DE19900578C1

DE19900578C1 - Verfahren der ortsaufgelösten Magnetresonanzspektroskopie

Info

Publication number: DE19900578C1
Application number: DE19900578A
Authority: DE
Inventors: Juergen Hennig
Original assignee: Universitaetsklinikum Freiburg; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Universitaetsklinikum Freiburg; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 1999-01-09
Filing date: 1999-01-09
Publication date: 2000-11-09
Anticipated expiration: 2019-01-10
Also published as: GB0000371D0; GB2348708A; GB2348708B; US6320381B1

Abstract

Ein Verfahren der räumlich aufgelösten Magnetresonanzspektroskopie nach dem Prinzip des chemical shift imaging (= CSI), bei welchem durch Anlegen eines Anregungsimpulses Spins in einem Messvolumen angeregt und einer Auslesung als Metabolitensignal zugeführt werden, wobei zwischen Anregungsimpuls und Signalaufnahme eine Ortskodierung des Signals durch einen Gradientenimpuls in mindestens einer Raumrichtung erfolgt, wobei dieser Ortskodierungsgradient von einem Aufnahmeschritt zum anderen variiert wird, so daß sich eine räumliche Zuordnung der aufgenommenen Signale in Teilvolumen des Meßvolumens ergibt, ist dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem Signal der aufgenommenen Metaboliten ein Referenzsignal aufgenommen wird, welches die identische Ortskodierung wie das Metabolitensignal aufweist, wobei die Aufnahme der beiden Signale verschachtelt erfolgt. Diese Methode erlaubt es, die lokalen Effekte ohne wesentliche Verlängerung der Aufnahmezeit zu korrigieren, um auf diese Weise standardisierte und vergleichbare Resultate unabhängig von auftretenden Imperfektionen während der Aufnahme zu erreichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der räumlich aufgelösten Magnetresonanzspektroskopie nach dem Prinzip des chemical shift imaging (= CSI), bei welchem durch Anlegen eines Anregungsimpulses Spins in einem Messvolumen angeregt und einer Auslesung als Metabolitensignal zugeführt werden, wobei zwischen Anregungsimpuls und Signalaufnahme eine Ortskodierung des Signals durch einen Gradientenimpuls in mindestens einer Raumrichtung erfolgt, wobei dieser Ortskodierungsgradient von einem Aufnahmeschritt zum anderen variiert wird, so daß sich eine räumliche Zuordnung der aufgenommenen Signale in Teilvolumen des Meßvolumens ergibt.

Ein solches Verfahren ist z. B. bekannt aus Brown, TR, NMR in Biomedicine 5, 238-243, 1992.

Die ortsaufgelöste Magnetresonanzspektroskopie mittels sogenanntem "chemical-shift imaging" (CSI) erlaubt die Bestimmung der Verteilung von Metaboliten in Materialien, Organismen, Tieren und Menschen. Ein Problem hierbei stellt die Optimierung der aufgenommenen Signale im Hinblick auf eine weitere Auswertung dar. Entsprechend regionaler Unterschiede relevanter Parameter wie Feldhomogenität, Suszeptibilität etc. ergeben sich signifikante Unterschiede in den aufgenommenen Einzelsignalen, welche eine weitere Auswertung, etwa zur Darstellung von Metabolitenverteilungen und Quantifizierungen der Signale etc. erschweren und die Anwendung vor allem an Patienten erheblich behindern.

Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es demgegenüber, eine Methode vorzustellen, welche es erlaubt, die lokalen Effekte ohne wesentliche Verlängerung der Aufnahmezeit zu korrigieren, um auf diese Weise standardisierte und vergleichbare Resultate unabhängig von auftretenden Imperfektionen während der Aufnahme zu erreichen.

Die Magnetresonanzspektroskopie (MRS) ist ein inzwischen für klinische Anwendungen am Patienten in einigen Ländern bereits zugelassenes Untersuchungsverfahren, welches wichtige Aufschlüsse über pathologische Veränderungen von Metaboliten erlaubt. Insbesondere die Protonenspektroskopie des Kopfes sowie die phosphorspektroskopische Beobachtung des Energiestoffwechsels in Muskeln und anderen Organen haben bereits eine breite Anwendung gefunden. In den meisten Fällen erfolgt die Datenaufnahme in sogenannter single-voxel-Technik, bei welcher ein Spektrum jeweils in einem einzelnen definierten Bereich des Körpers aufgenommen wird. Verfahren zur Aufnahme von räumlich verteilten MR- Spektren sind ebenfalls bekannt. Die am häufigsten verwendeten Techniken hierzu verwenden das Prinzip des oben erwähnten "chemical shift imaging" (CSI), bei welchem eine Ortskodierung der räumlichen Signale (ggf. aus einem vordefinierten eingegrenzten Bereich) durch entsprechende sogenannte Phasenkodiergradienten vorgenommen wird. Meßtechnisch sind solche Techniken ohne weiteres realisierbar, sie erfordern jedoch relativ lange Meßzeiten T_AQ, welche definiert sind durch

T_AQ = n . m . t_r . n_aq (1)

wobei
n und m die Größe der räumlichen Aufnahmematrix wiedergibt, t_r die Wiederholzeit zwischen zwei Aufnahmeschritten und n_aq die Zahl der Mittelungen für jeden Aufnahmenschritt.

Da t_r aufgrund der langen T₁-Relaxationszeiten von Metaboliten in nahezu allen praktischen Anwendungsgebieten von CSI im Bereich von 1 bis 3 Sekunden liegt, ergibt sich bereits bei einer moderaten räumlichen Auflösung von 16 × 16 Spektren eine Akquisitionszeit im Bereich mehrerer Minuten bis hin zu einer halben Stunde und mehr.

Ein Problem in der Nachbearbeitung der Spektren besteht darin, daß die so erhaltenen Spektren aus unterschiedlichen Bereichen aufgrund unterschiedlicher örtlicher Gegebenheiten, wie Feldinhomogenität und Suszeptibilitätseffekte etc. nicht unmittelbar vergleichbar sind. Die räumlich unterschiedlichen Resonanzfrequenzen, bedingt durch Feldinhomogenität und Suszeptibilitätseffekte, führen nicht nur zu einer Verschiebung der Signale der einzelnen Metaboliten, welche zur Erstellung von Metabolitenverteilungen korrigiert werden muß.

Im Fall der Protonen-MRS führt sie darüber hinaus zu lokaler Änderung der Effizienz der Unterdrückung des unerwünschten Wassersignals, welches sich in einer für jedes Spektrum unterschiedlichen und erheblich störenden Basislinie bemerkbar macht. Zudem bewirken diese lokalen Änderungen des Magnetfeldes unterschiedliche Linienformen der einzelnen Signale, welche eine Berechnung der Metabolitenkonzentrationen aus den Spektren zumindest mit einfachen Algorithmen wie Amplitudenmessung, Integration etc. verhindern.

Darüber hinaus führen Messungen selbst auf den modernsten Gradientenerzeugungssystemen durch die gradientenbedingten Wirbelströme zu vom Ort abhängigen unterschiedlichen Linienformen, welche sich auch mit komplizierten Nachverarbeitungsroutinen nur zum Teil korrigieren fassen.

Für die Aufnahme von Einzelspektren in single-voxel-Techniken lassen sich alle diese Imperfektionen durch Aufnahme eines Referenzsignals beseitigen (siehe Klose, U., Magnetic Resonance in Medicine 14, 26-30 1990). Die Datenaufnahme wird dabei unter ansonsten identischen Bedingungen, jedoch ohne Wasserunterdrückung durchgeführt. Da die lokalen Effekte das Wassersignal in gleicher Weise beeinflussen wie die Metabolitensignale, läßt sich über eine Dekonvolution der Metabolitensignale mit dem Referenzsignal ein standardisiertes Spektrum errechnen. Aufgrund der hohen Intensität des Wassersignals läßt sich dieses Referenzsignal für Einzelvoxelmessungen in wenigen Aufnahmeschritten und daher einer Meßzeit von wenigen Sekunden erreichen.

Eine Übertragung dieses Verfahrens auf CSI ist zwar im Prinzip möglich, die praktische Anwendung scheitert bisher jedoch an der erheblich verlängerten Aufnahmezeit. Unabhängig von der Intensität der Wasserresonanz gilt für die Gesamtaufnahmezeit des Referenzsignals ebenfalls die Gleichung (1). Die ohnehin lange Meßzeit eines CSI-Experimentes würde daher zusätzlich und erheblich verlängert, selbst wenn n_aq = 1 gewählt wird.

Um dieses Problem abzumildern werden in der Literatur verschiedene Maßnahmen diskutiert, welche zu einer Reduktion der Aufnahme des Referenzdatensatzes führen. Diese bestehen zum einen in einer erheblichen Verkürzung von t_r für die Referenzaufnahme, zum anderen in einer Reduzierung von n und m und damit der Aufnahmematrix des Referenzsignals. Beide Maßnahmen beinhalten immer noch eine signifikante Verlängerung der gesamten Meßzeit.

Aufgrund der Tatsache, daß die Referenzaufnahme nicht mit identischen Aufnahmebedingungen aufgenommen ist wie die eigentliche CSI-Aufnahme, ergeben sich zudem Imperfektionen in der Korrektur. Das Verfahren der Aufnahme des Referenzsignals mit kurzer Wiederholzeit hat zudem den Nachteil, daß sich hierbei dann, wenn t_r kleiner ist als die Relaxationszeit T2 des Wassers, sogenannte steady-state-Signale ausbilden, welche das Nutzsignal so verändern können, daß es als Referenzsignal unbrauchbar wird. Aus diesen Gründen konnten sich diese Verfahren in der Praxis bisher nicht durchsetzen.

Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet eine Integration der Aufnahme des Referenzsignals in die eigentliche CSI-Aufnahme. Hierbei wird die Aufnahme des Referenzsignals verschachtelt mit der Aufnahme der Metabolitensignale durchgeführt.

Das Verfahrensprinzip ist in Fig. 1 anhand eines typischen CSI-Verfahrens dargestellt, bei welchem eine Ortskodierung der aufgenommenen Signale durch die Gradienten Gx und Gy in der x,y-Ebene erfolgt. Hierbei ist 1 ein Wasserunterdrückungspuls, 2 der Anregungspuls der Aufnahme der ortskodierten Metabolitensignale 3. 4 ist der Anregungsimpuls für das Referenzsignal 5. 6 und 7 sowie 8, 9 entsprechen den Phasenkodiergradienten von Metaboliten- bzw. Referenzsignal in der x,y- Ebene.

Die Aufnahme des Referenzsignals erfolgt nach einer Zeit TR1, welche gegenüber der Wiederholzeit des gesamten Aufnahmezyklus TR2 sehr kurz ist, so daß keine wesentliche Verlängerung der Gesamtmeßzeit eintritt. Aufgrund des kurzen TR2 (typischerweise zwischen 50 und 300 ms) ist das Signal der Wasserlinie als Referenz zwar durch Sättigung erheblich abgeschwächt, aufgrund der intrinsisch extrem hohen Intensität jedoch immer noch bei weitem ausreichend um nach entsprechender zweidimensionaler Fouriertransformation die den jeweiligen Einzelvolumina zugeordneten Signalen zu erlangen. Die so erhaltenen Signale der Einzelvoxel sind somit unmittelbar vergleichbar und können der weiteren Interpretation zugeführt werden.

Das so beschriebene Verfahren läßt sich ohne weiteres auf Modifikationen des CSI-Verfahrens übertragen. Insbesondere läßt sich eine verschachtelte Aufnahme auch für CSI-Aufnahmeverfahren realisieren, bei welchen zusätzlich zur Ortskodierung das Untersuchungsvolumen durch Verwendung von mindestens einem Anregungsimpuls in Anwesenheit eines Schichtselektionsgradienten durchgeführt wird, so daß das Untersuchungsvolumen auf das durch diese Schichtselektion definierte Teilvolumen eingeschränkt wird. So werden üblicherweise CSI-Techniken mit einer räumlichen Selektion in allen drei Raumrichtungen nach dem Prinzip des PRESS- oder STEAM-Verfahrens auf ein Quaderförmiges Teilvolumen eingeschränkt durchgeführt (J. Hennig in: Functional Imaging, Lippincott, 376ff, 1998).

Die räumliche Dimension der Ortskodierung kann durch entsprechende Wahl des Phasenkodiergradienten 1-, 2- oder 3-dimensional erfolgen. Auch Techniken, welche eine räumliche Zuordnung der Spektren in nicht-isotrope Voxel erlauben wie z. B. Slim (Hu, X., Magn. Res. in Med. 8, 314ff., 1988) und Sloop (von Kienlin, M., J. Magn. Reson. 94, 268ff., 1991), lassen sich in der beschriebenen Weise modifizieren.

Schließlich ist das Verfahrensprinzip auch anwendbar auf Techniken, welche statt einer Ortskodierung nach dem Prinzip der Fourierkodierung andere Kodierungstechniken wie die Hadamard-Kodierung oder die Wavelet- Kodierung verwenden.

In Fig. 2 ist dies exemplarisch anhand eines PRESS-Experimentes mit zwei dimensionaler Ortskodierung in einem durch drei Schichtselektionspulse definierten Volumen dargestellt. Hierbei sind
10: Wasserunterdrückungspuls,
11, 12 und 13: 90°-, 180°-, 180°-Pulse der PRESS-Anregungssequenz für das Metabolitensignal,
14: Metabolitensignal,
15, 16 und 17: 90°-, 180°-, 180°-Pulse der PRESS-Anregungssequenz für das Referenzsignal,
18: Referenzsignal,
19, 20, 21, 23, 25, 27: Schichtselektionsgradienten,
22, 24, 26, 28: Ortskodierungsgradienten.

Die bisher beschriebenen Implementationen des Prinzips der verschachtelten Aufnahme des Referenzsignals behandelten Aufnahmetechniken, bei welchen in jedem Aufnahmeschritt ein spektrales Signal akquiriert wird und die Ortskodierung von einem Aufnahmeschritt zum nächsten variiert.

Allgemein läßt sich das Prinzip jedoch auch auf solche Verfahren anwenden, bei welchen in jedem Aufnahmeschritt mehrere Ortskodierschritte Anwendung finden.

So läßt sich auch das Verfahren des echo planar spectroscopic imaging (EPSI) oder PEPSI (Posse, S. et al., Magn. Res. in Medicine 37, 858ff., 1997) in der beschriebenen Weise mit verschachtelter Referenzaufnahme effizienter gestalten. Bei EPSI erfolgt die Signalauslesung unter einem schnell und mehrfach invertierten Gradienten, welcher zur Ortskodierung in einer Richtung führt. Zusätzlich können durch weitere Phasenkodiergradienten in einer oder zwei zusätzlichen Raumrichtungen auch mehrere räumliche Dimensionen kodiert werden, wobei die Aufnahme des gesamten Datensatzes mit N räumlichen und einer spektroskopischen Dimension in mehreren Anregungsschritten erfolgt.

So ist in Fig. 3 eine typische Implementierung eines solchen Verfahrens des EPSI dargestellt. Hier sind
31: Wasserunterdrückungspuls,
32: Anregungspuls für das Metabolitensignal,
33: Metabolitensignale,
37: Anregungspuls für das Referenzsignal,
38: Referenzsignale,
34, 39: Schichtselektionsgradienten,
35, 40: Ortskodierungsgradienten in x-Richtung, welche durch schnelle wiederholte Inversion zur mehrfachen Bildung der Signale 32. . und 38. . . führen,
36, 41: Phasenkodiergradient in y-Richtung, welcher von einem Aufnahmeschritt zum nächsten jeweils variiert wird.

Andere Implementierungen zur Kodierung der räumlichen Information auf das Signal sowie Maßnahmen zur Optimierung des Signals bei EPSI sind dem Fachmann an sich bekannt und ohne weiteres auf das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar.

Claims

1. Verfahren der räumlich aufgelösten Magnetresonanzspektroskopie nach dem Prinzip des "chemical shift imaging", bei welchem durch Anlegen eines Anregungsimpulses Spins in einem Messvolumen angeregt und einer Auslesung als Metabolitensignal zugeführt werden, wobei zwischen Anregungsimpuls und Signalaufnahme eine Ortskodierung des Signals durch einen Gradientenimpuls in mindestens einer Raumrichtung erfolgt, wobei dieser Ortskodierungsgradient von einem Aufnahmeschritt zum anderen variiert wird, so daß sich eine räumliche Zuordnung der aufgenommenen Signale in Teilvolumen des Meßvolumens ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß alternierend während der Aufnahme des Signals der Metaboliten ein Referenzsignal aufgenommen wird, welches die identische Ortskodierung wie das Metabolitensignal aufweist, wobei die Aufnahme der beiden Signale verschachtelt erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ortskodierung durch Verwendung von Ortskodiergradienten nach dem Prinzip der N-dimensionalen Phasenkodierung erfolgt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine anisotrope Ortskodierung durch entsprechende numerisch optimierte Phasenkodiergradienten erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ortskodierung nach dem Prinzip der Hadamard-Kodierung erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Ortskodierung der Signale eine Einschränkung des Meßvolumens auf eine Schicht durch Anlegen eines Schichtselektiongradienten während des Anregungsimpulses erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Signalerzeugung durch Kombination mehrerer Hochfrequenzimpulse als Spin-echo oder stimuliertes Echo erfolgt, wobei eine weitere Einschränkung des Messvolumens durch Anwendung von Schichtselektionsgradienten während mindestens einem der in der Anregungssequenz verwendeten Hochfrequenzpulse erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalerzeugung durch wiederholte Inversion eines Gradienten nach dem Prinzip des EPSI-Verfahrens erfolgt.