmetrieeigenschaft auf vorteilhafte Weise aus. Mit Blick auf die 3 ist ersichtlich, dass sich unter der Annahme, dass die Diffusion die gleichen Symmetrieeigenschaften aufweist, die Messwerte für eine Diffusionsrichtung für alle Volumenelemente den Messwerten für ein einzelnes Volumenelement unter allen Azimut-Winkeln in der Symmetrieebene entsprechen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren überträgt daher die erfassten Messwerte eines zweiten Volumenelements bzw. einer Mehrzahl an zweiten Volumenelementen durch eine Symmetrieabbildung auf das erste Volumenelement. Im Beispiel der 3 handelt es sich bei der Symmetrieabbildung um eine Drehung um den Mittelpunkt 45. Die Messwerte für die in der Zeichnung oben abgebildeten Zellen gehen durch eine Rotation um 90 Grad im Uhrzeigersinn in Messwerte für die rechts abgebildeten Zellen über.
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Üblicherweise erfasst eine erste und/oder zweite Abbildung einen Messwert für eine Vielzahl an zweiten Volumenelementen. Auf diese Weise werden innerhalb einer einzelnen Bilderfassung Messwerte für mehrere Richtungen der Diffusionskodierung in der Ebene für das erste Volumenelement gleichzeitig erfasst. Indem eine Vielzahl von Messwerten unterschiedlicher zweiter Volumenelementen auf das erste Volumenelement abgebildet werden, ist das Gleichungssystem zur Ermittlung der Diffusionstensorkomponenten in der Symmetrieebene überbestimmt. Es ist dann auf vorteilhafte Weise möglich, die Überbestimmung des Systems zu nutzen, um Fehler in den Messwerten zu kompensieren, beispielsweise mittels eines Least-Mean-Square-Verfahrens (LMS). Dadurch lässt sich die Genauigkeit der ermittelten Diffusionstensorkomponenten auch gegenüber einer einfachen Mittelung verbessern, bei der zunächst der Tensor für das erste Volumenelement und die zweiten Volumenelemente einzeln bestimmt und anschließend gemittelt wird, da zu diesem Zeitpunkt bereits die zusätzlich in den Vektoren enthaltene Information verloren gegangen ist.
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Um einen vollständigen 3-dimensionalen Diffusionstensor zu erhalten, ist es in Schritt S70 weiterhin erforderlich, die in der zweiten Abbildung gewonnenen zweiten Komponenten des Diffusionstensors von einer Mehrzahl an zweiten Volumenelementen der ersten Symmetriegruppe durch eine von der Symmetrie, der Position des ersten Volumenelements und der Position des zweiten Volumenelements abhängigen Symmetrieabbildung auf das erste Volumenelement abzubilden und daraus weitere linear unabhängige Diffusionstensorkomponenten zu bestimmen und den Tensor so zu vervollständigen. Die Vorgehensweise ist der zu der ersten Abbildung bereits beschriebenen identisch.
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Der Schritt S70 wird dabei vorzugsweise ebenfalls von der Steuereinheit 20 ausgeführt.
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In einem Schritt S80 einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird geprüft, ob der Schritt S70 bereits für alle Volumenelemente der ersten Symmetriegruppe ausgeführt wurde. Es kann andernfalls ein anderes erstes Volumenelement und entsprechende zweite Volumenelemente aus der ersten Symmetriegruppe gewählt werden und für diese der Schritt S70 wiederholt werden, um für alle Volumenelemente der ersten Symmetriegruppe einen Diffusionstensor zu bestimmen.
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Alternativ ist es aber auch denkbar, einen bestimmten Diffusionstensor für ein erstes Volumenelement durch eine Symmetrieabbildung in Abhängigkeit von der Symmetrieeigenschaft der Symmetriegruppe und der Position des ersten Volumenelements und eines ausgewählten zweiten Volumenelements auf das gewählte zweite Volumenelement abzubilden.
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In einem Schritt S90 einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird schließlich geprüft, ob noch weitere Symmetriegruppen innerhalb des Untersuchungsobjektes existieren und ob für diese ebenfalls ein Diffusionstensor bestimmt werden soll. Gegebenenfalls kann das Verfahren für diese weitere Symmetriegruppe ausgeführt werden, indem die Schritt S30 bis S70 bzw. S80 für diese neue Symmetriegruppe mit der entsprechenden Symmetrieebene ausgeführt werden.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es dabei im Prinzip gleichgültig, ob der Schritt S10 mit der Erfassung einer Diffusionsunabhängigen Volumenabbildung und die Schritte S40 und S50 mit dem Erfassen erster und zweiter diffusionabhängiger Abbildungen zuerst erfolgt, die Messdaten vollständig gespeichert und dann erst gemäß den Schritten S20, S30 und S70 ausgewertet werden, oder ob die Auswertung bereits beispielsweise für einzelne Teilvolumen erfolgt und danach erst weitere Volumenabbildungen und erste bzw. zweite diffusionsabhängige Abbildungen anderer Teilvolumina erfolgen, die anschließend ausgewertet werden.
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Auch ist es denkbar, dass ein einzelnes Teilvolumen unterschiedliche Symmetrien aufweist und daher für die gleiche Volumenabildung und die gleichen erste und zweite diffusionsabhängige Abbildung eine Auswertung gemäß der Schritte S30 und S70 unter jeweils anderen Symmetrien erfolgt.
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Bei einer nachfolgenden Auswertung ist es jedoch erforderlich, dass zu jeder Symmetrie zwei diffusionsabhängige Abbildungen unter zwei im Betrag unterschiedlichen Winkeln zur Symmetrieebene erfasst werden. Es kann daher von Vorteil sein, zunächst drei oder mehr diffusionsabhängige Abbildungen unter unterschiedlichen Winkeln zu erfassen und zu speichern.
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5 zeigt eine zweidimensionale schematische Darstellung der Vorzugsrichtungen der diffusionsselektiven Abbildung in einer Ausführungsform. Die Richtung der Diffusionssensitivität, der durch die Gradienten DIF in 4 bestimmt ist, weist unterschiedliche Elevationswinkel in Bezug auf die Symmetrieebene 60 auf. Für eine Bestimmung des Diffusionstensors unter Nutzung der Symmetrie sind Abbildungen unter diese zwei beispielhaften Richtungen hinreichend.
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In 6 ist eine dreidimensionale schematische Darstellung der Vorzugsrichtungen der diffusionsselektiven Abbildung in einer anderen Ausführungsform angegeben. Diese weist drei Vorzugsrichtungen für diffusionssensitiven Abbildung auf, wobei die drei Vorzugsrichtungen aufeinander senkrecht stehen und ein kartesisches Koordinatensystem aufspannen. Diese Anordnung ermöglicht zusätzlich, eine skalare Größe des Diffusionstensors zu bestimmen, die unabhängig von der Symmetrie ist und es auf vorteilhafte Weise erlaubt, zu überprüfen, ob die angenommene Symmetrie für die Volumenelemente auch zutrifft. Gleichzeitig ist dieser skalare Diffusionswert bereits ein wichtiger Parameter zur Beurteilung der Zellen eines Volumenelements.
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Es kann jedoch immer noch der Fall auftreten, dass zwei dieser Richtungen in 6 mit einer möglichen Symmetrieebene zusammenfallen. Um eine beliebige Auswertung zu einem späteren Zeitpunkt sicherzustellen, ist es daher erforderlich, eine vierte diffusionsabhängige Abbildung unter einer vierten Richtung vorzunehmen die schief zu den durch jeweils zwei Richtung aufgespannten Ebenen steht.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
