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Diese Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf Magnetresonanzspektroskopie und insbesondere auf Volumenspektroskopie, wobei Wasserbasislinien-Artefaktsignale unterdrückt werden.
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Volumenlokalisierte Magnetresonanzspektroskopie ist ein nützliches und routinemäßiges klinisches Werkzeug insbesondere für die Erfassung von Abnormitäten geworden, die zu verbreiteten chemischen Veränderungen im Gehirn führen. Mehrere Verfahren zur direkten Anregung von Spins in einem Volumen von Interesse und zum Erreichen einer dreidimensionalen Auswahl einschließlich der Verwendung stimulierter Echos und der Verwendung von Carr-Purcel-Echos sind bekannt. Durch dieses Verfahren wird ein lokalisiertes Spektrum in einer einzigen Abtastung erhalten. Eine punktaufgelöste Spektroskopie (PRESS, siehe U.S. Patent
US 4,480,228 ) verwendet beispielsweise eine Sequenz aus drei Pulsen, wobei jeder Puls frequenzselektiv ist.
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Viele wichtige klinische Anwendungen von Protonenmagnetresonanzspektroskopie basieren auf der Verwendung einer Anregung eines begrenzten Volumens. Normalerweise wird die Volumenanregung unter Verwendung von PRESS erreicht, die von drei orthogonalen Schnitten in der Form eines Doppelspinechos Gebrauch macht, um eine spezielle Region von Interesse auszuwählen.
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Es besteht ein großes Interesse an einer absoluten Quantifizierung einer protonenlokalisierenden Spektroskopie des Gehirns. Dies ist eine sehr schwierige Aufgabe, die durch starke Überlappung von Signalen, Basislinienartefakten von Pseudoseitenbanden des übrigen Wassers, unbekannten T2-Verlusten und in einigen Fällen von Partialvolumenproblemen erschwert wird. Obwohl es eine Anzahl von unabhängigen Vorgehensweisen zur Beseitigung von Artefakten, zur Vereinfachung oder zum Editieren von Spektren, zur T2-Abschätzung und zur Partialvolumenkorrektur gibt, gibt es sehr viele Fehler und eine Ineffizienz beim Verbinden dieser Verfahren zur Extraktion aller gewünschten Informationen.
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Ryner et al. ”LOCALIZED 2D J-RESOLVED 1H MR SPECTROSCOPY: STRONG COUPLING EFFECTS IN VITRO AND IN VIVO,” Magnetic Resonance Imaging, Band 13, Nr. 16, Seiten 853–856, 1995, offenbart eine J-aufgelöste, zweidimensionale (2D-)MR-Spektroskopiesequenz (2D-J-PRESS), die in drei Dimensionen lokalisiert ist und in einem MR-Ganzkörperscanner eingesetzt wird. Wie von Ryner et al. beschrieben ist, kann eine durch einen 90°-Hochfrequenzpuls (90°-HF-Puls) erzeugte, transversale Magnetisierung mit einem 180°-HF-Puls refokussiert werden, um ein Spinecho nach Evolution während der Echozeit TE zu erzeugen. Lineare Wechselwirkungen wie eine chemische Verschiebung, Inhomogenitäten des stationären Feldes, Resonanzoffset, usw. werden während der Zeit TE herausgemittelt. Die Abnahme der transversalen Magnetisierung erfolgt allein aufgrund der T2-Relaxation unter Vernachlässigung von Effekten aufgrund von Spindiffusion und chemischen Austausch. Bilineare Wechselwirkungen, vor allem die J-Kopplung werden von dem refokussierenden Puls nicht beeinflußt, was zu einer J-Modulation der Magnetisierung während TE führt.
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Die J-aufgelöste 2D-Sequenz wurde zuerst vor über zwei Jahrzehnten unter Verwendung eines herkömmlichen Spinecho-Pulsschemas auf einem hochauflösenden NMR-Spektrometer demonstriert. Die Verarbeitung von J-aufgelösten 2D-Datensätzen beinhaltet eine Fourier-Transformation entlang zweier Achsen (t1, t2), wobei die chemischen Verschiebungsfrequenzen und J-Kopplungsfrequenzen entlang der resultierenden F2-Achse erscheinen und J-Kopplungsfrequenzen entlang der resultierenden F1-Achse getrennt erscheinen.
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Das Verfahren der Magnetresonanzspektroskopie umfaßt insbesondere die Schritte: a) Einbringen eines Objektes in ein Magnetfeld, b) Erzeugen und Refokussieren einer transversalen Magnetisierung, um Echosignale zu einer Echozeit TE zu erzeugen, c) schrittweises Inkrementieren von TE zum Erhalten eines 2D-Datensatzes, d) Verarbeiten des Datensatzes, um chemische Verschiebungsfrequenzen und J-Kopplungsfrequenzen entlang einer F2-Achse und J-Kopplungsfrequenzen entlang einer F1-Achse zu erhalten. In Schritt c) wird TE in einer F1-Bandbreite inkrementiert, die größer als die Bandbreite einer Proton-Proton-J-Kopplung ist. Ein 2D-Wassersignal wird aufgelöst und kann zur 2D-Phasenkorrektur aller Signale in dem 2D-Spektrum verwendet werden. Ferner kann eine vollständige (F1, F2)-Karte dazu verwendet werden, an komplexe (E1, F2)-Modellspektren auf der Grundlage von Vorkenntnissen angepaßt zu werden.
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De Graaf, A. A. et al.: ”Improved quantification of in vivo 1H NMR spectra by optimization of signal acquisition and processing and by incorporation of prior knowledge into the spectral fitting”, Magn. Reson. Med., 1990, Band 15, Seiten 305–319, offenbart ein Verfahren zur Anpassung phasenempfindlicher Modellspektren an eindimensionale J-aufgelöste MR-Spektroskopiedaten.
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Ferner untersucht Dreher, W. et al.: ”On the Use of Two-Dimensional-J NMR Measurements for in Vivo Proton MRS: Measurement of Homonuclear Decoupled Spectra without the Need for Short Echo Times”, Magn. Reson. Med., 1995, Band 34, Seiten 331–337, die Möglichkeiten einer zweidimensionalen J-NMR für eine In-Vivo-Proton-MRS.
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Die Erfindung und ihre Aufgaben und Merkmale sind anhand der nachfolgenden, ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen dargelegt.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren der Magnetresonanzspektroskopie gemäß Patentanspruch 1 ausgestaltet. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
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Die vorliegende Erfindung erreicht eine verbesserte quantitative In-Vivo-Spektroskopie mittels einer F1-überabgetasteten, J-aufgelösten 2D-Spektroskopie. Eine Überabtastung von F1 macht es möglich, störende Wasserseitenbanden aufzulösen und herauszufiltern, und dadurch wird das simultane Erhalten der gesamten Wasser- und Metabolitsignale ermöglicht. Das gesamte Wassersignal wird ohne Basislinienartefakte als 2D-Linienformreferenz verwendet und ferner zur T2-Korrektur und zur Partialvolumenkorrektur verwendet. Die resultierenden, ”artefaktfreien”, phasenempfindlichen, J-aufgelösten 2D-Spektren werden an phasenempfindliche 2D-Modellspektren angepaßt. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens integriert diese Merkmale in die PRESS-lokalisierte Spektroskopie des Gehirns und wird ohne die Notwendigkeit einer Wasserunterdrückung durchgeführt.
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Erfindungsgemäß wird TE in einer F1-Bandbreite inkrementiert, die deutlich größer als die Bandbreite der Proton-Proton-J-Kopplung ist. Ein 2D-Wassersignal wird aufgelöst und kann zur 2D-Phasenkorrektur des Spektrums als Funktion von t2 sowohl vor als auch nach einer FFT (Engl.: Fast Fourier Transform) bzw. einer schnellen Fourier-Transformation in F1 verwendet werden. Ferner kann eine vollständige phasenempfindliche (F1, F2)-Karte verwendet werden, um an phasenempfindliche (F1, F2)-Modellspektren angepaßt zu werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1A–1D die Anordnung eines herkömmlichen MRI-Gerätes und die darin erzeugten Magnetfelder,
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2 ein Blockschaltbild eines MRI- und Spektroskopiegerätes,
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3 ein PRESS-Spektrum einer MRS-HD-Sphäre ohne Wasserunterdrückung,
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4 eine gestapelte Kurvenschar eines überabgetasteten, J-aufgelösten 2D-PRESS-Spektrums der MRS-HD-Sphäre (gepunktete Linie) ohne Wasserunterdrückung,
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5 ein ”J0-Spektrum” (F2-Spur bei F1 = 0) einer MRS-HD-Sphäre (geschlossene Linie), das über ein herkömmliches PRESS-Spektrum der MRS-HD-Sphäre (gepunktete Linie) aufgetragen ist,
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6 ein J0-Spektrum einer In-Vivo-ROI (parietale weiße Substanz), die ohne Wasserunterdrückung erhalten wird,
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7 J0-Spektren einer MRS-HD-Sphäre zweiter Generation mit 5 mM GABA (oben), der ursprünglichen MRS-HD-Sphäre (Braino-Mitte) und eines In-Vivo-ROI des okzipitalen Lappens (unten),
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8 J0-, J3- und J6-Spektren von NAA-Lösungen, Laktatlösungen und Myoinositollösungen (geschlossene Linien), die über J0-, J3- und J6-Spektren der MRS-HD-Sphäre zweiter Generation aufgetragen sind, und
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9 J0-, J3- und J6-Spektren von Glutamatlösungen, GABA-Lösungen und Glutaminlösungen (geschlossene Linien), die über J0-, J3- und J6-Spektren der MRS-HD-Sphäre zweiter Generation aufgetragen sind.
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1A zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht, die eine Spulenanordnung in einem MRI-System veranschaulicht, und 1B–1D zeigen Feldgradienten, die in dem Gerät gemäß 1A erzeugt werden können. Dieses Gerät wird in Hinshaw und Lent, ”An Introduction to NMR Imaging: From the Bloch Equation to the Imaging Equation,” Proceedings of the IEEE, Band 71, Nr. 3, März 1993, Seiten 338–350 besprochen. Das gleichförmige statische Feld B0 wird von dem das Spulenpaar 10 aufweisenden Magneten erzeugt. Ein Gradientenfeld G(x) wird durch einen komplexen Gradientenspulensatz erzeugt, der auf den Zylinder 12 gewickelt sein kann. Ein HF-Feld B1 wird durch eine HF-Spule 14 erzeugt. Eine Probe, die gerade untersucht wird, wäre entlang der Z-Achse in der HF-Spule 14 positioniert.
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In 1B ist ein X-Gradientenfeld gezeigt, das senkrecht zu dem stationären Magnetfeld B0 ist und sich linear mit einem Abstand entlang der X-Achse verändert, ohne sich mit dem Abstand entlang der Y- oder Z-Achse zu verändern. 1C und 1D zeigen jeweils ähnliche Darstellungen der Y-Gradienten- und Z-Gradientenfelder.
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2 ist ein funktionales Blockschaltbild eines NMR-Gerätes. Ein Computer 20 ist dazu programmiert, den Betrieb des MRI-Gerätes zu steuern und von ihm erfaßte FID-Signale zu verarbeiten. Das Gradientenfeld wird von einem Gradientenverstärker 22 erzeugt, und die HF-Spulen zur Erzeugung eines B1-Feldes mit der Larmorfrequenz werden von dem Transmitter 24 und der HF-Spule 26 gesteuert. Nachdem die ausgewählten Kerne angeregt worden sind, werden die HF-Spulen 26 dazu verwendet, das FID-Signal zu erfassen, das zu dem Empfänger 28 und hierauf durch einen Digitalisierer 30 bzw. eine Digitalisiereinrichtung 30 zu einem Verarbeitungscomputer 20 geleitet wird.
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Ryner et al. beschreiben eine lokalisierte, J-aufgelöste 2D-Sequenz (2D-J-PRESS), die einen 180°-HF-Puls zur Erzeugung eines Spinechos mit einer Entwicklungszeit TE verwendet. Während lineare Wechselwirkungen wie chemische Verschiebung, Inhomogenitäten des stationären Feldes und Resonanzoffset während TE herausgemittelt werden, sind bilineare Wechselwirkungen wie die J-Kopplung von dem Refokussierungspuls unbeeinflußt.
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Erfindungsgemäß können durch Inkrementierung von TE bei der normalen asymmetrischen PRESS-Sequenz in 128 2,5 ms langen Schritten J-aufgelöste 2D-Spektren für eine F1-Bandbreite von +/–200 Hz erhalten werden (in der Praxis kann dies auf 64 5 ms lange Schritte für eine F1-Bandbreite von +/–100 Hz reduziert werden, da die Bandbreite außerhalb von +/–12 Hz auch die Faltungsartefaktfrequenzen einfangen kann). Diese führt zu einer Auflösung von etwa 3 Hz in F1, die ausreichend ist, um die charakteristischen Kopplungen der Metabolite aufzulösen. Bei der PRESS ist üblicherweise am Anfang TE = 35 ms und am Ende TE = 355 ms. SNR ist in etwa äquivalent zu einer TE-144-PRESS-Abtastung für nicht gekoppelte Spins, aber wesentlich vorteilhafter für gekoppelte Spins, dies trifft insbesondere auf gekoppelte Spins zu, die in kurzen 1D-Echospektren überdeckt sind.
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Wasserunterdrückung ist vielleicht das einschränkendste Merkmal von In-Vivo-Protonspektroskopie und spektroskopischer Bildgebung. Der potentielle Verlust von Signalen und der Einfluß von Spinkopplung sind bekannte Probleme, die in vielen Fällen selbst durch leichte Inhomogenitäten erschwert werden. Wasserunterdrückung ist jedoch eine Anforderung, die aufgrund von Wasserseitenbanden-Artefakten in einigen Systemen gemäß dem Stand der Technik ein Problem selbst bei relativ gut unterdrücktem Wasser darstellen. In diesen Untersuchungen müssen getrennte, nicht unterdrückte Wasserspektren zusätzlich zu den wasserunterdrückten Daten zur Quantifizierung, zur Linienformkorrektur und für Artefaktreduktionsverfahren erhalten werden. Ohne Unterdrückung verdecken diese von der Wasserintensität abhängigen Seitenbandenartefakte vollständig die metabolischen Signalspitzen in allen Systemen. Dies ist in 3 klar zu erkennen, die ein ohne Wasserunterdrückung erhaltenes PRESS-Spektrum (TE 35) zeigt. Die vertikale Vergrößerung um 100 zeigt sowohl die breiten als auch die diskreten Wasserseitenbanden, obwohl 1% oder weniger bereits die zwischen 30 Hz und 230 Hz beobachteten, metabolischen Spektren vollständig verdeckt. Glücklicherweise kann überabgetastete, J-aufgelöste 2D-Spektroskopie diese Hindernisse überwinden, wie es in 4 gezeigt ist. Daten wurden gesammelt und zu einem 128 × 1 K Array (200 Hz × 1000 Hz) angeordnet. Eine 100fache vertikale Vergrößerung zeigt die bei F1 = F2 und bei F1 = F2/2 aufgelösten Artefakte sowie die metabolischen Signalspitzen zwischen +/–12 Hz. In dieser gestapelten Auftragung eines 128 × 1 K (200 Hz × 1000 Hz), J-aufgelösten Spektrums, sind die störenden Basislinienartefakte in F1 deutlich aufgelöst. Diese Artefakte erscheinen entweder bei F1 = F2 (wahrscheinlich aufgrund von Gradienteneffekten vor oder gerade nach der Auswahl der 90°-Schichtselektion, oder erscheinen bei F1 = F2/2 (wahrscheinlich aufgrund von Kopplungseffekten von Gradienten um den letzten 180°-Refokussierungspuls und sind daher lediglich der halben t1-Entwicklungszeit unterworfen). 5 zeigt das J-aufgelöste Spektrum bei F1 = 0 (geschlossene Linie und nachstehend als J0-Spektrum bezeichnet), das über ein herkömmliches PRESS-Spektrum (gepunktete Linie) aufgetragen ist, wobei beide nicht unterdrückt sind und in einer vertikalen Vergrößerung von 100 dargestellt sind. Es ist erkennbar, daß das herkömmliche PRESS-Spektrum sowohl diskrete als auch breite Basislinienstörungen aufweist, die offensichtlich nicht in dem überabgetasteten J0-Spektrum vorhanden sind. 6 zeigt ein überabgetastetes In-Vivo-J0-Spektrum (parietal weiß) in einer vertikalen Vergrößerung von 250. Die hervorragende Linienform und die Abwesenheit von Artefakten in diesem ohne irgendeine Wasserunterdrückung erhaltenem Spektrum sind erkennbar. 7 zeigt J0-Spektren für eine MRS-HD-Sphäre zweiter Generation, die 5 mM GABA (oben), die ursprüngliche MRS-HD-Sphäre (Mitte) und ein In-Vivo-ROI des okzipitalen Lappens (unten) aufweist.
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Die starke Wasserlinie kann nicht nur für eine Phasenkorrektur oder eine Korrektur von Restwirbelströmen für jedes Inkrement t1 des Wassersignals t2 verwendet werden, sondern kann auch dazu verwendet werden, das Wassersignal t2 als eine Funktion von F1 (F1, t2) zu korrigieren. Dies erzeugt eine reine 2D-Absorptionslinienform der nicht gekoppelten Spins und fixiert die Phasen der gekoppelten Signale bei F1 ungleich 0 Hz. Dieses Referenzsignal beseitigt auch über eine sehr lange Zeit konstante Wirbelströme Bo und andere ungewollte Phasen- und Frequenzveränderungen, die während der gesamten Aufnahmedauer auftreten. Die Linienform entspricht ungefähr 1/T2* in F2 und 1/T2 in F1. Dieser Schritt erlaubt die Anpassung der phasenempfindliche (F1, F2)-Karte an die phasenempfindlichen (F1, F2)-Modellspektren.
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Die resultierenden 2D-Arrays enthalten diskrete Muster für jede der einzelnen Chemikalien, die das In-Vivo-Spektrum des Gehirns erzeugen, und sind hervorragend dazu geeignet, an 2D-Arrays von Modellspektren angepaßt zu werden. Die hinzugefügte F1-Auflösung erlaubt es, die Anpassung fast aller Metabolite zu verbessern. Dies wird durch die J0-, J3- und J6-1D-Modellspektren (geschlossene Linie) veranschaulicht, die über die MRS-HD-Sphäre (gepunktete Linie) zweiter Generation aufgetragen sind, was in 8 und 9 gezeigt ist. NAA überlappt beispielsweise GLN und GLU in herkömmlichen TE-35-PRESS-Spektren. Bei überabgetasteter 2D-J-Spektroskopie ist das NAA-Methyl in dem J0-Spektrum gut aufgelöst und liefert charakteristische Muster für die Methylensignale in dem J6-Spektrum. Laktat wird in dem J3-Spektrum editiert. Die Trennung von GLN, GLU und GABA, ein vergebliches Vorhaben bei herkömmlichen nicht editierten PRESS-Spektren, ist ein weiteres gutes Beispiel. Selbst mit lediglich 10 Spektren ist die Trennung gut. GLN und GLU überlappen bei 3,8 ppm, aber sie sind durch die Intensitäten bei 2,35 ppm getrennt. GABA und GLU überlappen bei 2,35 ppm, aber sie können durch das Verhältnis der Signale bei 3,8 ppm:2,35 ppm getrennt werden. Eine Bestätigung der GABA-Quantifizierung kommt von dem J6-Spektrum, in dem GABA als teilweise invertiertes Signal bei 2,95 ppm allein angetroffen wird. Natürlich ist die Anpassung des 2D-Arrays an die 2D-Array-Modellspektren sehr viel spezifischer als diese einfachen veranschaulichenden 1D-Beispiele. Die Anpassung von (t1, F2)-Daten liefert Abschätzungen der tatsächlichen metabolischen T2's und unter Verwendung des Verfahrens von Kreis et al., „Absolute quatitation of weiter and metabolites in the human brain. Part II: Metabolite concentrations.” Journal of Magnetic Resonance B102:9–19; 1993, kann die T2-Wassermessung dazu verwendet werden, das CSF-Partialvolumen und den Wassergehalt des Gehirns abzuschätzen.
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Ein verbessertes Verfahren zur quantitativen In-Vivo-Spektroskopie ist vorstehend beschrieben, das F1-Überabtastung verwendet, um unerwünschte, kohärente, die Artefakte in dem spektralen Bereich von Interesse erzeugenden Seitenbanden des Wassers aufzulösen und zu beseitigen, und es liefert die Rohdaten zur Extraktion des T2-Relaxationsabfalls (t1, F2) von Wasser und Metaboliten und löst das überladene Protonenspektrum in zwei Frequenzdimensionen auf. Die Wasserlinienform kann als 2D-Referenzsignal verwendet werden, um reine 2D-Absorptionslinienformen für nicht gekoppelte Spins zu erzeugen und verbleibende Wirbelstromeffekte bei tiefen Frequenzen zu korrigieren. Ferner können J-aufgelöste 2D-Modellspektren sowie (t1, F2)-Schätzungen der Metabolitrelaxation T2 und biexponentielle Anpassungsfunktionen des (t1, F2)-Wassersignals an die resultierenden, phasenempfindlichen, J-aufgelösten, 2D-In-Vivo-Daten angepaßt werden, um das CSF-Partialvolumen und den Wassergehalt abzuschätzen. Die Erfindung kann als eine quantitative single voice Untersuchung des Gehirns oder als akquisitionszeit-kodierte schnelle spektroskopische Bildgebunguntersuchung angewendet werden.
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Eine verbesserte quantitative In-Vivo-Spektroskopie mittels F1-überabgetasteter, J-aufgelöster Spektroskopie ist vorstehend offenbart. Eine Rekonstruktion macht vollständig Gebrauch von internen Signalen für eine 2D-Wassersignalform, von T2 und von einer Partialvolumenkorrektur, und eine Analyse verwendet eine komplexe 2D-Modellspektrenanpassung. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens integriert diese Merkmale in die PRESS-lokalisierte Spektroskopie des Gehirns und wird ohne die Notwendigkeit einer Wasserunterdrückung durchgeführt.
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Obwohl die Erfindung anhand von speziellen Ausführungsbeispielen und Anwendungen beschrieben wurde, dient die Beschreibung lediglich der Veranschaulichung der Erfindung und begrenzt die Erfindung nicht. Verschiedene Veränderungen und Anwendungen können sich für den Fachmann in naheliegender Weise aus dem Stand der Technik ergeben, ohne den von den beigefügten Ansprüchen definierten Schutzbereich zu verlassen.
