DE19529639C2

DE19529639C2 - Verfahren zur zeit- und ortsaufgelösten Darstellung funktioneller Gehirnaktivitäten eines Patienten und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19529639C2
Application number: DE19529639A
Authority: DE
Inventors: Oliver Heid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-08-11
Filing date: 1995-08-11
Publication date: 1997-06-19
Anticipated expiration: 2015-08-12
Also published as: DE19529639A1; US5662112A; JP3638382B2; JPH09117430A

Description

Es wurde festgestellt, daß durch Stimulation hervorgerufene Gehirnaktivitäten in der Großhirnrinde von Menschen mit Kern spintomographen nachgewiesen werden können. Derartige Stimu lationsexperimente wurden z. B. mit visueller Stimulation und mit Stimulation um den primären Motorkortex durch Fingerbewe gung durchgeführt. Funktionelle Gehirnuntersuchungen können auch mit anderen Techniken, z. B. PET (Positronen-Emissions- Tomographie) oder EEG durchgeführt werden. Mit der Kern spintomographie kann jedoch eine wesentlich bessere Ortsauf lösung erreicht werden.

Mit einer Datenaufnahme in Echtzeit ist aufgrund der be schränkten Aufnahmegeschwindigkeit bei der Kernresonanztech nik auch die Zeitauflösung beschränkt. Es gibt daher Vor schläge, die Datenakquisition zur funktionellen Bildgebung durch Stimulationen zu triggern. Je Stimulation wird dabei nur ein Teil der für einen vollständigen Bilddatensatz erfor derlichen Rohdaten gewonnen. Von J. Frahm et al. wurde in SMRM/SMRI Workshop: Functional Imaging of the Brain, Arling ton, June 17-19, 1993, vorgeschlagen, die Datenakquisition mit einer periodischen Wiederholung einer Gehirnaktivitäten auslösenden Aufgabe zu synchronisieren. Ein vergleichbares Verfahren wurde bereits für "Filmaufnahmen" der Herzbewegung verwendet (siehe beispielsweise Dennis Atkinson et al. "Cine angiography of the Heart in a Single Breath Hold with a Seg mented TurboFLASH Sequence" in Radiology, 1991, 178, Seiten 357-360).

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 44 32 570 ist ein Ver fahren zur zeit- und ortsaufgelösten Darstellung funktionel ler Gehirnaktivitäten eines Patienten bekannt, bei dem inner halb einer Sequenz zwei Arten von Kernresonanzsignalen gewon nen werden, nämlich solche, die auf eine funktionelle Aktivi tät empfindlich, und solche, die auf eine funktionelle Akti vität unempfindlich sind. Nach einer Stimulation wird die funktionelle Information des zu untersuchenden Körpers da durch erhalten, daß man die beiden Arten von Kernresonanz signalen miteinander vergleicht, z. B. durch Phasenvergleich. Die erhaltenen Signale werden in Bildinformationen umgesetzt.

Ein Problem der funktionellen Bildgebung besteht darin, von Stimulationen bzw. Gehirnaktivitäten hervorgerufene Signalän derungen von anderen Signaländerungen, beispielsweise hervor gerufen durch Bewegungen, zu separieren. In dem Artikel P.A. Bandettini et al. "Processing Strategies for Time-Course Data Sets in Functional MRI of the Human Brain, Magnetic Resonance in Medicine, 30, Seiten 161-173 (1993) wurde dazu unter ande rem vorgeschlagen, für jedes Pixel einen Korrelationskoeffi zienten zwischen der Stimulationsfunktion und dem erhaltenen zeitlichen Signalverlauf zu berechnen. Als Stimulationsfunk tion werden dabei periodisch wiederholte, durch Pausen ge trennte Stimulationen verwendet. Periodische Stimulations funktionen haben jedoch mehrere Nachteile:

- periodische Störprozesse (z. B. Herzschlag, Atmung) können nicht vom Aktivitätssignal getrennt werden und erscheinen als "physiologisches Rauschen". Prozesse, die eine Ver zögerung von ganzzahligen Vielfachen der Wiederholungs periode zeigen, können ebenfalls nicht richtig erkannt werden. Eine Verlängerung dieses Experiments führt in keinem dieser Fälle zu einer besseren Störunterdrückung.
- Weiter besitzen periodische Stimulationsfunktionen ein ungleichmäßiges Frequenzspektrum. Gewisse spektrale Kom ponenten werden demnach durch die Stimulation nur schwach oder nicht angeregt. Dies führt einen systematischen Fehler in die Systemidentifikation, d. h. die Bestimmung der Para meter eines mathematischen Modells ein.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein auf Korrelation beru hendes Verfahren bew. eine Anordnung zur funktionellen Bildgebung so zu verbes sern, daß die obengenannten Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 bew. 5 Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 8 näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer MR-Anlage zur funktio nellen Bildgebung

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens

Fig. 3-7 eine Pulssequenz zur Durchführung des Verfahrens und

Fig. 8 schematisch den Signalverlauf in einzelnen Pixeln.

Entsprechend der schematischen Darstellung nach Fig. 1 wird ein Patient 1 in einem Magneten 2 eingebracht, der zur Erzeu gung eines Grundmagnetfeldes dient und außerdem der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellte Einbauten zur Erzeu gung von magnetischen Gradientenfeldern sowie eine Hochfre quenzantenne zum Senden und zum Empfangen von Hochfrequenz pulsen aufweist. Die Gradientenspulen und die Hochfrequenz antenne werden mit einer Prozessoreinheit 4 verbunden. Die Funktion der MR-Anlage wird soweit als bekannt vorausgesetzt, da der Aufbau insoweit herkömmlichen Anlagen entspricht.

Von einem Impulsgeber 5 wird eine Stimulationsfunktion er zeugt, mit der z. B. ein Lichtsender 3 angesteuert wird. Es kann aber z. B. auch eine elektrische Stimulation erfolgen oder der Patient kann - beispielsweise durch optische Signale - dazu veranlaßt werden, entsprechend der Stimulationsfunk tion Bewegungen durchzuführen.

Die mit der Prozessoreinheit 4 gewonnenen MR-Daten und die im Impulsgeber 5 erzeugte Stimulationsfunktion werden in einer Korrelationsrecheneinheit 6 miteinander korreliert. Die so gewonnenen Daten werden auf einem Monitor 8 dargestellt.

Die Prozessoreinheit 4, die Korrelationsrecheneinheit 6 und der Impulsgeber 5 werden von einem zentralen Steuerrechner 7 gesteuert.

Die erforderlichen MR-Daten müssen im Hinblick auf die Zeit- und Ortsauflösung möglichst schnell gewonnen werden. Es kom men daher in erster Linie schnelle Pulssequenzen zur Anwen dung. Die nach dem heutigen Stand schnellste MR-Bildgebungs sequenz ist die sogenannte EPI (Echoplanar Imaging) -Sequenz, wie sie schematisch in den Fig. 3-7 dargestellt ist. Diese Sequenz stellt jedoch nur ein Ausführungsbeispiel dar, es kommen auch andere schnelle Pulssequenzen, wie z. B. Turbo spinechosequenzen, FISP- oder FLASH-Sequenzen in Betracht.

Bei der EPI-Sequenz wird zunächst entsprechend Fig. 3 ein Hochfrequenzpuls RF eingestrahlt. Gleichzeitig wirkt gemäß Fig. 4 ein Schichtselektionsgradient SS, so daß abhängig vom Frequenzspektrum des Hochfrequenzpulses RF und von der Stärke des Schichtselektionsgradienten SS nur eine Schicht des Un tersuchungsobjekts angeregt wird. An einem positiven Teilpuls des Schichtselektionsgradienten SS schließt sich ein negati ver Teilpuls an, mit dem die durch den positiven Teilpuls verursachte Dephasierung wieder rückgängig gemacht wird.

Gleichzeitig mit dem negativen Teilpuls des Schichtselekti onsgradienten 55 werden gemäß den Fig. 5 und 6 Vorphasier pulse PCV, ROV in Phasencodierrichtung bzw. readout-Richtung eingestrahlt.

Anschließend wird der Auslesegradient RO mit wechselnder Po larität eingeschaltet. Durch das alternierende Vorzeichen des Auslesegradienten RO werden die Kernresonanzsignale immer wieder rephasiert, wobei unter jedem Teilpuls des Auslesegra dienten RO ein Signal S entsteht.

Die Signale S werden jeweils unterschiedlich phasencodiert, indem man die Phase von Signal zu Signal durch kleine Phasen codierpulse PC zwischen den Signalen fortschaltet.

Die Signale S werden phasenempfindlich demoduliert und in einem Raster digitalisiert. Je Signal werden die erhaltenen Digitalwerte in eine Zeile einer Rohdatenmatrix eingetragen. In der schnellsten Variante des EPI-Verfahrens, dem sogenann ten "Single-shot EPI" werden nach einer einzigen Anregung ge nügend viele Signale S gewonnen, um einen kompletten Roh datensatz für ein Bild zu erstellen. Das Bild kann in bekann ter Weise durch zweidimensionale Fourriertransformation aus der Rohdatenmatrix gewonnen werden.

Für die funktionelle Bildgebung muß nicht nur eine Ortsauf lösung, sondern auch eine Zeitauflösung der Signale erfolgen. Dazu wird die dargestellte Sequenz möglichst schnell wieder holt, so daß man nacheinander verschiedenen Zeitpunkten zuge ordnete Bilddaten erhält.

Das kleinste Element eines Bilddatensatzes wird als Pixel be zeichnet. In der funktionellen Bildgebung kommt man im allge meinen mit einer gröberen Auflösung als bei herkömmlichen Bildern mit einer typischen Auflösung von 256 × 256 Pixeln aus.

In Fig. 2 ist ein Ablaufschema des Verfahrens dargestellt. Da bei laufen die Pulssequenz mit Anregen und Auslesen von Kern resonanzsignalen und die Stimulationsfunktion unabhängig von einander ab. Beide werden zwar durch den zentralen Steuer rechner 7 getaktet, es erfolgt aber z. B. keine Triggerung der Pulssequenz durch die Stimulationsfunktion. Aufgrund der Pulssequenzen werden Rohdatensätze und aus diesen wiederum durch zweidimensionale Fourriertransformation Bilddatensätze gewonnen. Für jedes Element in der Rohdatenmatrix bzw. jedes Pixel in der Bilddatenmatrix erhält man einen zeitlichen Signalverlauf. Anschließend erfolgt eine Kreuzkorrelation zwischen diesem Signalverlauf und der Stimulationsfunktion.

Um die eingangs genannten Nachteile zu vermeiden, darf die Stimulationsfunktion nicht periodisch sein und muß im Hin blick auf die Nebenmaxima der Autokorrelationsfunktion opti miert sein. In Betracht kommen beispielsweise Binärcodes mit einer Folge von "+1" und "-1" in der Form ±1 S, a₀, a₁ . . . a_N-1 und einer Länge N. Die Autokorrelationsfunktion S_k ist dabei definiert als:

In dem Artikel A.M. Kerdock et al "Longest Binary Pulse Com pression Codes with Given Peak Sidelobe Levels" in Procee dings of the IEEE, Vol. 74, Nr. 2, Februar 1986, Seite 366 sind Codes verschiedener Längen angegeben, die in der obenge nannten Hinsicht optimiert sind. Für eine Codelänge N = 13 lautet ein Code in Hexadezimalform beispielsweise: 1F35. Die Minimierung von Nebenmaxima in der Autokorrelationsfunktion solcher Codes ist gleichbedeutend einem flachen Leistungs spektrum und einer optimalen, mit der Länge der Funktion zu nehmenden Unterdrückung von Störquellen. Durch eine Kreuzkor relation einer solchen Stimulationsfunktion mit der zeitab hängigen Funktion, wie sie für jedes Pixel aus den MR-Daten genommen wird, können aus den MR-Daten Einflüsse der Stimula tion extrahiert werden. Störprozesse, z. B. durch Bewegung (Atmung, Herzschlag, pulsierende CSF) fallen bei der Kreuz korrelation weitgehend weg. Die Kreuzkorrelation Wcross einer Stimulationsfunktion f (t) mit der aus den MR-Daten erhaltenen zeitlichen Funktion g (t) je Pixel beruht auf folgendem mathematischen Zusammenhang:

Das Ergebnis dieser Kreuzkorrelationsfunktion kann für jedes Pixel auf einem Monitor dargestellt werden.

In Fig. 8 ist schematisch der Zeitverlauf des Signals für je des Pixel dargestellt. Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert, wird durch eine Korrelationsanalyse ein Zusammen hang zwischen der Stimulationsfunktion und den damit ausge lösten Gehirnaktivitäten hergestellt. Das Ergebnis dieser Korrelationsanalyse kann dann wieder Pixel für Pixel auf dem Monitor dargestellt werden. Dabei kann man auf bestimmte Ge hirnregionen, d. h. die zugeordneten Pixel, auswählen und für diese Gehirnregionen das Ergebnis der Korrelationsanalyse be trachten.

Claims

1. Verfahren zur zeit- und ortsaufgelösten Darstellung funktioneller Gehirnaktivitäten eines Patienten mittels ma gnetischer Resonanz mit folgenden Merkmalen:

a) Mit einer Größe, die einen zeitverlauf nach einer Sti mulationsfunktion f(t) aufweist, werden in einem Patienten (1) physiologische Vorgänge stimuliert.
b) Die Stimulationsfunktion f(t) ist nichtperiodisch und weist in ihrer Autokorrelationsfunktion möglichst wenig Nebenmaxima auf.
c) Durch eine Pulssequenz zum Anregen und Auslesen von Kernresonanzsignalen werden zeit- und ortsaufgelöste Kernresonanzsignale gewonnen und in Bildinformationen umgesetzt.
d) Durch zeitliche Korrelation der so gewonnenen Informa tionen mit der Stimulationsfunktion f(t) werden orts aufgelöst Aktivitätsänderungen im Patienten nachge wiesen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Ergebnis der Korrelation nach Schritt d) als Kreuzkorrelationsbild dargestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Stimulationsfunktion f (t) binäre Codes verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die Stimu lationsfunktion f (t) dem Patienten (1) als Anweisung für Aktionen vorgegeben wird.

5. Anordnung zur zeit- und ortsaufgelösten Darstellung funktioneller Gehirnaktivitäten eines Patienten (1) mit fol genden Merkmalen:

a) einer MR-Anlage (2) mit einem Steuerrechner (4) zum Anregen und zum Auslesen von Kernresonanzsignalen sowie zur Gewinnung von Datensätzen aus diesen Kernresonanz signalen;
b) einem Funktionsgeber (5), der gemäß einer Stimulations funktion Impulse an den Patiepten (1) abgibt, wobei die Stimulationsfunktion eine nichtperiodische Funktion ist, deren Autokorrelationsfunktion möglichst wenig Nebenma xima aufweist;
c) einer Korrelationsrecheneinheit (6), der die Datensätze und die Stimulationsimpulse zugeführt werden.