DE10221795B4

DE10221795B4 - Verfahren zur zeitabhängigen Wirkungsbestimmung eines Kontrastmittels

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Publication number: DE10221795B4
Application number: DE10221795A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Shah Nadim Joni; Dr. Zaitsev Maxim; James D'Arcy; David John Collins; Martin Osmond Leach
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2002-05-15
Filing date: 2002-05-15
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2022-05-16
Also published as: EP1506424A1; WO2003098249A1; JP2005525204A; US7235972B2; DE10221795A1; US20060091882A1

Abstract

Verfahren zur zeitabhängigen Wirkungsbestimmung eines Kontrastmittels, welches in wenigstens einem Objekt wirkt, wobei Eigenschaften des Objektes innerhalb eines durch Ortsfrequenzen gebildeten Ortsfrequenzraumes in verschiedenen Messungen erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer ersten HF-Anregung wenigstens zwei Messungen in gleichen Bereichen des Ortsfrequenzraumes erfolgen, wobei die Messungen das Objekt in einem Zentralbereich (KEY) des Ortsfrequenzraumes mit einer hohen Erfassungsrate und in peripheren Bereichen des Ortsfrequenzraumes mit einer niedrigeren Erfassungsrate als in dem Zentralbereich (KEY) des Ortsfrequenzraumes erfassen, wobei die erste der Messungen in einem Zeitintervall nach der HF-Anregung erfolgt, das so ausgewählt ist, dass die erste Messung im Wesentlichen T1 gewichtet ist, dass eine zweite Messung in einem späteren Zeitintervall erfolgt, wobei das spätere Zeitintervall so ausgewählt ist, dass die zweite Messung im Wesentlichen T2* gewichtet ist, dass anschließend eine weitere HF-Anregung erfolgt, dass nach der weiteren Anregung wenigstens zwei weitere Messungen in zueinander gleichen, von den ersten Bereichen (A1, A2)...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zeitabhängigen Wirkungsbestimmung eines Kontrastmittels, welches in wenigstens einem Objekt wirkt, wobei Eigenschaften des Objektes innerhalb eines durch Ortsfrequenzen gebildeten Ortsfrequenzraumes in verschiedenen Messungen erfasst werden.
Untersuchungen des Ortsfrequenzraumes finden in weiten Technologiegebieten Einsatz. Da Impulsräume Ortsfrequenzräumen entsprechen, umfasst der Begriff Ortsfrequenzraum auch Impulsräume. Die Bezeichnung Ortsfrequenzraum dient zur Klarstellung, dass die Erfindung auch Verfahren betrifft, bei denen kein Impulsübertrag erfolgt.
Ein bekanntes Problem bei der Aufnahme von Ortsfrequenzräumen ist, dass bei einer Kombination einer hohen Ortsauflösung in Verbindung mit einer hohen Ortsfrequenzauflösung eine sehr hohe Messzeit benötigt wird.
Zur Lösung dieses Problems ist das Keyhole-Verfahren bekannt. Bei diesem Verfahren wird zu wenigstens einem Zeitpunkt ein hochaufgelöstes Bild mit einer Erfassung des gesamten Ortsfrequenzraums ermittelt. In einem oder mehreren weiteren Messschritten wird ein zentraler Bereich des Ortsfrequenzraumes aufgenommen, der den Kontrast des rekonstruierten Bildes bestimmt. Anschließend wird das hochaufgelöste Bild mit dem oder den aufgenommenen Bildern der zentralen Bereiche des Ortsfrequenzraumes mathematisch so verbunden, dass auch für einen anderen Zeitpunkt, beziehungsweise für andere Zeitpunkte, ein hochaufgelöst wirkendes Bild mit einem dem Aufnahmezeitpunkt entsprechenden Kontrast ermittelt wird.
Dieses bekannte Verfahren ist mit dem Nachteil verbunden, dass Kontraständerungen zwischen aufeinander folgenden Messungen nur dann ermittelt werden können, wenn sie eine hinreichend große räumliche Ausdehnung aufweisen.
Dieser Nachteil ist insbesondere bei einer Erfassung funktionaler Parameter störend.
So besteht beispielsweise in der funktionalen magnetischen Resonanzbildgebung das Bedürfnis, Parameter, welche nukleare kernmagnetische Resonanzsignale beeinflussen, mit einer möglichst hohen Ortsauflösung zu erfassen.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Bildgebungsverfahren zur Untersuchung von Substanzen, in denen durch indirekte Kernspin-Wechselwirkung eine Präzession von Kernspins mit einem zusätzlichen Phasenwinkel relativ zu einer bereits vorhandenen Präzession in einem äußeren Magnetfeld erzeugt wird, sodass eine transversale Magnetisierung senkrecht zu dem äußeren Magnetfeld auffächert, sodass eine Relaxation der transversalen Magnetisierung mit einer Relaxationszeit T₂ erzeugt wird. Magnetische Resonanzbildgebung ermöglicht eine Erfassung verschiedener physiologischer Parameter. Beispiele hierfür sind die Erfassung regionaler zerebraler Blutvolumina (regional cerebral blond volume rCBV) und regionaler zerebraler Blutflüsse (regional cerebral blond flow rCBF).
Bei bekannten Perfusionsexperimenten erfolgen Untersuchungen im Anschluss an eine intravenöse Injektion eines Kontrastmittels, beispielsweise eines Gadolinium-Chelats wie Gd-DTPA oder Gd-BOPTA.
Die US-amerikanische Patentschrift US 6 002 254 A beschreibt ein nuklearmagnetisches Bildgebungsverfahren zur Darstellung von physiologischen Parametern, bei dem in einem ersten Bildgebungsschritt ein T1-gewichtetes Bild zur Abbildung von Gefäßstrukturen erzeugt wird und im Anschluss daran ein T2*-gewichtetes Bild zur Darstellung von Bereichen hoher Suszeptibilitätsunterschiede. Wahlweise kann ein zweites T2*-gewichtetes Bild akquiriert werden, welches in Verbindung mit dem ersten T2*-gewichteten Bild zur mathematischen Aufschlüsselung von beispielsweise Gehirnfunktionen verwendet wird.
Die wissenschaftliche Publikation „Shared k-Space Echo Planar Imaging with Keyhole” von Zaitsev et al. (Magnetic Resonance in Medicine, 2001, Vol. 45, S. 109–117) offenbart ein Keyhole-Verfahren unter Verwendung einer Echo-Planar Kodierungssequenz. Bei diesem Verfahren wird nach einer ersten HF-Anregung in einem zentralen Bereich des Ortsfrequenzraumes das Objekt mit einer hohen Erfassungsrate und in peripheren Bereichen des Ortsfrequenzraumes mit niedrigerer Erfassungsrate aufgenommen. Nach einer weiteren HF-Anregung wird der Zentralbereich des Ortsfrequenzraumes mit hoher Erfassungsrate und ein weiterer, vom ersten verschiedener, Bereich mit niedrigerer Erfassungsrate aufgenommen. Das beschriebene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass infolge des Keyhole-Verfahrens die der Echo-Planar Kodierungsequenz immanenten Suszeptibilitätsartefakte minimiert werden.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 199 62 845 A1 beschreibt ein Verfahren zur nuklearmagnetischen Untersuchung eines Objektes, wobei Eigenschaften des Objektes anhand von mehrmaligen Messungen, die jeweils teilweise unterschiedliche Bereiche des Ortsfrequenzraumes abdecken, bestimmt werden.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 199 24 448 A1 offenbart ein Verfahren zur Gewinnung von zeit- und ortsaufgelösten dreidimensionalen Datensätzen mittels nuklearmagnetischer Resonanz. Zur Erhöhung der Messgeschwindigkeit wird eine spiralförmige Half-Fourier Technik verwendet, bei der nicht-akquirierte Bereiche des Ortsfrequenzraumes durch komplexe Konjugation rekonstruiert werden. Zudem bedient sich das Verfahren der Keyhole-Technik, um eine weitere Messzeitverkürzung zu erzielen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren so weiterzubilden, dass eine schnelle und zuverlässige Bestimmung einer Kontrastmittelaufnahme im untersuchten Objekt mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein gattungsgemäßes Verfahren so durchgeführt wird, dass nach einer ersten HF-Anregung wenigstens zwei Messungen in gleichen Bereichen des Ortsfrequenzraumes erfolgen, wobei die Messungen das Objekt in einem Zentralbereich (KEY) des Ortsfrequenzraumes mit einer hohen Erfassungsrate und in peripheren Bereichen des Ortsfrequenzraumes mit einer niedrigeren Erfassungsrate als in dem Zentralbereich (KEY) erfassen, wobei die erste der Messungen in einem Zeitintervall nach der HF-Anregung erfolgt, das so ausgewählt ist, dass die erste Messung im Wesentlichen T₁ gewichtet ist, dass eine zweite Messung in einem späteren Zeitintervall erfolgt, wobei das spätere Zeitintervall so ausgewählt ist, dass die zweite Messung im Wesentlichen T₂* gewichtet ist, dass anschließend eine weitere HF-Anregung erfolgt, dass nach der weiteren Anregung wenigstens zwei weitere Messungen in zueinander gleichen, von den ersten Bereichen (A1, A2) verschiedenen Bereichen (B1, B2) des Ortsfrequenzraumes erfolgen, wobei die Bereiche (B1, B2) ebenfalls den Zentralbereich (KEY) des Ortsfrequenzraumes mit einer hohen Erfassungsrate und periphere Bestandteile des Ortsfrequenzraumes mit einer niedrigeren Erfassungsrate als den Zentralbereich (KEY) umfassen, wobei die erste der nach der weiteren Anregung erfolgenden Messungen in einem Zeitintervall nach der weiteren HF-Anregung erfolgt, das so ausgewählt ist, dass die erste Messung im Wesentlichen T₁ gewichtet ist, dass eine weitere Messung nach der weiteren HF-Anregung in einem späteren Zeitintervall erfolgt, wobei das weitere Zeitintervall so ausgewählt ist, dass die weitere Messung im Wesentlichen mit T₂* gewichtet ist und dass anschließend die mit T₁ gewichteten Messungen zu einem Bild und die mit T₂* gewichteten Messungen zu einem weiteren Bild zusammengefasst werden, wobei Daten des T₁-gewichteten Bildes und des T₂ ^*-gewichteten Bildes verwendet werden, um in Kombination mit Messungen einer Grundlinie vor Zugabe eines Kontrastmittels Konzentrationsänderungen des Kontrastmittels zu ermitteln.
Die Erfindung sieht insbesondere vor, einzelne Bereiche des Ortsfrequenzraumes mit verschiedener Häufigkeit zu untersuchen, wobei es zweckmäßig ist, dass die Messungen der Bereiche mit wenigstens drei verschiedenen Erfassungshäufigkeiten erfolgen.
Vorzugsweise wird wenigstens ein, beispielsweise zentral liegender, Bereich des Ortsfrequenzraumes in mehreren Messungen erfasst, während andere Bereiche nur in einer einzelnen Messaufnahme erfasst werden.
Es ist zweckmäßig, das Verfahren so durchzuführen, dass ein zentrales Gebiet des Ortsfrequenzraumes mehrfach mit identischen Messzügen abgedeckt wird, und dass andere Gebiete in aufeinanderfolgenden Messungen durch lokal voneinander verschiedene, jedoch gleiche Raumsegmente abdeckende Messungen erfasst werden. Diese Segmente werden vorzugsweise durch SPARSE-Gebiete gebildet. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie jeweils hochfrequente Gebiete gleichen Vorzeichens der Ortsfrequenz aufweisen.
Eine vorteilhafte Durchführungsform des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die zusätzlichen, vorzugsweise nicht zentralen, Bereiche in dem Ortsfrequenzraum einen Abstand voneinander aufweisen, der größer ist als es ihrer ortsfrequenten Ausdehnung in Richtung auf den zentralen Bereich entspricht.
Es ist zweckmäßig, das Verfahren so durchzuführen, dass die weiteren Bereiche des Ortsfrequenzraumes sich wenigstens abschnittsweise parallel zueinander erstrecken.
Eine vorteilhafte Durchführungsform des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass bei wenigstens einer Messung die erfassten Bereiche eine disjunkte Menge bilden.
Hierbei ist es besonders zwecksmäßig, dass disjunkte Elemente der einzelnen Mengen sich in dem Ortsfrequenzraum wenigstens abschnittsweise parallel zueinander erstrecken.
Eine vorteilhafte Durchführungsform des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Messungen so durchgeführt werden, dass ein Zyklus gebildet wird, bei dem wenigstens einige der voneinander verschiedenen Bereiche des Ortsfrequenzraumes in weiteren Messungen erneut erfasst werden.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen.
Von den Zeichnungen zeigt
1 in drei Teilbildern a, b und c Trajektorien des Ortsfrequenzraums für EPIK-Messungen und kontrasterhöhte Hochfrequenz EPIK-Untersuchungen;
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß unter Einsatz eines EPIK-Verfahrens durchgeführten Messung;
3 in vier Teilbildern die Verdeutlichung der Auflösung bei der Messung eines Phantoms:
a) EPI-Aufnahme des gesamten Ortsfrequenzraums,
b) Halb-Fourier-EPI-Messung
c) EPIK-Erfassung des gesamten Ortsfrequenzraums und
d) eine Halb-Fourier-EPIK-Messung.
4 Darstellungen von vier repräsentativen Schichten durch das Gehirn eines gesunden Probanden, wobei die Messungen mit Echoplanarbildgebung mit Keyhole (EPIK) erfolgten; hierbei sind mit T₁ gewichtete Bilder in der oberen Zeile und im Wesentlichen mit T₁* gewichtete Bilder in der unteren Reihe dargestellt.
5 Schichten durch das Gehirn eines einen Tumor aufweisenden Patienten, wobei in Teilbild a ein im Wesentlichen mit T₁ gewichtetes Bild und in Teilbild b ein dem Teilbild a entsprechendes, jedoch im Wesentlichen mit T₂* gewichtetes Bild dargestellt ist;
berechnete Verteilungen für die regionalen zerebralen Blutflüsse rCBF und regionalen zerebralen Blutvolumina rCBV in den Teilbildern c und d;
in Teilbild e, wie eine Gamma-Variante-Funktion an die ermittelten Daten angepasst werden kann.
In 1, Teilbild a, ist eine planare Echobildgebung mit Keyhole, wie sie beispielsweise aus der Deutschen Patentanmeldung DE 199 62 845 A1 bekannt ist, dargestellt.
Eine erfindungsgemäße planare Echobildgebung mit Keyhole ist in 1, Teilbild b, dargestellt. Bei diesem erfindungsgemäßen Echobildgebungsverfahren wird eine asymmetrische Trajektorie durch den Ortsfrequenzraum eingesetzt. Die asymmetrische Trajektorie ist so beschaffen, dass die Datenaufnahme in einem zentralen Bereich (Keyhole), vorzugsweise unter Nichterfassung wenigstens eines ausgewählten Bereichs des Ortsfrequenzraums erfolgt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beginnt die Datenerfassung mehrere Zeilen oberhalb des Zentrums des Ortsfrequenzraums. Die oberhalb des Zentrums des Ortsfrequenzraums sich bis zum Zentrum des Ortsfrequenzraums erstreckenden Linien werden zur Berechnung eines niedrig aufgelösten Phasenbildes und für eine Halb-Fourier-Rekonstruktion von Bilddaten verwendet.
Im Anschluss an die Erfassung des Keyhole-Bereichs des Ortsfrequenzraums erfolgt eine SPARSE-Sequenz mit einem Komprimierungsfaktor s. Außerdem findet ein Keyhole-Faktor k Eingang in die Messungen. Der Keyhole-Faktor k entspricht dem Kehrwert des Bruchteils des Ortsfrequenzraums, den das Keyhole umfasst. So ist beispielsweise für den Fall, dass der zentrale Keyhole-Bereich ein Viertel des Ortsfrequenzraums umfasst, k = 4. Nachfolgend werden Matrixelemente einer bevorzugten Halb-Fourier Echoplanar-Bildgebung mit Keyhole (EPIK) dargestellt. Die Darstellung des bevorzugten Ausführungsbeispiels bezieht sich auf eine Erfassung des Ortsfrequenzraums entsprechend einer Matrix mit N×N Punkten.
Bei Einsatz einer Sampling-Sequenz EPIK < n_ov, k, s, I >, bezeichnet n_ov den Quotienten aus der Anzahl der in dem Bereich des Keyholes erfassten Linien und der Anzahl der insgesamt erfassten Linien, k den Keyhole-Faktor, s den Sparse-Faktor und i den Laufindex mit 0 ≤ i < s.
Eine besonders bevorzugte Sampling-Sequenz hat die Form: EPIK < n_ov, k, s, i > = [n_ov, n_ov – 1, n_ov – 2, ... 0, 1, 2, ... – N/2/k + 2, –N/2/k + 1, ... –N/2 + 2s – i, –N/2 + s – i] [1]
Die zugehörige Erfassungszeit TA für ein Erfassungsmodul beträgt:
Die dargestellten Überlegungen sind unabhängig von der jeweiligen geometrischen Beschaffenheit der Probe und dem Aufbau des Ortsfrequenzraumes. Daher ist auch die dargestellte Abbildung in 1, Teilbild b, lediglich beispielhaft zu verstehen.
Eine einfachere zweidimensionale graphische Darstellung wurde gewählt, obschon die Erfindung keineswegs auf eine Erfassung von zweidimensionalen Ortsfrequenzräumen beschränkt ist, sondern sich vielmehr für eine Erfassung von Ortsfrequenzräumen beliebiger Dimensionalität eignet.
In einem ersten Messdurchgang werden ein zentraler Bereich 1 sowie in Abstand von dem zentralen Bereich 1 befindliche Bereiche 10 des Ortsfrequenzraums, hier dargestellt als ununterbrochene Linien, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu dem Ortsfrequenzraum, erfasst.
In einem nachfolgenden Messvorgang wird der zentrale Bereich erneut erfasst. Zusätzlich werden außerhalb des zentralen Bereiches 1 liegende weitere Bereiche 20 – dargestellt durch Strich-Punkt-Linien – des Ortsfrequenzraums erfasst. Die weiteren Bereiche 20 des Ortsfrequenzraums erstrecken sich vorzugsweise parallel zueinander und antiparallel zu den in dem vorangegangenen Messschritt aufgenommenen weiteren Bereichen 10.
Anschließend wird der Messvorgang erneut wiederholt. Bei der Wiederholung werden wiederum der zentrale Bereich 1 sowie zusätzlich weitere Bereiche 30 – Strich-Punkt-Punkt-Linien – des Ortsfrequenzraumes erfasst.
Durch eine lediglich selektive Erfassung von Hochfrequenzdaten bleibt der Zeitvorteil einer Keyhole-Methode im Wesentlichen erhalten. Außerdem werden Rauscheffekte unterdrückt.
Ferner weisen die dargestellten Bilder eine hohe räumliche Auflösung auf, wie es Gesamtaufnahmen des Ortsfrequenzraumes entspricht.
Die Erfindung sieht insbesondere vor, höhere Bereiche des Ortsfrequenzraums mit einer geringeren Aufnahmerate zu erfassen. Um hierbei dennoch die gewünschte hohe räumliche Auflösung zu erzielen, wird wenigstens eines der folgenden Verfahren eingesetzt:

a) Eine Aufteilung von Messungen hochfrequenter Bestandteile des Ortsfrequenzraums für verschiedene aufgenommene Bilder.
b) Verwendung von a-priori Informationen über die Position und die Art von erwarteten Intensitätsänderungen und Einsatz von Interpolationsmodellen zu Berechnungszwecken.
c) Einsatz von parallelen Aufnahmetechniken in Verbindung mit geeigneten, voneinander phasenverschoben betriebenen Detektorspulen.

Das Verfahren c ist einfach zu handhaben und kann mit geringem Berechnungsaufwand durchgeführt werden. Außerdem ist diese Variante besonders robust, das heißt unanfällig gegenüber Störeinflüssen.
Die anderen Verfahren zur Ermittlung der benötigten Information können jedoch gleichfalls eingesetzt werden.
Durch eine verhältnismäßig geringe, beziehungsweise seltene Erfassung von Bereichen mit hohen Ortsfrequenzen wird ein Zeitvorteil realisiert und, was besonders vorteilhaft ist, Korrelationen zwischen in einer Zeitreihe aufgenommenen Bildern reduziert.
2 zeigt eine schematische Darstellung verschiedener Bestandteile einer bevorzugten Aufnahmesequenz für ein Halb-Fourier Echoplanar-Bildgebungsverfahren mit vielfachem Kontrast gemäß der Erfindung.
In 2 sind übereinander verschiedene Bestandteile der Sequenz in zeitlicher Abfolge dargestellt. Einzelne, sich jeweils in horizontaler Linie erstreckende Pfeile geben die Zeitabhängigkeit einzelner Parameter wieder. Die einzelnen Parameter sind so übereinander angeordnet, dass gleichzeitige Ereignisse sich unmittelbar übereinander befinden.
In der obersten Zeile ist das angelegte, beziehungsweise resultierende Feld RF in einer die Zeitabhängigkeit des Feldes wiedergebenden, einer Pulsfolge entsprechenden, Linie dargestellt.
Unterhalb der die Zeitabhängigkeit des Feldes wiedergebenden Linie sind drei Linien dargestellt, welche eine Zeitabhängigkeit von Gradientenfeldern G_S, G_P und G_R wiedergeben.
Das erste Gradientenfeld G_S erstreckt sich vorzugsweise in einer Hauptrichtung eines gleichförmigen Magnetfeldes B_o. Das Magnetfeld B_o wird auch als Polarisationsfeld und die Achse des gleichförmigen Magnetfeldes als z-Achse bezeichnet. Durch das Gradientenfeld G_S wird eine Schicht einer zu untersuchenden Probe ausgewählt. Deshalb wird das Gradientenfeld G_S auch als Schichtselektionsgradient bezeichnet. Um die verschiedenen Gradienten besser voneinander unterschieden zu können, wird die Bezeichnung G_S nachfolgend für den Schichtselektionsgradienten verwendet.
Unterhalb des ersten Gradientenfeldes G_S ist ein weiteres Gradientenfeld dargestellt, welches einem Phasenkodierungsgradienten G_P entspricht. Der Phasenkodierungsgradient G_P liegt vorzugsweise entlang einer y-Achse an. Er dient dazu, Zeilen eines zu untersuchenden Impulsraumes auszuwählen.
Unterhalb des weiteren Gradientenfeldes ist ein drittes Gradientenfeld dargestellt, welches einem Lesegradienten G_R entspricht. Der Lesegradient G_R liegt vorzugsweise entlang einer x-Achse an. Er dient dazu, Signale, insbesondere Echosignale der zu untersuchenden Probe, auszulesen. Um eine Wiedergabe der Signale in Form eines Bildes zu ermöglichen, werden mit dem Lesegradienten G_R mehrere, in 1 übereinander dargestellte, Aufnahmesequenzen durchgeführt.
Im Einzelnen wird das Verfahren wie folgt durchgeführt: Zunächst wird eine Nettomagnetisierung der zu untersuchenden Probe durch einen in der obersten Zeile links dargestellten Anregungspuls AP, vorzugsweise einen 90°-Puls, angeregt. Der Anregungspuls AP weist eine Dauer von beispielsweise 1 bis 10 Millisekunden auf, wobei eine Dauer von 2 bis 3 Millisekunden besonders bevorzugt ist.
Während der Anregung der zu untersuchenden Probe durch den Anregungspuls liegt an der Probe ein erster Schichtselektionsgradient G_S1 an, der zu einer teilweisen Dephasierung der Quermagnetisierung führt.
Im Anschluss an den Anregungspuls werden die Spins durch einen weiteren Schichtselektionsgradienten G_S2 mit geändertem Vorzeichen wieder rephasiert.
Ein Zeitintegral des weiteren Schichtselektionsgradienten G_S ist dabei vorzugsweise halb so groß wie das Zeitintegral des während des Anregungspulses angelegten ersten Schichtselektionsgradienten G_S1. Hierdurch wirkt der weitere Schichtselektionsgradient G_S2 als Rephasierungsgradient.
Die in 2 dargestellten Bestandteile der Sequenzfolge können selbstverständlich auch bei anderen Ausführungsformen der Erfindung eingesetzt werden.
Insbesondere ist es vorteilhaft, die Verschiebungen der Echozeiten (Echo Time Shifting – ETS) für eine Erzeugung von artefaktfreien Bildern einzusetzen.
Besonders vorteilhafte Zeitverschiebungen werden nachfolgend mit D₁ und D₂ bezeichnet.
Die erste dieser Zeitverschiebungen, die in 2 beispielhaft mit D₁ bezeichnet wurde, dient dazu, stufenartige Änderungen in der Signalintensität und Phasenmodulationen zwischen verschiedenen Schichten zu eliminieren. Der Wert der Zeitverzögerung D₁ ist vorzugsweise anfangs gering und wird anschließend erhöht. In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform ist der Betrag der Zeitverzögerung D₁ zunächst gleich null für die erste Aufnahme und steigt anschließend für jeden der Interleaves. Die Stufenweite beträgt hierbei vorzugsweise Δt/s. Nach mehreren (N)-hier drei Interleaves – ist der gesamte k-Raum erfasst. Der Bereich des Keyhole wird hierbei N-mal erfasst.
Eine weitere Zeitverschiebung D₂ = Δt(s – 1)/s – D₁ dient dazu, die Länge der jeweiligen Auslesebestandteile von einzelnen Messungen, insbesondere der Nummer des jeweiligen Interleaves, unabhängig zu machen.
Eine Ermittlung von Bildern ohne störende Geistereffekte erfolgt vorzugsweise durch eine Phasenkorrektur zwischen geraden und ungeraden Gradientenechos, um einen Einfluss von Änderungen des Lesegradienten G_R zu verringern. Vorzugsweise wird ein Phasen-Vektor ermittelt. Die Ermittlung folgt insbesondere pixelweise. Die Ermittlung des Phasenkorrekturvektors erfolgt in einer besonders bevorzugten Ausführungsform durch eine nicht phasencodierte Kalibriermessung. Vorzugsweise wird die Kalibriermessung vor der Aufnahmesequenz durchgeführt.
Es ist überraschend, dass sich eine teilweise Fourier-Rekonstruktion der Bilddaten, insbesondere eine Halb-Fourier-Transformation der Bilddaten, für einen Einsatz in der Echoplanar-Bildgebung eignet, weil die dargestellten Ausführungsbeispiele, insbesondere planare Echobildgebungsmethoden mit Keyhole, eine hohe Gefahr von Beeinträchtigungen durch unerwünschte Phasenverschiebungen beinhalten. Die partiellen Fourier-Rekonstruktionen erfolgen unter der Annahme, dass Phasenverschiebungen in dem Bild eine geringe örtliche Auflösung haben. Dies ist jedoch für den hier untersuchten Fall der Echoplanarbildgebung mit lokalen Einflüssen von Fehlern nicht der Fall.
Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass die Anzahl n_ov der in den Bereichen entgegengesetzten Vorzeichens aufgenommenen Linien eine gewisse Mindestgröße, vorzugsweise mindestens 12 beträgt. Noch vorteilhafter ist es, für n_ov einen Wert von mindestens 16 zu wählen. Werte zwischen 16 und 32 für n_ov sind besonders bevorzugt.
Beispielhaft wird nachfolgend ein Einsatz einer besonders vorteilhaften Halb-Fourier Echobildgebungssequenz dargestellt.
In dem besonders bevorzugten Fall ist die Halb-Fourier-EPIK-Pulssequenz so beschaffen, dass sie eine Erfassung mehrerer Schichten mit Kontrastverstärkung (insbesondere doppeltem Kontrast) beinhaltet.
Obwohl sich ein Einsatz von Scannern mit einer besonders hohen Magnetfeldstärke besonders eignet, kann die Erfindung wegen der dargestellten Vorteile bei der Auflösung und der Eliminierung von Fehlern auch auf handelsüblichen Scannern, beispielsweise einem Siemens Magnetom Vision 1.5 T, eingesetzt werden.
Ein derartiger Scanner weist beispielsweise einen Standard-Gradienten mit 25 mT/m mit einer Anstiegszeit von etwa 300 μs auf.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen werden Auslesezeiten in der Größenordnung von mehreren 100 μs eingesetzt. Im dargestellten Fall beträgt die Auslesezeit 880 μs. Durch die Auslesesequenz wird eine Matrix mit 128×128 Punkten des rekonstruierten Bildes gewonnen. Bevorzugte Echozeiten liegen in der Größenordnung von 10 ms bis etwa 100 ms, vorzugsweise etwa 18 ms bis 62 ms für das erste und das zweite Bild.
Die Anregungen jeder Schicht erfolgten mit einem bekannten 1-3-3-1 Volumenfettunterdrückungsmodul.
Die so erhaltenen Messergebnisse sind in 3 dargestellt.
3 zeigt Teilbilder zur Verdeutlichung der Auflösung bei der Messung eines Phantoms in vier Teilbildern.
Die vier Teilbilder von 3 ermöglichen eine Darstellung der Vorteile der Erfindung am Beispiel von Messungen an einem Phantom. Die Halb-Fourier-Doppelkontrastechoplanar-Bildgebung mit Keyhole wird in der in 3, Teilbild d dargestellten Ausführungsform mit Echozeiten T_E1 = 18 ms und T_E2 = 62 ms sowie einem Winkel α = 90°, FOV = 200 mm, einer Matrixgröße von 128×128 Punkten und einer Schichtdicke von 4 mm ohne Signalmittlung durchgeführt. Die Sequenzparameter für die anderen Sequenzen, wie die Matrixgröße, die Schichtdicke, die Position und die höhere der Echozeiten (T_E2 = 62 ms) blieben unverändert.
Alle Messungen wurden mit gleichem Lesegradienten durchgeführt. Das untersuchte Phantom besteht aus mehreren Plastikbehältern unterschiedlicher Größe, die in Wasser eingebracht sind.
Die in 4 dargestellten Untersuchungen am menschlichen Gehirn wurden mit einer Relaxationszeit T_R = 1 s, einer ersten Echozeit T_E1 = 18 ms, einer zweiten Echozeit T_E2 = 62 ms, einem Phasenwinkel α = 65°, Matrixgröße von 128×128 Punkten und einer Schichtdicke von etwa 4 mm ohne Signalmittlung durchgeführt. Die gleiche Sequenz wird dazu eingesetzt, mit der Protonendichte gemittelte Bilder vor den dynamischen Studien zu ermitteln. Alle Sequenzparameter bleiben hier vorzugsweise unverändert mit Ausnahme des Phasenwinkels α, der vorzugsweise verringert wird und im dargestellten Fall 10° beträgt. Außerdem erfolgt für diese mit der Protonendichte gewichteten Bilder eine Mittelung über mehrere, vorzugsweise 2 bis 50, im dargestellten Fall 9 Signale.
Die mit der Echoplanarbildgebung mit Keyhole (EPIK) erfassten Bilder werden mit einer Erfassungsrate in der Größenordnung von 1 Hz und vorzugsweise mehreren hundert, im dargestellten Fall 144, Bildern aufgenommen.
Vorzugsweise werden die ersten Bilder – im dargestellten Fall 3 Bilder – wegen Sättigungseffekten von T₁ nicht berücksichtigt.
Nach einer ausreichend langen, vorzugsweise mehrere Sekunden, insbesondere 5 bis 50 Sekunden, im besonders bevorzugten dargestellten Fall 15 Sekunden dauernden Aufnahme einer Basislinie wird ein geeignetes Kontrastmittel gegeben, im dargestellten Fall Gadopentetat-Dimeglumin (Gd-DTPA) in einer auf den Körper des Probanden abgestimmten geeigneten Menge (etwa 0,1 mmol/kg Körpergewicht).
Messungen der Relaxationszeit T₁ erfolgen vor der Zufuhr des Kontrastmittels vorzugsweise mit einem kleinen Phasenwinkel in der Größenordnung von etwa α = 10°, gefolgt von einer dynamischen Messung mit Δ = 65°. Eine vorangegangene Kalibrierungsmessung wurde zur Berechnung korrekter T₁-Werte und zur Ermittlung von mit T₁-gewichteten Bildern eingesetzt. Änderungen in den T₁-Werten von den Messungen vor der Zugabe des Kontrastmittels gegenüber Messungen nach Zugabe des Kontrastmittels – im dargestellten Fall Gd-DTPA – erfolgen unter Berechnung der longitudinalen Relaxation des Kontrastmittels. Vorzugsweise geschieht dies unter Berücksichtigung eines Levenberg-Marquardt-Algorithmus. Hierdurch wird eine transferkonstante Ermittlung erreicht.
Durch Einsatz von T₁- und T₂*-gewichteten Bildern werden in bisherigen Kontrastmethoden auftauchende Störeffekte vermieden.
Durch Berechnung von γ-Funktionen ist es möglich, regionale zerebrale Blutvolumina (rCBV), Übergangszeiten (mean transit time-MTT) und regionale zerebrale Blutflüsse (rCBF) zu ermitteln.
3 zeigt in vier Teilbildern Messungen eines Phantoms:
e) EPI-Aufnahme des gesamten Ortsfrequenzraums,
f) Halb-Fourier-EPI-Messung
g) EPIK-Erfassung des gesamten Ortsfrequenzraums und
eine Halb-Fourier-EPIK-Messung.
Die Darstellungen in den Teilbildern b und d zeigen, dass Bildartefakte weitgehend unterdrückt werden können.
Die in 4 enthaltenen Darstellungen von vier repräsentativen Schichten durch das Gehirn eines gesunden Probanden mit voneinander verschiedenen Wichtungen mit T₁ zeigen deutliche Kontraste. Die Darstellungen weisen eine gegenüber bekannten Darstellungen wesentlich erhöhte Bildqualität mit deutlich erkennbaren Strukturen auf.
Die in 5 dargestellten Schichtaufnahmen eines an einem Tumor erkrankten Patienten zeigen die deutliche Erkennbarkeit des Tumors aufgrund der eingesetzten Verfahrensschritte.
Hierbei ist das in 5a dargestellte Teilbild im Wesentlichen T₁ gewichtet. Das dazugehörige im Wesentlichen T₂*-gewichtete Bild ist in 5b dargestellt. Die dargestellten Daten ermöglichen es, in Kombination mit Messungen einer Grundlinie vor Zugabe des Kontrastmittels die Konzentrationsänderungen des Kontrastmittels zu ermitteln und mit bekannten Modellen der Permeabilitätsdaten des Kontrastmittels, beispielsweise anhand des Tofts-Modells zu vergleichen.
In den Teilbildern 5c und 5d sind die regionalen zerebralen Blutflüsse rCBF und regionalen zerebralen Blutvolumina rCBV dargestellt.
Das Teilbild 5e zeigt eine Datenanpassung der γ-Funktionen an die erhaltenen Daten.
Durch den Einsatz von Doppel-Kontrast EPIK-Messungen für die Untersuchung von zeitabhängigen Phänomenen, beispielsweise dynamischen Studien der Wirkung der Einnahme von Kontrastmitteln, ist eine höhere Zeitauflösung und ein erhöhter Bildkontrast erzielbar. Die räumliche Auflösung der Doppel-Kontrast EPIK-Messungen ist größer als bei der bekannten Echoplanar-Bildgebung EPI.
Außerdem ist es möglich, bei den eingesetzten Doppel-Kontrast EPIK-Messungen den Sparse-Faktor, den Keyhole-Faktor und den Sampling-Faktor an die gewünschten Messeinsätze anzupassen und so eine gewünschte zeitliche Auflösung und einen Grad der Verringerung von Suszeptibilitäts-Artefakten zu erzielen.

Claims

Verfahren zur zeitabhängigen Wirkungsbestimmung eines Kontrastmittels, welches in wenigstens einem Objekt wirkt, wobei Eigenschaften des Objektes innerhalb eines durch Ortsfrequenzen gebildeten Ortsfrequenzraumes in verschiedenen Messungen erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer ersten HF-Anregung wenigstens zwei Messungen in gleichen Bereichen des Ortsfrequenzraumes erfolgen, wobei die Messungen das Objekt in einem Zentralbereich (KEY) des Ortsfrequenzraumes mit einer hohen Erfassungsrate und in peripheren Bereichen des Ortsfrequenzraumes mit einer niedrigeren Erfassungsrate als in dem Zentralbereich (KEY) des Ortsfrequenzraumes erfassen, wobei die erste der Messungen in einem Zeitintervall nach der HF-Anregung erfolgt, das so ausgewählt ist, dass die erste Messung im Wesentlichen T₁ gewichtet ist, dass eine zweite Messung in einem späteren Zeitintervall erfolgt, wobei das spätere Zeitintervall so ausgewählt ist, dass die zweite Messung im Wesentlichen T₂* gewichtet ist, dass anschließend eine weitere HF-Anregung erfolgt, dass nach der weiteren Anregung wenigstens zwei weitere Messungen in zueinander gleichen, von den ersten Bereichen (A1, A2) verschiedenen Bereichen (B1, B2) des Ortsfrequenzraumes erfolgen, wobei die Bereiche (B1, B2) ebenfalls den Zentralbereich (KEY) des Ortsfrequenzraumes mit einer hohen Erfassungsrate und periphere Bestandteile des Ortsfrequenzraumes mit einer niedrigeren Erfassungsrate als den Zentralbereich (KEY) umfassen, wobei die erste der nach der weiteren Anregung erfolgenden Messungen in einem Zeitintervall nach der weiteren HF-Anregung erfolgt, das so ausgewählt ist, dass die erste Messung im Wesentlichen T₁ gewichtet ist, dass eine weitere Messung nach der weiteren HF-Anregung in einem späteren Zeitintervall erfolgt, wobei das weitere Zeitintervall so ausgewählt ist, dass die weitere Messung im Wesentlichen T₂* gewichtet ist und dass anschließend die mit T₁ gewichteten Messungen zu einem Bild und die mit T₂* gewichteten Messungen zu einem weiteren Bild zusammengefasst werden, wobei Daten des T₁-gewichteten Bildes und des T₂*-gewichteten Bildes verwendet werden, um in Kombination mit Messungen einer Grundlinie vor Zugabe eines Kontrastmittels Konzentrationsänderungen des Kontrastmittels zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Messungen der Bereiche mit wenigstens drei verschiedenen Erfassungshäufigkeiten erfolgen.
Verfahren nach einem oder beiden der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen so durchgeführt werden, dass ein Zyklus gebildet wird, bei dem wenigstens einige der voneinander verschiedenen Bereiche des Ortsfrequenzraumes in weiteren Messungen erneut erfasst werden.