-
Die vorliegende Erfindung bezieht
sich allgemein auf die Kernspintomographie (Synonym: Magnetresonanztomographie,
MRT) wie sie in der Medizin zur Untersuchung von Patienten Anwendung
findet. Dabei bezieht sich die vorliegende Erfindung insbesondere
auf ein Verfahren durch das in der funktionellen Magnetresonanztomographie
der Augenlidzustand – offen
oder geschlossen – des
zu untersuchenden Patienten auf einfache Weise ermittelt und dadurch
die jeweilige MR-tomographische Untersuchung überwacht werden kann.
-
Die MRT basiert auf dem physikalischen Phänomen der
Kernspinresonanz und wird als bildgebendes Verfahren seit über 15 Jahren
in der Medizin und in der Biophysik erfolgreich eingesetzt. Bei dieser
Untersuchungsmethode wird das Objekt einem starken, konstantem Magnetfeld
ausgesetzt. Dadurch richten sich die Kernspins der Atome in dem Objekt,
welche vorher regellos orientiert waren, aus. Hochfrequenzwellen
können
nun diese „geordneten" Kernspins zu einer
Präzessionsbewegung
anregen. Diese Präzession
erzeugt in der MRT das eigentliche Messsignal, welches mittels geeigneter
Empfangsspulen aufgenommen wird. Durch den Einsatz inhomogener Magnetfelder,
erzeugt durch Gradientenspulen, kann dabei das Messobjekt in alle
drei Raumrichtungen räumlich
kodiert werden.
-
In einer möglichen Methode zur Generierung von
MRT-Bildern wird zunächst
selektiv eine Schicht beispielsweise in z-Richtung angeregt. Die Kodierung der
Ortsinformation in der Schicht erfolgt durch eine kombinierte Phasen-
und Frequenzkodierung mittels zweier orthogonaler Gradientenfelder
die bei dem Beispiel einer in z-Richtung angeregten Schicht durch
die oben genannten Gradientenspulen in x- und y-Richtung er zeugt
werden. Aus dem gewonnenen Datensatz kann ein MR-Bild der betrachteten Schicht
mit einer Auflösung
von N × N
Pixeln rekonstruiert werden.
-
Das Verfahren erlaubt eine freie
Wahl der abzubildenden Schicht, wodurch Schnittbilder des menschlichen
Körpers
in alle Richtungen aufgenommen werden können. Die MRT als Schnittbildverfahren
in der medizinischen Diagnostik, zeichnet sich in erster Linie als „nicht-invasive" Untersuchungsmethode
durch ein vielseitiges Kontrastvermögen aus. Aufgrund der hervorragenden
Darstellbarkeit des Weichgewebes hat sich die MRT zu einem der Röntgen-Computertomographie
(CT) vielfach überlegenen
Verfahren entwickelt. Die MRT basiert heute auf der Anwendung von
Spinecho- und Gradientenecho-Sequenzen, die bei Messzeiten im Bereich
von Sekunden bis Minuten eine exzellente Bildqualität ermöglichen.
-
Die ständige technische Weiterentwicklung der
Komponenten von MRT-Geräten,
und die Einführung
schneller Bildgebungssequenzen eröffnete der MRT immer mehr Einsatzgebiete
in der Medizin. Echtzeitbildgebung zur Unterstützung der minimalinvasiven
Chirurgie, Perfussionsmessung in der Kardiologie, insbesondere aber
die funktionelle MRT-Bildgebung in der Neurologie – auch Neuro-Bildgebung genannt – sind nur
einige wenige Beispiele.
-
Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine einfachere Gestaltung der funktionellen Magnetresonanztomographie.
-
Grundsätzlich werden in der MRT unter
dem Begriff "funktionelle
Bildgebung" bzw. "funktionelle Magnetresonanztomographie
(fMRT)" Meßmethoden
verstanden, die es ermöglichen,
die an einer bestimmten motorischen, sensorischen oder kognitiven Aufgabe
beteiligten Hirnareale zu identifizieren und abzubilden.
-
Derartige Untersuchungen der menschlichen Hirnfunktionen
in der MRT erfordern eine aktive Teilnahme der Versuchsperson am
Experiment. Um sicherzustellen, dass der Patient auf vorgegebene
Reize protokollmäßig reagiert
und nicht unkonzentriert bzw. sogar eingeschlafen ist muss die Teilnahme überwacht
werden.
-
Eine nur indirekte Methode um über die
Augen(lider)bewegung den Zustand des Patienten zu ermitteln besteht
darin, mit einer Infrarot-Kamera die menschliche Pupille anzufokussieren.
Die Pupille liefert ein sehr kontrastreiches Infrarotsignal, so
dass dadurch die Augen(lider)bewegung nachvollzogen werden kann.
-
Dieses im englischen als "Eye Tracking" bezeichnete Verfahren
wurde speziell für
die Neurobildgebung weiter entwickelt um bei visuellen Reizen den Verlauf
der Blickrichtung der zu untersuchenden Person nachvollziehen zu
können.
Nicht zuletzt wegen des komplexen technischen Aufbaus ist dieses
Verfahren aufwendig und sehr kostspielig.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es daher ein einfacheres preiswerteres Verfahren bereitzustellen
um die Mitarbeit des Patienten im Experiment der funktionellen MRT überwachen
zu können.
-
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
die Merkmale des unabhängigen
Anspruches gelöst.
Die abhängigen
Ansprüche
bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter
Weise weiter.
-
Erfindungsgemäß wird also ein Verfahren zur Überwachung
der Teilnahmefähigkeit
eines zu untersuchenden Patienten bei funktionellen Magnetresonanztomographie-Messungen
des menschlichen Hirns vorgeschlagen gekennzeichnet durch folgende
Schritte:
- a) Durchführen einer funktionellen Magnetresonanztomographie-Messung des menschlichen Hirns
durch Anlegen einer Gradienten-Echo-Sequenz oder gegebenenfalls
einer Spin-Echo-Sequenz,
- b) Dynamisches Aufnehmen eines Bildvolumens eines Teiles oder
des gesamten Gehirns, wobei mindestens ein Bild jedes Bildvolumens
den Bereich eines oder beider Augen schneidet,
- c) Ermitteln des zeitlichen Intensitätsignalverlaufes in dem Augenbereich
aus den aufgenommenen Bildern, um festzustellen, ob die Augen bzw. Augenlider
des Patienten geöffnet
oder geschlossen sind.
-
Vorteilhafterweise weist die Gradientenechosequenz
eine lange Echozeit in der Größenordnung der
Querrelaxationszeit T2* ≈ 50ms (abhängig von der Feldstärke des
Grundfeldmagneten, 1 bis 1,5T) auf.
-
Besonders günstig gestaltet sich das erfindungsgemäße verfahren
wenn die Sequenz ein schnelles Bildgebungsverfahren (Einzel-Schuß-EPI, engl.:
Single-Shot-EPI, SS-Spiral, etc.) darstellt.
-
Eine erfindungsgemäße Messung
des Augen(lid)zustandes ermöglicht
es, dass aufgrund des Signal-Intensitätszeitverlaufes im Augenbereich
das Messprotokoll der funktionellen MRT-Messung geändert werden kann.
-
So kann vorteilhafterweise aufgrund
des Signal-Intensitätszeitverlaufes
im Augenbereich die funktionelle MRT-Messung abgebrochen werden.
-
Erfindungsgemäß wird ferner ein Magnetresonanztomographie-Gerät beansprucht,
das zur Durchführung
des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis
7 geeignet ist.
-
Des weiteren wird ein Computersoftware-Produkt
beansprucht, dass ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
ermöglicht,
wenn es auf einer mit einem Kernspintomographiegerät verbundenen
Recheneinrichtung läuft.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften
der vorliegenden Erfindung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen
bezugnehmend auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.
-
1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Kernspin-Tomographie-Gerätes,
-
2a und 2b zeigen schematisch den
Signal-Intensitätszeitverlauf
der MR-Signales im Bereich der Augen bei abwechselnd geöffneten
und geschlossenen Augenlidern.
-
1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Magnetresonanz-Bildgebungs-
bzw. Kernspintomographiegerätes
zur Erzeugung von Bildserien eines zu untersuchenden Objektes im
Rahmen einer funktionellen Magnetresonanztomographie-Messung gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der Aufbau des Kernspintomographiegerätes entspricht dabei dem Aufbau
eines herkömmlichen
Tomographiegerätes. Ein
Grundfeldmagnet 1 erzeugt ein zeitlich konstantes starkes
Magnetfeld zur Polarisation bzw. Ausrichtung der Kernspins im Untersuchungsbereich
eines Objektes, wie z.B. dem menschlichen Hirn bzw. dessen Regionen,
welches in der funktionellen MRT-Bildgebung dargestellt werden soll.
Die für
die Kernspinresonanzmessung erforderliche hohe Homogenität des Grundmagnetfeldes
ist in einem z.B. kugelförmigen
Messvolumen M definiert, in das im Falle der fMRT der Kopf eingebracht
wird. Zur Unterstützung
der Homogenitätsanforderungen
und insbesondere zur Eliminierung zeitlich invariabler Einflüsse können an
geeigneter Stelle sogenannte Shim-Bleche aus ferromagnetischem Material
angebracht. Zeitlich variable Einflüsse können durch Shim-Spulen 2 eliminiert,
die durch eine Shim-Stromversorgung 15 angesteuert werden.
-
In den Grundfeldmagneten 1 ist
ein zylinderförmiges
Gradientenspulensystem 3 eingesetzt, das aus drei Teilwicklungen
besteht. Jede Teilwicklung wird von einem Verstärker 14 mit Strom
zur Erzeugung eines linearen 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. Durch Kombination der kartesischen Gradientenfelder
können
auch lineare Gradientenfelder in beliebiger Raumrichtung erzeugt
werden. Jeder Verstärker 14 umfasst
einen Digital-Analog-Wandler, der von einer Sequenzsteuerung 18 zum
zeitrichtigen Erzeugen von Gradientenpulsen angesteuert wird.
-
Innerhalb des Gradientenfeldsystems 3 befindet
sich eine Hochfrequenzantenne 4, die die von einem Hochfrequenzleistungsverstärker abgegebenen
Hochfrequenzpulse in ein magnetisches Wechselfeld zur Anregung der
Kerne und Ausrichtung der Kernspins des zu untersuchenden Objektes
bzw. des zu untersuchenden Bereiches des Objektes umsetzt. Die Hochfrequenzantenne 4 besteht
aus einer oder mehreren HF-Sendespulen und einer oder mehreren HF-Empfangsspulen,
möglicherweise
bestehend aus einer Anordnung von Komponentenspulen (allgemeine
Bezeichnung „Coil
Arrays" oder auch „Phased
Array Coils"). Von
den HF-Empfangsspulen der 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 umgesetzt, die über einen
Verstärker 7 einem
Hochfrequenz-Empfangskanal 8 eines Hochfrequenzsystems 22 zugeführt wird.
Das Hochfrequenzsystem 22 umfasst weiterhin einen Sendekanal 9,
in dem die Hochfrequenzpulse für
die Anregung der magnetischen Kernresonanz erzeugt werden. Dabei
werden die jeweiligen Hochfrequenzpulse aufgrund einer vom Anlagenrech ner 20 vorgegebenen
Pulssequenz in der Sequenzsteuerung 18 digital als Folge
komplexer Zahlen dargestellt. Diese Zahlenfolge wird als Real- und
als Imaginäranteil 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 Resonanzfrequenz der Kernspins
im Messvolumen entspricht.
-
Die Umschaltung von Sende- auf Empfangsbetrieb
erfolgt über
eine Sende-Empfangsweiche 6. Die HF-Sendespule der Hochfrequenzantenne 4 strahlt
die Hochfrequenzpulse zur Anregung der Kernspins in das Messvolumen
M ein und tastet resultierende Echosignale über die HF-Empfangsspulen ab.
Die entsprechend gewonnenen Kernresonanzsignale werden im Empfangskanal 8 des
Hochfrequenzsystems 22 phasenempfindlich demoduliert und über einen
jeweiligen Analog-Digital-Wandler in Realteil und Imaginärteil des
Messsignals umgesetzt. Durch einen Bildrechner 17 wird
aus den dergestalt gewonnenen Messdaten ein Bild rekonstruiert.
Die Verwaltung der Messdaten, der Bilddaten und der Steuerprogramme
erfolgt über
den Anlagenrechner 20. Aufgrund einer Vorgabe mit Steuerprogrammen kontrolliert
die Sequenzsteuerung 18 die Erzeugung der jeweils gewünschten
Pulssequenzen und das entsprechende Abtasten des k-Raumes. Insbesondere
steuert die Sequenzsteuerung 18 dabei das zeitrichtige
Schalten der Gradienten, das Aussenden der Hochfrequenzpulse mit
definierter Phase und Amplitude 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 Kernspinbildes
sowie die Darstellung des erzeugten Kernspinbildes erfolgt über ein
Terminal 21, das eine Tastatur sowie einen oder mehrere
Bildschirme umfasst.
-
Mit einem solchen MRT-Gerät ist es
möglich funktionelle
MRT-Messungen vorzunehmen,
die es erlauben, nichtinvasiv neuronal aktive Regionen des Gehirns
darzustellen. In der klinischen Anwendung einer funktionellen Bildgebung
können
beispielsweise wichtige Areale im Gehirn vor einer Hirnoperation identifiziert
werden. Durch die Abgrenzung von Risikostrukturen ist dadurch eine
bessere Planung der Operation möglich.
-
Derartige Untersuchungen der menschlichen Hirnfunktionen
in der MRT erfordern eine dynamische Bild-Aquisition. Darunter versteht
man die sequentielle Aufnahme von MRT-Bildern mit gleicher Schichtführung (Bildserie) über einen
längeren
Zeitraum (in der Regel über
mehrere Minuten hinweg). Üblicherweise
werden in der funktionellen Kernspintomographie Bilder der gleichen
Schicht mit einer Repetitionszeit TR von
etwa 0,1 bis 3 Sekunden über
einen Zeitraum von mehreren Minuten aufgenommen. Man erhält so einen
Bilddatensatz mit dynamischer (zeitlicher) Information.
-
Die Grundlage der funktionellen MRT
ist der von Ogawa entdeckte BOLD-Effekt (engt.: Blood Oxygen Level
Dependent) der in Ogawa, S., Lee, T.M., Nayak, A.S., Glynn, P.:
Oxygenationsensitive contrast in magnetic resonance Image of rodent
brain at high magnetic fields. Magnetic Resonance in Medicine, 1990;
14: 68–78
ausführlich
beschrieben ist. Der BOLD-Effekt
bewirkt im MRT-Bild Helligkeitsveränderungen von durchblutetem
Gewebe in Abhängigkeit
vom Sauerstoffgehalt. Da die neuronale Aktivität im Gehirn eine lokal erhöhte Durchblutung
verursacht, ist es möglich,
Regionen im Gehirn zu identifizieren, die z.B. an Handbewegungen
oder visuellen Wahrnehmungen beteiligt sind.
-
In typischen fMRT-Experimenten muss
die Versuchsperson aktiv am Experiment teilnehmen, d.h. sie muss
eine sogenannte Befehlsfolge (engl.: task) durchführen bzw.
abarbeiten die durch geeignete Aktivierungsparadigmen gegeben ist.
Je nach Art der zu untersuchenden Aktivierung muss eine zur Stimulation
geeignete Reizpräsentation
erfolgen. So kann beispielsweise eine akustische Reizung über Kopfhörer oder
Lautspre cher vorgenommen werden. Für eine visuelle Reizung ist
es erforderlich, dass die untersuchte Person während der Messung ein Bild betrachten
kann. Möglich
ist beispielsweise die abwechselnde Darstellung eines Schachbrettmusters und
eines Kontrollbildes in Form eines grauen (einfarbigen) Bildes.
-
Die sorgfältige Durchführung der
Befehlsfolge ist entscheidend für
die Aussagekraft des Ergebnisses. Dem Ergebnis, in Form der aufgenommenen Bildserie,
kann man nicht ansehen, ob die zu untersuchende Person im Inneren
des MRT-Gerätes
mitgearbeitet hat oder nicht. Eine unabhängige Qualitätskontrolle
der fMRT-Untersuchung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass
während
des Experimentes die Augenlidbewegung erfasst und beobachtet wird.
-
Wie bereits oben erwähnt gibt
es derzeit nur die indirekte, sehr aufwendige und daher kostspielige Methode
um durch Anfokussierung der menschlichen Pupille mit einer Infrarot-Kamera
die Augen(lider)bewegung zu ermitteln.
-
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen,
zur Überwachung
der Teilnahmefähigkeit
des Patienten im Rahmen funktioneller MRT-Messungen, sich einen Effekt zunutze
zu machen, der insbesondere in Kombination mit dem BOLD-Aufnahmeverfahren
auftritt: Es wurde festgestellt, dass mit BOLD-Aufnahmetechnik erzeugte
Bilder im Bereich der Augen je nach Zustand der Augenlider (ob offen oder
geschlossen) deutlich unterschiedliche Signalintensität aufweisen.
Das geöffnete
Auge zeigt in BOLD-Bildern
eine niedrige Signalintensität
während das
geschlossene Auge eine Signalerhöhung
um bis zu 200 aufweist.
-
Im Rahmen der Untersuchung dieses
Effektes im Hinblick auf dessen Anwendungsmöglichkeit in einem erfindungsgemäßen Verfahren
wurden die unterschiedlichsten Messungen durchgeführt. Vorteilhaft
erwies sich exemplarisch die Verwendung von Echo-Planar-Sequenzen (EPI-Sequenzen) mit hoher
zeitlicher Auflösung
von z.B. TR
,
Bildserie ≈ 2,0 sek.
Bei einer Schichtanzahl von 16 Schichten je Serie in Transversalebene,
einer Echozeit von TE = 50ms, einer Repetitionszeit von TR,Schicht = 133ms je Schicht und insgesamt
60 Bildserien (Volumendatensätzen)
wurden abwechselnd jeweils 10 Bildserien mit geöffneten Augen und mit geschlossenen
Augen aufgenommen. Das Kontrastverhalten im Bildbereich des offenen
und des geschlossenen Auges ist in den 2a und 2b dargestellt.
Auf der Abszisse ist jeweils die Bildnummer aufgetragen. Insgesamt
sind gemäß der oben
beschriebenen Messung 16 × 60
= 936 Bilder aufgenommen worden, wobei jedes 16te Bild den Bereich
wenigstens eines Auges enthält. Der
Augenbereich stellt als solcher die vom Anwender zu markierende
auszuwertende Region (engt.: Region Of Interest, ROI) dar. Bei einer
gängigen
Pixelanzahl der Bildmatrix von insgesamt 64 × 64 bzw. 128 × 128 Pixeln
stellt der Bereich eines Auges (ROI), bei dem der gesamte Augapfel
geschnitten wird, üblicherweise
einen Bereich von ca. 10 × 10
Pixel dar. Normalerweise wird zwischen den Pixeln des ROI eine arithmetische
Mittelung durchgeführt
die zu jeder Bildserie ein gemitteltes MR-Signal liefert. In den 2a und 2b sind die zeitlichen Verläufe eines solchen
Signals für
obiges fMRT-Experiment aufgetragen bei dem die zu untersuchende
Person abwechselnd die Augen geöffnet
und geschlossen hat. Die beiden Verläufe der 2a und 2b unterscheiden
sich jeweils durch ihre Amplituden aufgrund unterschiedlicher zugrundeliegender
ROIs sowie unterschiedlicher MR-Messsequenzen.
-
Die vorliegende Erfindung besteht
also darin, das unterschiedliche Kontrast-Verhalten von geöffneten
und geschlossenen Augen bei BOLD-Aufnahmeverfahren in der fMRT als
Kontroll-Mechanismus für die
Teilnahmefähigkeit
eines Patienten, insbesondere bei visuellen Aktivierungsparadigmen,
auszunützen.
Das erfindungsgemäße Verfahren
ist aufgrund der extrem hohen Signaldifferenz zwischen den beiden
Zuständen
(bis zu 2000 ausgesprochen zuverlässig. Es ist keinerlei zusätzlicher
technischer Aufwand hinsichtlich der Hardware erforderlich. Es muss lediglich
dafür gesorgt
werden, dass mindestens eine Schicht jeder Bildserie wenigstens
eine Augenregion schneidet, was in den meisten Fällen von fMRT-Aufnahmen ohnehin
der Fall ist. Die Information "Auge geschlossen" bzw. "Auge offen" ist direkt aus dem ausgewerteten
ROI abzulesen. Der ROI wird durch den Anwender vor der eigentlichen
Messung (beispielsweise anhand eines den Augenbereich schneidenden
Testbildes nach einer Testmessung) durch Markieren des Augen-bereiches am Monitor
(z.B. in Form eines Kreises mit der Maus) festgelegt. Eine geeignete
Software in der Systemsteuerung bzw. im Anlagenrechner sorgt dafür, dass über sämtliche
Intensitäten
der Pixel innerhalb des festgelegten ROI's gemittelt wird und dieser Mittelwert
mit einem ebenfalls vom Anwender zuvor festgelegten Schwellenwert
verglichen wird. Anhand des Vergleiches des Intensitätsmittelwertes
im Augenbereich mit dem Schwellenwert wird automatisch entschieden,
ob das Auge geöffnet
oder geschlossen ist. Das Auswerten und Ablesen erfolgt mit einem
Algorithmus der erfindungsgemäß in die
Gerätesoftware
integriert ist. Dabei kann die Auswertung – in einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung – zeitlich
parallel zur Messung (engl.: online/feedback control) erfolgen. Dies
hat den Vorteil, dass auf ein Nachlassen der Konzentration des zu
untersuchenden Patienten (beispielsweise durch auftretende Müdigkeit
oder krankheitsbedingte Bewusstseinsstörung) sofort reagiert werden,
unter Umständen
die fMRT-Messung vorteilhafterweise sogar (gegebenenfalls automatisiert)
abgebrochen werden kann. Bei einer zeitlich parallel erfolgten Intensitätsmessung
im Augenbereich kann vorteilhaft eine automatische Kopplung zwischen
Auge auf/zu und der eigentlichen (funktionellen) MRT-Messung erfolgen.