DE10315540A1 - Verfahren zum Auswerten eines Magnetresonanzsignals mit einer Korrektur einer Basislinie eines Spektrums des Magnetresonanzsignals - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zum Auswerten eines Magnetresonanzsignals einer bestimmten Zeitdauer, das spektroskopische Informationen beinhaltet, mit einer Korrektur einer Basislinie eines Spektrums des Magnetresonanzsignals, beinhaltet folgende Schritte: DOLLAR A - Der Basislinie wird ein endliches Modell mit einer vorgebbaren Zeitdauer, die kleiner der bestimmten Zeitdauer ist, zugewiesen und DOLLAR A - das Modell wird im Zeitbereich mittels eines Satzes von komplexen Parametern beschrieben, die wenigstens einzelne Punkte der Basislinie im Zeitbereich repräsentieren.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswerten eines Magnetresonanzsignals einer bestimmten Zeitdauer, das spektroskopische Information beinhaltet, mit einer Korrektur einer Basislinie eines Spektrums des Magnetresonanzsignals.
• Die Magnetresonanzspektroskopie wird seit mehr als vier Jahrzehnten in der physikalischen, chemischen und biochemischen Grundlagenforschung z. B. als Analysetechnik oder zur Strukturaufklärung komplexer Moleküle eingesetzt. Dabei beruht die Magnetresonanzspektroskopie wie die Magnetresonanztomographie auf dem Prinzip der magnetischen Kernspinresonanz. Die primäre Zielsetzung der Spektroskopie ist jedoch nicht die Bildgebung, sondern eine Analyse eines Stoffes. Dabei sind Resonanzfrequenzen von Isotopen, die ein magnetisches Moment besitzen, beispielsweise ¹H, ¹³C oder ³¹P, von einer chemischen Struktur von Molekülen abhängig, in denen vorgenannte Isotope gebunden sind. Eine Bestimmung der Resonanzfrequenzen erlaubt es deshalb, zwischen verschiedenen Stoffen zu differenzieren. Die Signalintensität bei den verschiedenen Resonanzfrequenzen gibt Aufschluss über eine Konzentration der entsprechenden Moleküle.
• Wird ein Molekül in ein Grundmagnetfeld eines Magnetresonanzgeräts gebracht, wie dies bei der Spektroskopie geschieht, schirmen Elektronen des Moleküls das Grundmagnetfeld für Atomkerne des Moleküls ab. Durch diesen Effekt ändert sich das lokale Magnetfeld am Ort eines Atomkerns um wenige Millionstel des äußeren Grundmagnetfeldes. Die damit verbundene Variation der Resonanzfrequenz dieses Atomkerns wird als chemische Verschiebung bezeichnet. Moleküle können somit anhand ihrer chemischen Verschiebung identifiziert werden. Häufig gibt man dabei die chemische Verschiebung relativ zu einem Referenzsignal, beispielsweise der Betriebsfrequenz des Magnetresonanzgeräts, in ppm (parts per million) an.
• Eine Resonanzlinie eines Atomkerns kann in mehrere Linien aufgespaltet sein, wenn sich weitere Atomkerne mit einem magnetischen Moment in der Umgebung des beobachteten Atomkerns befinden. Die Ursache liegt in der sogenannten Spin-Spin- Kopplung zwischen den Atomkernen. Die magnetische Flussdichte des Grundmagnetfelds, die ein Atomkern erfährt, hängt also nicht nur von der Elektronenhülle um diesen Atomkern ab, sondern auch von der Orientierung der Magnetfelder der Nachbaratome.
• Unter klinischer Magnetresonanzspektroskopie wird die Magnetresonanzspektroskopie unter Verwendung klinischer Magnetresonanzgeräte verstanden. Die Verfahren der lokalisierten Magnetresonanzspektroskopie unterscheiden sich von denen der Magnetresonanzbildgebung im wesentlichen dadurch, dass bei der Spektroskopie zusätzlich zur tomographischen Ortsauflösung auch die chemische Verschiebung aufgelöst wird. Zur Zeit dominieren in der klinischen Anwendung zwei Lokalisationsverfahren der Magnetresonanzspektroskopie. Dies sind einerseits auf Echoverfahren beruhende Einzelvolumentechniken, bei denen ein Spektrum eines zuvor ausgewählten Zielvolumens aufgezeichnet wird. Andererseits sind dies spektroskopische Bildgebungsverfahren, sogenannte CSI-Verfahren (Chemical Shift Imaging), die simultan die Aufzeichnung von Spektren vieler räumlich zusammenhängender Zielvolumina ermöglichen.
• Spektroskopische Untersuchungsverfahren finden sowohl in der klinischen Phosphor- als auch in der Protonenspektroskopie Anwendung. Ein dreidimensionales CSI-Verfahren umfasst dabei beispielsweise folgende Schritte: Nach einem nichtschichtselektiven 90°-HF-Puls wird für eine definierte Zeit eine Kombination magnetischer Phasenkodiergradienten der drei Raumrichtungen eingeschaltet und danach das Magnetresonanzsignal in Abwesenheit jeglicher Gradienten ausgelesen. Vorgenanntes wird so oft mit anderen Kombinationen von Phasenkodiergradienten wiederholt, bis die gewünschte Ortsauflösung erreicht ist. Eine vierdimensionale Fouriertransformation der Magnetresonanzsignale liefert die gewünschte räumliche Verteilung der Resonanzlinien. Ein zweidimensionales CSI-Verfahren entsteht aus dem vorausgehend beschriebenen Dreidimensionalen, indem der vorgenannte, nichtschichtselektive HF-Puls durch eine schichtselektive Anregung, bestehend aus schichtselektivem HF-Puls und entsprechendem magnetischen Gradienten, ersetzt wird und eine Phasenkodierrichtung entfällt.
• Die üblicherweise angewandten Einzelvolumentechniken beruhen auf einem Erfassen eines stimulierten Echos oder eines sekundären Spinechos. In beiden Fällen erfolgt eine Ortsauflösung durch aufeinanderfolgende selektive Anregungen dreier orthogonaler Schichten. Ein Zielvolumen ist dabei durch ein Schnittvolumen vorgenannter drei Schichten definiert. Nur die Magnetisierung des Zielvolumens erfährt alle drei selektiven HF-Pulse und trägt somit zum stimulierten Echo bzw. sekundären Spinecho bei. Das Spektrum des Zielvolumens erhält man durch eindimensionale Fouriertransformation eines dem stimulierten Echo bzw. dem sekundären Spinecho entsprechenden Zeitsignals.
• Bei der klinischen Protonenspektroskopie werden häufig die intensiven Wassersignale unterdrückt. Ein Verfahren zur sogenannten Wasserunterdrückung ist beispielsweise die CHESS- Technik, bei der die Kernspins der Wassermoleküle zunächst durch schmalbandige 90°-HF-Pulse selektiv angeregt werden und ihre Quermagnetisierung anschließend durch das Schalten von magnetischen Feldgradienten dephasiert wird. Für ein sich unmittelbar anschließendes Spektroskopieverfahren steht somit - im Idealfall - keine nachweisbare Magnetisierung der Wassermoleküle mehr zur Verfügung.
• Für ein vorgebbares, zu untersuchendes Volumen wird beispielsweise mit einem der vorausgehend beschriebenen Verfahren ein Magnetresonanzsignal erzeugt, das im Zeitbereich aufgenommen und das durch eine Fouriertransformation in ein zugehöriges Spektrum überführt wird, wobei beispielsweise ein Realteil oder ein Betrag des Spektrums dargestellt wird. Dabei ist das Spektrum durch Resonanzlinien, die auch als Spitzen bezeichnet werden, charakterisiert. Diese Resonanzlinien oder Spitzen treten zumeist in Form spitzer, glockenförmiger Kurven in Erscheinung. Jeder der Resonanzlinien oder Spitzen ist dabei ein maximaler Amplitudenwert zuordenbar, der wiederum einen zugehörigen Frequenzwert der Resonanzlinie bestimmt, der für die Resonanzlinie und damit für eine ganz bestimmte, im Volumen enthaltene magnetresonanzsignalgebende Substanz charakteristisch ist. Des Weiteren gibt ein Integralwert für eine der Resonanzlinien oder Spitzen in einem Absorptionsspektrum darüber Aufschluss, welche Konzentration die zugehörige Substanz im untersuchten Volumen aufweist.
• Ziel eines Auswertens eines Spektrums ist es schließlich, anhand der Resonanzlinien die im untersuchten Volumen enthaltenen Substanzen zu identifizieren und deren Konzentration innerhalb des Volumens zu bestimmen. Dabei sollen vorgenannte Informationen möglichst in einem vollautomatischen Auswerteverfahren gewonnen werden und einem Betrachter des Spektrums, beispielsweise einem diagnostizierenden Arzt, zur weiteren Interpretation zur Verfügung gestellt werden. Das Auswerten insbesondere von klinischen In-Vivo-Magnetresonanzspektren zielt dabei darauf ab, das Spektrum bzw. dessen Zeitsignal zunächst von diversen Artefakten, wie Frequenzverschiebungen, Phasenverschiebungen und Basislinienverzerrungen, zu befreien. Daran anschließend wird zum Identifizieren und Quantifizieren der im untersuchten Volumen enthaltenen Substanzen, insbesondere der Metaboliten, ein Einpassen von theoretischen Kurven an das Spektrum bzw. dessen zugehöriges Zeitsignal durchgeführt. Dabei muss jeder Beitrag jedes Metaboliten durch eine Modellfunktion beschrieben werden, wobei die Beschreibung oftmals im Zeitbereich erfolgt. Das Anpassen der theoretischen Kurven kann aber sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich durchgeführt werden, wobei das Arbeiten im Zeitbereich, insbesondere hinsichtlich einer Behandlung von fehlenden Messpunkten, einer einfachen Modellparametrisierung und einer Schnelligkeit infolge fehlender Rechenlast für Fourierhin- und -rücktransformationen Vorteile aufweist. Insbesondere In-Vivo-Spektren, die mit kurzer Echozeit aufgenommen sind, enthalten zusätzlich zu den üblichen Metabolitensignalen noch weitere Hintergrundsignale, die aus Anteilen von Restwasser, Makromolekülen und Lipiden bestehen. Die daraus resultierende Basislinie muss in der Modellbildung der Metaboliten mit berücksichtigt werden.
• Dabei sind Beschreibungen der Basislinie durch verschiedene Modelle, wie Splines, Wavelets, Voigt-Linien oder experimentell ermittelte Modellspektren bekannt. Dabei erfolgt die Parametrisierung durch Splines und Wavelets im Frequenzbereich, wohingegen die Parametrisierung der Basislinie durch Voigt-Linien oder experimentelle Modellspektren im Zeitbereich erfolgt, wobei die Parametrisierung durch Voigt-Linien und Modellspektren auf spezielle Anwendungen begrenzt ist, da sie jeweils Vorwissen über das untersuchte Gewebe benötigen. Näheres zur Modellbildung der Basislinie mittels Wavelets und Splines ist beispielsweise in dem Artikel von B. J. Soher et al. "Representation of Strong Baseline Contributions in ¹H MR Sprectra", Magnetic Resonance in Medicine 45, 2001, Seiten 966 bis 972, beschrieben.
• Wird ohne ein Modell für die Basislinie gearbeitet, so können in einer Ausführungsform die ersten Punkte des Magnetresonanzsignals, die die Hauptanteile der Basislinie enthalten, weggelassen werden, wodurch aber ein Signal-Rausch-Verhältnis des zu modellierenden Magnetresonanzsignalanteils sinkt und die angepassten Parameter eine höhere Unsicherheit aufweisen. Im Falle stark überlappender Metaboliten versagt dieses Verfahren sogar gänzlich, wenn nicht ausreichend viele Punkte weggelassen werden, da sich Anteile benachbarter Metaboliten kompensieren und damit die einzelnen Metaboliten überschätzt werden.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Auswerten eines Magnetresonanzsignals einer bestimmten Zeitdauer, das spektroskopische Information beinhaltet, mit einer Korrektur einer Basislinie eines Spektrums des Magnetresonanzsignals zu schaffen, bei dem Parameter der Basislinie schnell und ohne Vorwissen bestimmbar sind.
• Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• Gemäß Anspruch 1 beinhaltet ein Verfahren zum Auswerten eines Magnetresonanzsignals einer bestimmten Zeitdauer, das spektroskopische Information beinhaltet, mit einer Korrektur einer Basislinie eines Spektrums des Magnetresonanzsignals, folgende Schritte:
  
• - der Basislinie wird ein endliches Modell mit einer vorgebbaren Zeitdauer, die kleiner der bestimmten Zeitdauer ist, zugewiesen und
• - das Modell wird im Zeitbereich mittels eines Satzes von komplexen Parametern beschrieben, die wenigstens einzelne Punkte der Basislinie im Zeitbereich repräsentieren.
• Die in vorgenanntem Modell einzig enthaltene Annahme besteht darin, dass die Basislinie deutlich schneller abklingt als die Signale von Spitzen des Spektrums, was den realen Verhältnissen entspricht. So beträgt die vorgebbare Zeitdauer des Basislinienmodells beispielsweise 30 ms gegenüber einer bestimmten Zeitdauer der Spitzen von beispielsweise 200 ms. Das Verfahren ist universell einsetzbar, da es nicht auf spezielle Anwendungen begrenzt ist. Aufgrund der Möglichkeit, die Parameter direkt im Zeitbereich zu bestimmen, ist das Verfahren schnell, da keine zusätzlichen Fourierhin- und -rücktransformationen notwendig sind. Zusätzlich zur Modellbektransformationen notwendig sind. Zusätzlich zur Modellbeschreibung der Basislinie kann auch die der Spitzen in der gleichen Domäne, nämlich im Zeitbereich erfolgen. Für Spitzen und Basislinie ist daher eine einfache Modellparametrisierung möglich. In einem gemeinsamen Optimierungsschritt ist eine effiziente gleichzeitige Anpassung von Spitzen und Basislinie möglich.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Dabei zeigen:
• Fig. 1 zeigt spektrale Verläufe, basierend auf einer in einem gemeinsamen Schritt durchgeführten Modellierung von Basislinie zusammen mit Metaboliten,
• Fig. 2 zeigt spektrale Verläufe, basierend auf einer iterativ durchgeführten Modellierung von Basislinie und Metaboliten, und
• Fig. 3 zeigt zu Vergleichszwecken spektrale Verläufe, die beim Modellieren gemäß dem Stand der Technik entstehen, bei dem die ersten Punkte des Magnetresonanzsignals weggelassen werden.
• Fig. 1 zeigt spektrale Verläufe, basierend auf einer in einem gemeinsamen Schritt durchgeführten Modellierung von Basislinie zusammen mit den Metaboliten. Dabei liegt dem Modell der Basislinie ein endliches Modell mit einer vorgebbaren Zeitdauer zugrunde, die kleiner einer Zeitdauer des auszuwertenden Magnetresonanzsignals ist, und die Modellierung erfolgt im Zeitbereich mittels eines Satzes von komplexen Parametern, von denen jeder einen Punkt der Basislinie im Zeitbereich beschreibt. In der Fig. 1 ist die Basislinie beispielsweise durch die ersten zwanzig Punkte des zugehörigen Magnetresonanzsignals dargestellt. Dabei wird eine unerwünschte Überschätzung der Metaboliten, wie sie nachfolgend anhand der Fig. 3 bei einem Verfahren ohne Modell für die Basislinie gemäß dem Stand der Technik erläutert ist, durch eine Restringierung der Basislinienparameter sicher verhindert. Dabei ist eine mögliche Restringierung der Basislinienparameter die Einführung von Parametergrenzen, die den Variationsbereich für jeden Parameter beschränken. Liegt aufgrund von Startwerten eine plausible Schätzung der Basislinie vor, so kann diese Schätzung zur Definition der Parametergrenzen für jeden Basislinienparameter genutzt werden. In einer anderen Ausführungsform wird die Restringierung der Basislinie dadurch durchgeführt, dass der Anteil der Basislinie am Gesamtsignal beschränkt wird, d. h. die Basislinie soll im Vergleich zum Gesamtsignal gering sein. Diese Beschränkung der Basislinie kann dabei durch die Einführung von Nebenbedingungen in der Parameteranpassung realisiert werden. Für Modelle der Metaboliten wird auf die bekannten im Zeitbereich bestimmbaren Modelle zurückgegriffen. In der Fig. 1 repräsentiert dabei der Verlauf 12 das Spektrum des gemessenen Magnetresonanzsignals, der Verlauf 14 die mittels vorgenannter Modellierung ermittelte Basislinie, der Verlauf 15 die mit vorgenanter Modellierung ermittelten Metaboliten und der Verlauf 16 die Summe von Basislinie und Metaboliten. Die Verläufe 12, 14, 15 und 16 sind dabei über der in ppm angegebenen Frequenz aufgetragen.
• Die Fig. 2 zeigt spektrale Verläufe, basierend auf einer iterativ durchgeführten Modellierung von Basislinie und Metaboliten. Dabei wird zunächst eine plausible Schätzung der Metaboliten ermittelt, woraufhin die Basislinie optimiert, anschließend die Metaboliten, dann wieder die Basislinie, usw. optimiert werden. Die Fig. 2 zeigt das Ergebnis für drei Iterationen. Für die Modelle der Metaboliten und der Basislinie gilt das bei der Fig. 1 beschrieben entsprechend, und auch das zu Grunde liegende Magnetresonanzsignal ist das gleiche wie bei der Fig. 1. In der Fig. 2 repräsentiert dabei der Verlauf 22 das Spektrum des gemessenen Magnetresonanzzeitsignals, der Verlauf 24 die mittels vorgenannter Modellierung ermittelte Basislinie, der Verlauf 25 die mit vorgenanter Modellierung ermittelten Metaboliten und der Verlauf 26 die Summe von Basislinie und Metaboliten. Man erkennt, dass die Verläufe 24, 25 und 26 mit den entsprechenden Verläufen 14, 15 und 16 der Fig. 1 nahezu identisch sind, was die beiden Vorgehensweisen als nahezu wirkungsgleich auszeichnet.
• Fig. 3 zeigt zu Vergleichszwecken spektrale Verläufe, die beim Modellieren gemäß dem Stand der Technik entstehen, bei dem ohne Modell für die Basislinie die ersten zwanzig Punkte des Magnetresonanzsignals der Fig. 1 und 2 weggelassen werden. Dabei repräsentiert der Verlauf 32 das Spektrum des so gekürzten Magnetresonanzsignals und der Verlauf 35 die damit ermittelten Metaboliten. Man erkennt, dass beim Verlauf 35 gegenüber den entsprechenden Verläufen 15 und 25 die einzelnen Metaboliten teilweise deutlich überhöht sind, was im schlimmsten Fall Auslöser für eine Fehldiagnose sein kann.

Claims (8)

1. Verfahren zum Auswerten eines Magnetresonanzsignals einer bestimmten Zeitdauer, das spektroskopische Information beinhaltet, mit einer Korrektur einer Basislinie eines Spektrums des Magnetresonanzsignals, beinhaltend folgende Schritte:

- der Basislinie wird ein endliches Modell mit einer vorgebbaren Zeitdauer, die kleiner der bestimmten Zeitdauer ist, zugewiesen und

- das Modell wird im Zeitbereich mittels eines Satzes von komplexen Parametern beschrieben, die wenigstens einzelne Punkte der Basislinie im Zeitbereich repräsentieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorgebbare und die bestimmte Zeitdauer einen gemeinsamen Startpunkt aufweisen.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Parameter des Modells der Basislinie zusammen mit weiteren Parametern eines weiteren Modells für wenigstens eine Spitze des Spektrums im Zeitbereich bestimmt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei für wenigstens einen der Parameter des Modells der Basislinie eine Restringierung vorgegeben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei für die Restringierung Parametergrenzen eingeführt werden, die einen Variationsbereich des Parameters begrenzen.

6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei für die Restringierung der Anteil der Basislinie am Magnetresonanzsignal beschränkt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Parameter des Modells der Basislinie und weitere Parametern eines weiteren Modells für wenigstens eine Spitze des Spektrums abwechselnd in einem Iterationsverfahren im Zeitbereich bestimmt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei mit einer Schätzung der weiteren Parameter der Spitze begonnen wird.