DE19743547A1 - Verfahren zur Abbildung von Fett-Plaques mittels Kernspintomographie - Google Patents

Description

Bisher wird als nichtinvasive Möglichkeit zur Diagnose einer Verengung oder eines Verschlusses von Arterien meistens die Darstellung von Kalzifizierung mittels Computertomographie angewandt. Besonders wichtig ist diese Art von Diagnose be­ züglich der Koronararterien, da dort aus der Verengung ein Herzinfarkt resultieren kann. Die Darstellung der Kalzifizie­ rung ist jedoch ein relativ unsicheres Kriterium für die Ver­ engung. Zum einen muß die Ablagerung von Kalk nicht unbedingt auf eine Verengung deuten, zum anderen kann eine Verengung vorhanden sein, bevor es zur Ablagerung von Kalk kommt. Die bisher angewandte Methode ist daher sowohl bezüglich der Sen­ sitivität als auch bezüglich der Spezifizität unbefriedigend.

Als sicherer Indikator für eine Verengung bzw. den Verschluß von Arterien gilt die Ablagerung von Lipiden (Fetten) in den Gefäßen. Die Kernspintomographie erlaubt es im Prinzip, Fett­ ablagerung nichtinvasiv darzustellen. Das Problem ist jedoch eine hinreichende Ortsauflösung. Große Koronargefäße weisen einen Durchmesser von ca. 3,5 mm auf. Die Fett-Plaque macht in einer frühen Phase 10-20% des Gefäßdurchmessers aus und kann später bis zu 70% erreichen. Eine Darstellung von Fett- Plaque in den Koronararterien und eine Beurteilung des Grades der Stenose setzt daher eine Ortsauflösung im Sub-Millimeter­ bereich voraus. Erschwert wird die Ortsauflösung durch die Bewegung des Herzens.

Die Darstellung von Koronararterien in einem MR-Bild ist an sich bekannt. Um die Meßzeit möglichst kurz zu halten, wird beispielsweise die besonders schnelle EPI (Echo Planar Ima­ ging)-Technik angewandt, wie sie unter anderem in der Litera­ turstelle P. Mansfield "Multiplanar Image Formation Using NMR Spin Echos", Journal of Physics C, 10 (1977), vorgeschlagen wurde. Da das ursprünglich vorgeschlagene "single shot"-EPI- Verfahren, bei dem nach einer Anregung der gesamte k-Raum ab­ getastet wird, extreme Anforderungen an die Gradienten stellt, wird häufig auch ein segmentiertes EPI-Verfahren ver­ wendet. Dabei wird nach einer Anregung nur ein Teil des k-Raums abgetastet, d. h., die gesamte Messung für die Daten ei­ nes Schichtbildes umfaßt mehrere Anregungen.

Bekannt sind ferner auch Verfahren, bei denen im gewonnenen Bild im wesentlichen nur Fett dargestellt wird. Die hierbei angewandten Methoden lassen sich einteilen in Methoden mit spektral-selektiver Anregung bzw. Sättigung und Phasendiffe­ renz-Methoden. In der Literaturstelle J. Pauly et al., Echo Planar Spin Echo and Inversion Pulses, MRM 29, Seiten 776 bis 782 (1993), ist beispielsweise eine Möglichkeit dargestellt, Anregepulse so zu gestalten, daß sie unter Einwirkung eines Gradienten sowohl örtlich selektiv sind (also z. B. nur eine Schicht eines Untersuchungsobjekts anregen) als auch spek­ tralselektiv sind, so daß beispielsweise nur Fett-Protonen angeregt werden. Beim Sättigungsverfahren werden in einer Präparationsphase die Wasserprotonen gesättigt und an­ schließend die Fett-Protonen angeregt, so daß nur aus letzte­ ren ein Signal kommt.

Bei dem beispielsweise aus der Literaturstelle W. Thomas Dixson, Simple Proton Spectroscopic Imaging, Radiology 1984, 153, Seiten 189-194, bekannten Phasendifferenz-Verfahren wird die Tatsache ausgenutzt, daß die Larmor-Frequenzen von Fett- und Wasserprotonen etwas unterschiedlich sind und somit die Phase der entsprechenden transversalen Magnetisierung ausein­ anderläuft. Durch Differenzbildung zu geeigneten Zeitpunkten kann man das Fett-Signal vom Wasser-Signal separieren.

Das in der Kernspintomographie standardmäßig angewandte FFT (Fast Fourier Transform)-Verfahren hat die Eigenschaft, daß das gesamte Betrachtungsfeld (Field of View, FOV) je Richtung mit konstanter Auflösung erfaßt wird. In der DE 195 28 436 C2 wurde als Alternative zum FFT-Verfahren eine sogenannte Wavelet-Codierung vorgeschlagen. Hierbei können einzelne Bildbereiche innerhalb eines Betrachtungsfensters mit höherer Auflösung dargestellt werden.

Keines der genannten Verfahren liefert eine befriedigende Darstellung von Fett-Plaques. Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Darstellung von Fett-Plaques mittels Kernspintomographie anzugeben, das den diagnostischen Erfor­ dernissen gerecht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Durch die dort an­ gegebenen Schritte erhält man ein Fett-Bild, bei dem aufgrund der Wavelet-Codierung im Bereich der darzustellenden Arterien eine ausreichende Auflösung erzielt werden kann, so daß man Fett-Plaque gut darstellen kann.

Durch eine Wavelet-Codierung in einer Richtung senkrecht zu einer Gefäßwand kann man die Richtung erhöhter Auflösung so legen, daß die Beurteilung eines Stenosegrades ermöglicht wird.

Ein dreistufiges Verfahren nach Anspruch 4 ermöglicht dem Un­ tersuchenden, die kritischen Regionen schnell zu identifizie­ ren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 6 näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch den Ablauf eines dreistufigen Verfahrens,

Fig. 2 bis 5 ein Beispiel für eine Pulssequenz,

Fig. 6 ein Beispiel für eine Wahl der Richtung der Wavelet-Codierung.

Gemäß dem Ablaufschema nach Fig. 1 wird zunächst ein Über­ sichtsbild in Form eines herkömmlichen MR-Bildes erstellt. Mit Hilfe dieses Übersichtsbildes sollen lediglich die zu un­ tersuchenden Arterien, beispielsweise die Koronararterien, örtlich identifiziert werden. Für dieses Übersichtsbild eig­ net sich im Prinzip jede herkömmliche Pulssequenz. Die ein­ gangs bereits genannte EPI-Sequenz hat dabei den Vorteil, daß sie besonders schnell ist.

Im zweiten Schritt wird ein Fett-Bild mit "normaler" Auflö­ sung erstellt. Unter normaler Auflösung versteht man typi­ scherweise eine Ortsauflösung von 1-2 mm. Damit können even­ tuell vorhandene Fett-Plaques identifiziert werden, eine zu­ verlässige Beurteilung des Stenosegrades und damit der Be­ drohlichkeit einer Gefäßverengung ist jedoch hiermit noch nicht möglich. Für diesen Schritt eignen sich im Prinzip alle in der Beschreibungseinleitung genannten Verfahren zur Gewin­ nung von Fett-Bildern, also sowohl Methoden mit frequenzse­ lektiver Anregung bzw. Sättigung als auch Phasendifferenz-Me­ thoden. Die Schritte 1 und 2 können auch in einer Messung er­ folgen, bei der gleichzeitig die MR-Signale für Fett- und Wasser-Bild akquiriert werden.

Die in Schritt 2 identifizierten Fett-Plaques werden in Schritt 3 mit erhöhter Auflösung dargestellt. Hierfür wird ein neues Verfahren angewandt, das auf der Wavelet-Codierung basiert. In den Fig. 2 bis 5 ist ein Ausführungsbeispiel für eine entsprechende Pulssequenz dargestellt.

In den Fig. 2 bis 5 ist eine Pulssequenz für den dritten Schritt des Verfahrens, also zur Gewinnung eines Fett-Bildes mit erhöhter Ortsauflösung dargestellt. Dabei wird in einer Richtung eine Wavelet-Codierung angewandt, wie sie im Prinzip bereits in einem Artikel von J. Weaver et al., Magnetic Re­ sonance in Medicine 24, 275-287 (1992), beschrieben wurde. Auch in der Patentschrift DE 195 28 436 C2 wurde bereits die Anwendung einer Wavelet-Codierung beschrieben, dort aller­ dings für die Bewegungsverfolgung interventioneller Instru­ mente. Bezüglich der Grundlagen der Wavelet-Codierung wird auf die vorgenannten Druckschriften verwiesen.

Bei der beispielhaften Pulssequenz nach den Fig. 2 bis 5 wird zunächst ein Hochfrequenzpuls RF1 unter der Wirkung ei­ nes Gradienten Gy eingestrahlt. Dabei legt das Frequenzspek­ trum des Hochfrequenzpulses RF1 in Verbindung mit dem Gra­ dienten Gy Dilatation und Translation der Wavelet-Funktion fest. Damit kann gezielt ein Streifenprofil senkrecht zur Richtung des Gradienten Gy gewählt werden, wobei dieses Streifenprofil so gelegt wird, daß es das näher zu betrach­ tende Gefäß enthält. Innerhalb des Streifenprofils wird in y-Richtung eine erhöhte Auflösung erzielt. Für kleine Flipwin­ kel des Hochfrequenzpulses RF1 sind die Einhüllenden dieses Hochfrequenzpulses und das hier geforderte Streifenprofil ein Fouriertransformierten-Paar. Die Dilatation a und die Stärke des Gradienten Gy verhalten sich proportional zueinander. Durch ein Verstärken des Gradienten Gy wird daher a ver­ größert und damit die Streifenbreite verringert. Die jeweils geforderte Translation b kann durch Verschiebung der Mitten­ frequenz des Hochfrequenzpulses RF1 oder durch einen Offset des Gradienten Gy erreicht werden. Anschließend wird der Gra­ dient Gy invertiert, um die durch den positiven Teilpuls ver­ ursachte Dephasierung rückgängig zu machen.

Mit dieser Art der Anregung erhält man zwar eine räumliche Codierung der angeregten Signale, die Anregung ist jedoch spektral nicht selektiv bezüglich Fett und Wasser, d. h., es werden Protonen sowohl in Fett als auch in Wasser angeregt. Die spektrale Sensitivität erhält man durch nachfolgende In­ versionspulse RF2 in Verbindung mit einem Gradienten Gz wech­ selnder Polarität. Eine derartige Pulsfolge kann - wie in dem bereits eingangs genannten Artikel von J. Pauly et al. erläu­ tert - so ausgestaltet werden, daß eine Spininversion sowohl spektral als auch örtlich selektiv erfolgt. Im vorliegenden Fall werden nur die Fett-Protonen in einer senkrecht zum Gra­ dienten Gz liegenden Schicht refokussiert, so daß man in ei­ ner nachfolgenden Auslesephase nur von diesen Protonen ein Kernresonanzsignal S erhält. Dieses Signal wird unter der Wirkung eines Auslesegradienten Gx ausgelesen und ist somit in x-Richtung frequenzcodiert.

Mit der beschriebenen Pulssequenz erhält man somit ein Kern­ resonanzsignal der Fett-Protonen, das bezüglich der y-Rich­ tung eine Wavelet-Codierung und bezüglich der x-Richtung eine Frequenzcodierung aufweist. In y-Richtung liegt eine Schicht­ selektion vor. Durch bekannte Rekonstruktionsverfahren kann man durch eine Mehrzahl solcher Signale ein Fett-Bild gewin­ nen, das in y-Richtung wegen der oben dargestellten vorteil­ haften Eigenschaften der Wavelet-Codierung innerhalb eines bei der Wavelet-Codierung selektierten Streifenprofils eine erhöhte Auflösung aufweist. Da dieses Streifenprofil so ge­ legt wird, daß es das zu betrachtende Gefäß erfaßt, erhält man das gewünschte Fett-Bild für das Gefäß mit erhöhter räum­ licher Auflösung.

In Fig. 6 ist zur Veranschaulichung eine Koronararterie 1 mit Fett-Plaque 2 dargestellt. Zur Beurteilung des Stenose­ grades muß die Gefäßverengung durch die Fett-Plaque bestimmt werden. Damit ist also besonders die Auflösung in einer Rich­ tung senkrecht zur Koronararterie 1 von Bedeutung. Die Wavelet-Codierung wird daher senkrecht zur Koronararterie 1 durchgeführt, während die Ortsauflösung durch Frequenzcodie­ rung während der Auslesephase in Arterienrichtung erfolgt. Die selektierte Schicht liegt parallel zur Koronararterie 1. Übertragen auf die Pulssequenz nach den Fig. 2 bis 5 be­ deutet dies, daß die x-Richtung, also die Richtung des Gra­ dienten Gx in Richtung der Koronararterie 1, die y- und die z-Richtung senkrecht dazu liegen.

Um eine exakte räumliche Zuordnung der mit der Wavelet-Codie­ rung mit erhöhter Ortsauflösung ermittelten Fett-Plaque zur Anatomie des Patienten zu ermöglichen, können das konventio­ nelle Bild nach Schritt 1, das Fett-Bild nach Schritt 2 und das Fett-Bild mit erhöhter räumlicher Auflösung nach Schritt 3 mit präziser räumlicher Zuordnung überlagert werden.

Mit der Wavelet-Codierung erreicht man a priori ein schlech­ teres Signal/Rausch-Verhältnis als mit der herkömmlichen Pha­ sencodierung. Bei Bedarf können jedoch mehrere Signale gemit­ telt werden, um ein ausreichendes Signal/Rausch-Verhältnis zu erzielen. Die gesamte Bildgewinnung kann im allgemeinen nicht innerhalb eines Herzschlags erfolgen. Typischerweise wird man daher die Bildgewinnung auf mehrere Herzschläge verteilen und die Datenakquisition mit dem Herzschlag, z. B. abgeleitet aus dem EKG, triggern. Hierbei wird jeweils in derselben Phase einer Herzperiode eine oder eine Reihe von Messungen ausge­ löst. Eine andere Möglichkeit wäre es, die Datenakquisition zu "gaten", d. h., bei kontinuierlich durchlaufender Pulsse­ quenz jeweils die Daten, die in derselben Herzphase gewonnen wurden, auszuwerten. Die Bewegung durch Atmung kann z. B. durch Bauchlage des Patienten weitgehend eliminiert werden. Es ist aber auch eine zusätzliche Synchronisierung der Mes­ sung auf die Atembewegung möglich.

Claims (9)

1. Verfahren zur Abbildung von Fett-Plaques mittels Kern­ spintomographie mit folgenden Schritten:

• a) Einstrahlung eines Hochfrequenz-Anregepulses (RF1) mit Wavelet-Codierung unter Einwirkung eines ersten Gradien­ ten (Gy),
• b) Einstrahlung von auf die Spektralfrequenz von Fett se­ lektiven Refokussierungspulsen (RF2),
• c) Auslesen eines Kernresonanzsignals (S) unter Einwirkung eines zweiten Gradienten (Gx)

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt b) mehrere Refokussierungspulse (RF2) unter Einwirkung eines dritten Gradienten (Gz) mit wechselnder Polarität eingestrahlt wer­ den.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Abbildung einer an einer Gefäßwand angelagerten Plaque, wobei die Wavelet- Codierung nach Schritt b) in einer Richtung senkrecht zur Ge­ fäßwand durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit folgenden Schritten:

• a) Gewinnung eines konventionellen Kernspintomographiebil­ des als Übersichtsbild zur Lokalisation von detailliert zu untersuchenden Strukturen,
• b) Gewinnung eines Fettbildes zur Identifizierung von Fett- Plaques,
• c) Gewinnung eines Fettbildes mit erhöhter Ortsauflösung nach einem der Ansprüche 1 bis 3.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Abbildung von Fett-Plaques in Blutgefäßen im Herzen oder in der Nähe des Herzens, wobei die Bildgewinnung durch den Herzschlag getriggert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Abbildung von Fett-Plaques in Blutgefäßen im Herzen oder in der Nähe des Herzens, wobei die Bildgewinnung aufgrund des Herzschlags gegated wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4 oder einem der folgenden, wo­ bei zur Gewinnung eines Fettbildes eine Phasendifferenzmetho­ de angewandt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 4 oder einem der folgenden, wo­ bei zur Gewinnung eines Fettbildes in einer Präparationsphase die Spektralkomponente von Wasser gesättigt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 4 oder einem der folgenden, wo­ bei zur Gewinnung eines Fettbildes eine bezüglich der Spek­ tralkomponente von Fett selektive Anregung angewandt wird.