DE19962847A1 - Bildgebungsverfahren - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Bildgebungsverfahren zur Untersuchung von Substanzen, in denen durch indirekte Kernspin-Kernspin-Wechselwirkung eine Präzession von wenigstens einigen Kernspins mit einem zusätzlichen Phasenwinkel DELTAphi = -gamma¶r¶DELTAB¶z¶Ð relativ zu einer bereits vorhandenen Präzession in einem äußeren Magnetfeld erzeugt wird, so dass eine Quermagnetisierung senkrecht zu dem äußeren Magnetfeld auffächert, so dass eine Relaxation der Quermagnetisierung mit einer Relaxationszeit T¶2¶* erzeugt wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß zeichnet sich dieses Verfahren dadurch aus, dass unmittelbar nach dem Anregungsimpuls mittels einer Echo-Planar-Bildgebung die Relaxation als wenigstens ein hochaufgelöstes Bild aufgenommen wird und dass anschließend weitere Bilder mit einer geringeren Auflösung aufgenommen werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Bildgebungsverfahren zur
Untersuchung von Substanzen, in denen durch indirekte
Kernspin-Kernspin-Wechselwirkung eine Präzession von
wenigstens einigen Kernspins mit einem zusätzlichen
Phasenwinkel Δϕ = -γrΔBzτ relativ zu einer bereits
vorhandenen Präzession in einem äußeren Magnetfeld erzeugt
wird, so dass eine Quermagnetisierung senkrecht zu dem
äußeren Magnetfeld auffächert, so dass eine Relaxation der
Quermagnetisierung mit einer Relaxationszeit T2* erzeugt
wird.
Die Kernspin-Kernspin-Wechselwirkung wird vorzugsweise
mittels Kernmagnetresonanztomographie ermittelt.
Die Kernmagnetresonanztomographie wird unter anderem dazu
eingesetzt, eine spektroskopische Information oder eine
Bildinformation über eine Substanz zu erhalten. Eine
Kombination der kernmagnetischen Resonanztomographie mit
Techniken der Magnetresonanz-Bildgebung (Magnetic Resonance
Imaging - MRI) ergibt ein räumliches Bild der chemischen
Zusammensetzung der Substanz.
Magnetische Resonanzbildgebung ist einerseits eine
ausgereifte Bildgebungsmethode, die weltweit im klinischen
Einsatz ist. Andererseits ist magnetische
Resonanzbildgebung auch außerhalb des medizinischen
Bereiches ein sehr wichtiges Untersuchungswerkzeug für
Industrie und Forschung. Anwendungen sind beispielsweise
Untersuchungen von Nahrungsmitteln, Qualitätskontrollen,
präklinische Untersuchungen von Medikamenten in der
pharmazeutischen Industrie oder die Untersuchungen von
geologischen Strukturen, wie Porengrößen in Gesteinsproben
für die Erdölexploration.
Die besondere Stärke der magnetischen Resonanzbildgebung
rührt aus der Tatsache her, dass sehr viele Parameter
nukleare kernmagnetische Resonanzsignale beeinflussen.
Durch eine sorgfältige und kontrollierte Veränderung dieser
Parameter können Experimente durchgeführt werden, die
geeignet sind, den Einfluss des ausgewählten Parameters zu
zeigen.
Beispiele von relevanten Parametern sind
Diffusionsvorgänge, Wahrscheinlichkeitsdichteverteilungen
von Protonen oder eine Spin-Gitter-Relaxationszeit.
Bei der Kernresonanztomographie werden Atomkerne, welche
ein magnetisches Moment besitzen, durch ein extern
angelegtes Magnetfeld ausgerichtet. Dabei führen die Kerne
um die Richtung des Magnetfeldes eine Präzessions-Bewegung
mit einer charakteristischen Kreisfrequenz
(Larmor-Frequenz) aus. Die Larmor-Frequenz hängt von der Stärke des
magnetischen Feldes und von den magnetischen Eigenschaften
der Substanz ab, insbesondere von der gyromagnetischen
Konstante γ des Kerns. Die gyromagnetische Konstante γ ist
eine für jede Atomart charakteristische Größe. Die
Atomkerne weisen ein magnetisches Moment µ = γ × p auf,
wobei p den Drehimpuls des Kerns bezeichnet.
Eine zu untersuchende Substanz, beziehungsweise eine zu
untersuchende Person, werden bei der
Kernresonanztomographie einem gleichförmigen Magnetfeld
unterworfen. Das gleichförmige Magnetfeld wird auch als
Polarisationsfeld B0 und die Achse des gleichförmigen
Magnetfeldes als z-Achse bezeichnet. Die individuellen
magnetischen Momente der Spins in dem Gewebe präzedieren
mit ihrer charakteristischen. Larmor-Frequenz um die Achse
des gleichförmigen Magnetfeldes.
Eine Nettomagnetisierung Mz wird in der Richtung des
Polarisationsfeldes erzeugt, wobei sich die zufällig
orientierten Magnetkomponenten in der Ebene senkrecht
hierzu (x-y-Ebene) einander aufheben. Nach Anlegen des
gleichförmigen Magnetfeldes wird zusätzlich ein
Anregungsfeld B1 erzeugt. Das Anregungsfeld B1 ist in der
x-y-Ebene polarisiert und weist eine Frequenz auf, die
möglichst nahe an der Larmor-Frequenz liegt. Hierdurch kann
die Nettomagnetisierung Mz so in die x-y-Ebene gekippt
werden, dass eine quermagnetische Magnetisierung Mt
entsteht. Die Querkomponente der Magnetisierung rotiert in
der x-y-Ebene mit der Larmor-Frequenz.
Durch eine zeitliche Variation des Anregungsfeldes können
verschiedene zeitliche Abfolgen der quermagnetischen
Magnetisierung Mt erzeugt werden. In Verbindung mit
wenigstens einem angelegten Gradientenfeld können
verschiedene Schichtprofile realisiert werden.
Insbesondere in der medizinischen Forschung besteht ein
Bedürfnis, Informationen über anatomische Strukturen,
räumliche Verteilungen von Substanzen ebenso wie über die
Gehirnaktivität, beziehungsweise über Blutfluss oder
Deoxyhämoglobinkonzentrationsänderungen in tierischen und
menschlichen Organen zu erlangen.
Magnetresonanz-Spektroskopie (MRS) ermöglicht die Messung
der räumlichen Dichteverteilung bestimmter chemischer
Komponenten in einem Material, insbesondere in biologischem
Gewebe.
Eine grundlegende Darstellung einer spektroskopischen
Echo-Planar-Bildgebung (Echo-Planar-Spectroscopic-Imaging - EPSI)
ist in dem Artikel von P. Mansfield: Magn. Reson. Med., 1,
S. 370, 1984, dargestellt.
Eine schnelle Magnetresonanz-Bildgebung (Magnetic Resonance
Imaging - MRI) in Verbindung mit
Magnetresonanzspektroskopie (Magnetic Resonance
Spectroscopy - MRS) macht es möglich, örtliche Verteilungen
von Stoffwechselprozessen zu untersuchen. Beispielsweise
wird eine regionale Hämodynamik mit Veränderungen in
Blutvolumina und Blutzuständen sowie Änderungen des
Stoffwechsels in vivo in Abhängigkeit von einer
Gehirnaktivität ermittelt, siehe: S. Posse et. al.:
Functional Magnetic Resonance Studies of Brain Activation;
Seminars in Clinical Neuropsychiatry, Vol. 1, No 1, 1996;
p. 76-88.
Durch NMR-Bildgebungsmethoden werden Schichten oder
Volumina selektiert, die unter dem geeigneten Einstrahlen
von Hochfrequenzimpulsen und dem Anlegen von magnetischen
Gradientenfeldern ein Messsignal liefern, welches
digitalisiert und in einem ein- oder mehrdimensionalen Feld
in einem Messcomputer gespeichert wird.
Aus den aufgenommenen Rohdaten wird durch eine ein- oder
mehrdimensionale Fourier-Transformation die gewünschte
Bildinformation gewonnen (rekonstruiert).
Ein rekonstruiertes Schichtbild besteht aus Pixeln, ein
Volumendatensatz aus Voxeln. Ein Pixel (Picture Element)
ist ein zweidimensionales Bildelement, beispielsweise ein
Quadrat. Das Bild ist aus den Pixeln zusammengesetzt. Ein
Voxel (Volume Pixel) ist ein dreidimensionales
Volumenelement, beispielsweise ein Quader. Die Abmessungen
eines Pixels liegen in der Größenordnung von 1 mm2, die
eines Voxels von 1 mm3. Die Geometrien und Ausdehnungen
können variabel sein.
Da aus experimentellen Gründen bei Schichtbildern niemals
von einer streng zweidimensionalen Ebene ausgegangen werden
kann, wird häufig auch hier der Begriff Voxel verwendet,
welcher besagt, dass die Bildebenen eine Dicke haben.
Aufgrund großer Unterschiede der Signalintensität einzelner
chemischer Substanzen und durch Bewegungen eines
Messobjektes können bei Bildgebung und Spektroskopie
Lokalisationsartefakte entstehen.
Insbesondere ist es bei Untersuchungen des Gehirns
erforderlich, Signale von Substanzen, die außerhalb des
Gehirns, jedoch innerhalb einer zu untersuchenden Schicht,
lokalisiert sind, zu unterdrücken. Bei Magnetresonanz mit
Protonen (1H) sind dies Substanzen, beispielsweise Lipide,
welche 1H enthalten.
Die Lipide überdecken einen recht breiten Frequenzbereich,
der mit dem der meisten Metaboliten zusammenfällt. Bei
spektroskopischen Untersuchungen des Gehirns ist die auch
als Lipidunterdrückung bezeichnete Unterdrückung der
Signale von Substanzen, die außerhalb des Gehirns - jedoch
innerhalb der zu untersuchenden Schicht lokalisiert sind -
erforderlich, weil die hierdurch hervorgerufenen Signale
sehr viel größer sein können als Signale in zu
untersuchenden Gehirnregionen.
Da sich die Lipide im menschlichen Kopf überwiegend in der
Peripherie des Schädels befinden, ist eine Möglichkeit der
Lipidunterdrückung, die Kernspins in der Peripherie gar
nicht erst anzuregen. Ein räumlich lokalisiertes Spektrum
wird durch eine Signalunterdrückung in Regionen außerhalb
eines zu untersuchenden Volumens erzielt. Derartige
Techniken werden als Single-Voxel-Techniken bezeichnet.
Eine bekannte Single-Voxel-Technik namens STEAM ist in den
folgenden Artikeln beschrieben:
- - Garnot J. (1986): Selected volume excitation using stimulated echoes (VEST) Applications to spatially localized spectroscopy and imaging; J. Magn. Resin., 70: p. 488-492;
- - Commit R, Hoepfel D. (1987): Volume selective multipulse Spin echo spectroscopy. J. Magn. Reson., 72: p. 379-384;
- - Frahm J, Merboldt KD, Haenicke W. (1987): Localized proton spectroscopy using stimulated echoes. J. Magn. Reson., 72: p. 502-508.
Eine weitere Volumenlokalisationsmethode mit einer Single-Voxel-Technik
namens PRESS ist in der U.S.-Patentschrift 4 480 228
von Bottomley P. A. (1984): "Selective volume method
for performing localized NMR spectroscopy" offenbart.
Eine andere bekannte Volumenlokalisationsmethode mit einer
Single-Voxel-Technik ist dargestellt von Ordidge RJ,
Bendall MR, Gordon RE, Conelly A.: Volume selection for
in-vivo biological spectroscopy in dem Buch: Magnetic
Resonance in Biology and Medicine, Herausgeber: Govil,
Khetrapal and Saran, New Delhi, India, Tata McGraw-Hill
Publishing Co. Ltd., p. 387 (1985).
Die bekannten Single-Voxel-Techniken weisen gegenüber einer
spektroskopischen Bildgebung den Nachteil auf, dass eine
Untersuchung der räumlichen Verteilung von chemischen
Substanzen nur eingeschränkt möglich ist. Ein weiterer
Nachteil der bekannten Verfahren ist eine Begrenzung der
Signalunterdrückung außerhalb eines Zielvolumens durch
Imperfektionen der Schichtselektion, wobei eine geringe
Lipidunterdrückung erzielt wird und/oder wobei eine
Selektion lediglich von rechteckigen Zielvolumina möglich
ist.
Insbesondere bei kurzen Echozeiten ist es schwierig,
Störungen durch Signale von peripheren Lipiden, die eine
kurze Relaxationszeit T2 aufweisen, zu vermeiden.
Es ist bekannt, den Einfluss der Lipid-Verunreinigung durch
die Wahl von langen Echozeiten zu verringern.
Ausführungsbeispiele sind in den nachfolgenden Artikeln
genannt:
- - Frahm J, Bruhn H, Gyngell ML, Merboldt KD, Haenicke W, Sauter R. (1989): Localized high resolution proton NMR spectroscopy using stimulated echoes. Initial application to human brain in vivo. Magn. Reson. Med.: p. 79-93.
- - Frahm J, Bruhn H, Haenicke W, Merboldt KD, Mursch K, Markakais E. (1991): Localized proton NMR spectroscopy of brain tumors using short-echo time STEAM sequences. J. Comp. Assist. Tomogr., 15 (6), p. 915-922.
- - Moonen CTW, Sobering G, von Zijl PCM, Gillen J, von Kienlin M, Bizzi A. (1992): Proton spectroscopic imaging of human brain. J. Mange. Reson., 98 (3): p. 556-575.
Eine dreidimensionale spektroskopische Bildgebung mit
Lipidunterdrückung durch globale Inversion des Signals
unter Ausnutzung von Unterschieden der longitudinalen
Relaxation zwischen einzelnen chemischen Substanzen ist in
dem Artikel von Adalsteinsson, E., Irarrazabal, P.,
Spielman, DM., Macovski, A. (1995): Three-Dimensional
Spectroscopic Imaging with Time-Varying Gradients; Magn.
Reson. Med., 33: p. 461-466, beschrieben.
Eine verbesserte Wasser- und Lipidunterdrückung durch
spektral selektive Dephasierungspulse ist als BASING-
Technik bekannt. Eine Beschreibung der BASING-Technik
findet sich in Star-Lack J, Nelson SJ, Kurhanewicz J, Huang
R, Vigneron D. (1997): Improved water and lipid suppression
for 3D PRESS CSI using RF Band selective inversion with
gradient dephasing (BASING). Magn. Reson. Med. 38:
p. 311-321.
Das BASING-Verfahren beinhaltet einen frequenzselektiven
Refokussierungspuls in Verbindung mit unmittelbar vorher
und nachher geschalteten Gradientenpulsen mit
entgegengesetzten Vorzeichen, was zu einer Dephasierung
führt.
Durch funktionale Kernmagnetresonanz ist es möglich,
dynamische Veränderungen zu erfassen und hierdurch einen
zeitlichen Verlauf von Prozessen zu überwachen.
Bei funktionaler Kernmagnetresonanz-Bildgebung (functional
Magnetic Resonance Imaging - fMRI) werden Bilder erzeugt,
die lokale Veränderungen verdeutlichen.
Ferner ist bekannt, mit funktionaler Kernmagnetresonanz,
beziehungsweise mit funktionaler Kernmagnetresonanz-Bildgebung
eine neuronale Aktivierung zu untersuchen. Die
neuronale Aktivierung äußert sich in einer Zunahme des
Blutflusses in aktivierten Gehirnarealen, wobei es zu einer
Abnahme der Deoxyhämoglobinkonzentration kommt.
Deoxyhämoglobin (DOH) ist ein paramagnetischer Stoff,
welcher die Magnetfeldhomogenität verringert und damit die
Signalrelaxation beschleunigt. Oxyhämoglobin hat eine
magnetische Suszeptibilität, die im Wesentlichen der
Gewebestruktur im Gehirn entspricht, so dass magnetische
Feldgradienten über einer Grenze zwischen
oxyhämoglobinhaltigem Blut und dem Gewebe sehr klein sind.
Sinkt die DOH-Konzentration aufgrund einer einen
zunehmenden Blutfluss auslösenden Gehirnaktivität, so wird
die Signalrelaxation in den aktiven Arealen des Gehirns
verlangsamt. Angeregt werden in erster Linie die Protonen
des Wasserstoffes im Wasser. Eine Lokalisation von
Gehirnaktivität wird ermöglicht, indem eine Untersuchung
mit funktionalen NMR-Methoden angewendet wird, welche das
NMR-Signal mit einer Zeitverzögerung (Echo-Zeit) messen.
Dies wird auch als suszeptibilitätsempfindliche Messung
bezeichnet. Der biologische Wirkmechanismus ist in der
Literatur unter dem Namen BOLD-Effekt (Blood Oxygen Level
Dependent - Effekt) bekannt und führt bei
suszeptibilitätsempfindlichen magnetischen
Resonanzmessungen bei einer Feldstärke eines statischen,
beispielsweise 1,5 Tesla starken, Magnetfeldes, zu bis ca.
5%igen Schwankungen der Bildhelligkeit in aktivierten
Hirnregionen. Anstelle des endogenen Kontrastmittels DOH
können auch andere Kontrastmittel treten, die eine Änderung
in der Suszeptibilität hervorrufen. Auch hier ist eine
Unterdrückung von Lipidsignalen vorteilhaft. Dabei wird
vorzugsweise eine frequenzselektive Lipid-Vorsättigung
angewendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Auflösung der
aufgenommenen Bilder zu verbessern und einen Einfluss von
Störsignalen zu verringern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass
unmittelbar nach dem Anregungsimpuls mittels einer Echo-
Planar-Bildgebung die Relaxation als wenigstens ein
hochaufgelöstes Bild aufgenommen wird und dass anschließend
weitere Bilder mit einer geringeren Auflösung aufgenommen
werden.
Hierdurch ist es möglich, eine besonders große Anzahl von
niedriger aufgelösten Bildern aufzunehmen, beziehungsweise
den weiteren Bildern eine zwar geringere Auflösung als das
hochaufgelöste Bild, jedoch eine höhere Auflösung als es
für eine reine Erfassung zentraler Bereiche des k-Raums
erforderlich ist, zu gewinnen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden kürzere
Erfassungs-(Sampling)-Zeiten für einen T2*-Abfall
ermöglicht. Hierdurch ist eine schnellere Datenaufnahme
möglich.
Zur Erzielung einer höheren Auflösung ist es zweckmäßig,
dass das hochaufgelöste Bild als ein Referenzbild (REF<hi-res<)
aufgenommen wird und dass die weiteren Bilder mit
einer geringeren Auflösung (KEY<low-res<) und dass die
Auflösung der weiteren Bilder durch eine Verknüpfung mit
dem Referenzbild (REF<hi-res<) verbessert wird.
Eine weitere Erhöhung der Auflösung kann dadurch erzielt
werden, dass die Verknüpfung der weiteren Bilder mit dem
Referenzbild (REF<hi-res<) verbessert wird, indem sie im
Wesentlichen entsprechend der Formel
(REF<hi-res<) = (REF<hi-k<) + (REF<low-k<)
transformiert wird, wobei (REF<hi-k<) äußere Bereiche in
dem k-Raum wiedergibt und wobei (REF<low-k<) zentrale
Bereiche im k-Raum wiedergibt.
Es ist vorteilhaft, dass das hochaufgelöste Bild in einem
k-Raum einer größeren Matrix-Größe entspricht als die
niedriger aufgelösten Bilder.
Zu einer Rekonstruktion von hochaufgelösten Bildern aus den
niedrig aufgelösten Bildern ist es zweckmäßig, dass bei
wenigstens einigen der niedriger aufgelösten Bilder eine
Phasenkorrektur vorgenommen wird.
Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass die
Phasenkorrektur so vorgenommen wird, dass Diskontinuitäten
in Randbereichen von Messzeitintervallen korrigiert, werden.
Ferner ist es zweckmäßig, dass die niedriger aufgelösten
Bilder nach der Phasenkorrektur in rekonstruierte Bilder
transformiert werden.
Es ist besonders vorteilhaft, dass die rekonstruierten
Bilder so miteinander kombiniert werden, dass wenigstens
eine graphische Darstellung einer Relaxationszeit T2*
erstellt wird.
Ferner ist es zweckmäßig, dass die rekonstruierten Bilder
so miteinander verknüpft werden, dass ein
Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert wird.
Eine geeignete Methode, um Bilder aus Impulsdaten zu
gewinnen, ist eine Fourier-Transformation. Zu einer
Geschwindigkeitserhöhung eignet sich eine schnelle
Fourier-Transformation (Fast Fourier-Transformation - FFT).
Bei der erfindungsgemäßen Bildgebungsmethode handelt es
sich vorzugsweise um eine spektroskopische
Echo-Planar-Bildgebungsmethode, insbesondere um eine wiederholte
dreidimensionale (x, y, t) Echo-Planar-Bildgebungsmethode,
welche aus einer wiederholten Anwendung einer
zweidimensionalen Echo-Planar-Bildkodierung besteht. Eine
räumliche Kodierung erfolgt in einem möglichst kurzen
Zeitraum, welcher während eines Signalabfalls mehrfach
wiederholt wird und vorzugsweise 20 bis 100 ms beträgt.
Durch die mehrfache Wiederholung der Echo-Planar-Kodierung
während eines Signalabfalls wird ein Verlauf des
Signalabfalls in der Abfolge von rekonstruierten
Einzelbildern dargestellt.
Die erfindungsgemäße Echo-Planar-Bildgebung ist sehr
schnell. Daher eignet sie sich insbesondere für die
Erfassung funktionaler Bilder des gesamten Gehirns, bei der
sonst wesentlich größere Aquisitionszeiten erforderlich
sind. Bei einer Feldstärke von beispielsweise 1,5 T beträgt
die Zeit, die zur Aufnahme einer Schicht erforderlich ist,
etwa 100 ms, was bei einer vernünftigen Abdeckung des
gesamten Gehirns in beispielsweise 32 Schichten eine
gesamte Aufnahmezeit von etwa 4 sec. erfordert. Die
hämodynamische Antwortfunktion (Haemodynamic Response
Curve) sollte hingegen in einem Zeitraster erfasst werden,
das ausreicht, um eine gute Datenanpassung vorzunehmen.
Es ist möglich, durch eine mehrfache Wiederholung der
Messungen mit schrittweise versetzten Zeitverschiebungen zu
Ergebnissen zu gelangen, die Messungen mit einer kleineren
Rasterzeit entsprechen.
Obwohl diese Methode grundsätzlich anwendbar ist, ist sie
mit dem Nachteil verbunden, dass durch die mehrfache
Wiederholung der Messungen die gesamte Messzeit ansteigt
und dass Instabilitäten des zur Untersuchung der
kernmagnetischen Resonanz eingesetzten Scanners die Messung
beeinflussen. Eine zusätzliche räumliche Ungenauigkeit
entsteht dadurch, dass ein zu untersuchender Patient sich
bewegt.
Die Keyhole ("Schlüsselloch")-Bildgebungsmethode sieht vor,
ein Signal im reziproken k-Raum in zwei verschiedene
Bereiche zu separieren; erstens in einen Zentralbereich mit
kleinen räumlichen Frequenzen, der verantwortlich für die
Kontrastgebung in dem erzeugenden Bild ist und zweitens in
äußere Regionen des k-Raums, die hohe räumliche Frequenz
aufweisen und die wesentliche Information über die
räumliche Auflösung enthalten. Bei mehreren zeitlich
aufeinander folgenden Messungen, bei denen
Kontraständerungen untersucht werden, ist es vernünftig,
der Untersuchung nur den zentralen Bereich des k-Raums
zugrunde zu legen.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen.
Von den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 in vier Teilbildern - a, b, c und d k-Räume und
zugehörige Ortsräume und
Fig. 2 einen zeitlichen Verlauf einer Relaxationszeit
T2* mit einer Anregungssequenz und
Messzeitfenstern zu seiner Erfassung.
Eine Veranschaulichung dieser Methode ist in den vier
Teilbildern - a, b, c und d von Fig. 1 wiedergegeben.
In Fig. 1, Teilbild a, ist ein k-Raum dargestellt, der
durch eine Fourier-Transformation in einen realen Raum
überführt werden kann, der in Teilbild b dargestellt ist.
In Teilbild c sind nur 16 zentrale Linien des k-Raums
erfasst. Durch eine Fourier-Transformation entsteht das in
Teilbild d dargestellte niedrig aufgelöste Bild.
Um zu einer gewünschten höheren Ortsauflösung zu gelangen,
wird für die Keyhole-Methode zunächst ein hochaufgelöstes
Referenzbild (REF<hi-res<) aufgenommen. Dieses Bild wird
durch Auswertung der Daten eines gesamten k-Raums gewonnen.
Nachfolgend werden Keyhole-Bilder (KEY<low-res<)
aufgenommen. Die hochaufgelösten Bilder können formelmäßig
wie folgt dargestellt werden:
(REF<hi-res<) = (REF<hi-k<) + (REF<low-k<),
wobei (REF<hi-k<) äußere Bereiche in dem k-Raum wiedergibt
und wobei (REF<low-k<) zentrale Bereiche im k-Raum
wiedergibt.
Dynamische Bilder mit hoher Auflösung können gemäß der
nachfolgend dargestellten Formel gewonnen werden:
(DYN<hi-res<) = (REF<hi-k<) + (KEY<low-res<).
Hierdurch werden die dynamischen Bilder durch zentrale
Bereiche der einzelnen aufgenommenen Bilder erzeugt, wobei
periphere Bereiche des Referenzbildes zu einer
Ortsauflösung führen.
Bei dieser können jedoch Variationen zwischen verschiedenen
Bildern, beispielsweise im Signal-Rausch-Verhältnis (Signal
to Noise-Ratio - SNR), in der Amplitude und/oder in
Phasenvariationen entstehen. Diese Diskontinuitäten führen
zu Bildartefakten, die korrigiert werden sollen.
Eine besonders vorteilhafte Methode der Korrektur dieser
Artefakte ist nachfolgend dargestellt.
In Fig. 2 ist ein Sequenz-Diagramm dargestellt.
Im dargestellten Fall erfolgt eine Echo-Planar-Bildgebung
nach einem Anregungspuls, vorzugsweise einem 90°-Puls. Es
ist jedoch gleichfalls möglich, dass die Echo-Planar-Bildgebung
zeitlich zwischen zwei Anregungspulsen erfolgt.
Unmittelbar nach dem Anregungspuls, vorzugsweise einem
90°-Puls, wird die Relaxationszeit T2* aufgenommen.
Die erste Aufnahme erfolgt durch ein hochaufgelöstes Bild,
was eine größere Zeit erfordert.
Bei dem dargestellten zeitlichen Verlauf sind bevorzugte
zeitliche Erfassungsfenster separat markiert.
Unmittelbar nach dem Anregungspuls wird ein hochaufgelöstes
Bild HI-RES EPI aufgenommen.
Unmittelbar hiernach werden die einzelnen Messungen mit
einer Aufnahme von lediglich zentralen Bereichen des
k-Raums (Keyhole-Messungen) durchgeführt. Das
Größenverhältnis zwischen den Keyhole-Bereichen und
hochaufgelösten Bereichen ist variabel. Eine Rekonstruktion
der Keyhole-Bilder zur Erzeugung von vollaufgelösten
Bildern wird durch eine Phasen-Korrektur vorgenommen.
Hierzu eignet sich eine Vielzahl von Phasen-
Korrekturmethoden.
Dargestellt sind nachfolgend bevorzugte Durchführungsformen
eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur schnellen
spektroskopischen Metaboliten-Bildgebung mittels eines
Kernspin-Tomographen, bestehend aus einer volumenselektiven
Signalanregung (PRESS = Point RESolved Spectroscopy) mit
nachfolgender räumlich-spektraler Kodierung (EPSI = Echo
Planar Spectroscopic Imaging).
Bei der Magnetresonanzspektroskopie (MRS) entstehen
Schnittbilder mit einem vorgegebenen Raster von NY Zeilen
und NX Spalten (CSI = Chemical Shift Imaging). Bevorzugte
Verfahrensschritte sind nachfolgend dargestellt:
- 1. Zunächst werden die im interessierenden Volumen der Probe befindlichen, in Anwesenheit eines äußeren Magnetfeldes B0 = B0eZ polarisierten, resonanten Kernspins mittels geeigneter RF-Strahlung (RF = Radio Frequency) zur Signalgebung angeregt. Die durch die Kernspins insgesamt geformte Magnetisierung M besitzt danach eine messbare, zu B0 orthogonale Komponente MXY, die mit der Winkelgeschwindigkeit ω = -γB0 präzediert.
- 2. Anschließend erfolgt die räumliche Kodierung des Signals durch die kurzzeitige Anwendung magnetischer Feldgradienten G = ΔB0/Δr, deren Aufgabe es ist, das äußere Magnetfeld linear mit dem Ort r zu variieren. Die resonanten Kernspins präzedieren dadurch kurzzeitig mit einer zusätzlichen Kreisfrequenz Δω(r) = -γGr und senden nach Abschalten des Gradienten G ein phasenmoduliertes MR-Signal aus.
- 3. Dieses modulierte MR-Signal wird nun für eine genügend lange Zeit, d. h. in etwa so lange, bis MXY vollständig dephasiert ist, und in genügend kurzen Zeitabständen abgetastet.
- 4. Die Schritte 2 und 3 werden so oft wiederholt, wie das Schnittbild Rasterpunkte aufweisen soll, also (NY.NX)-mal. Bei jeder Wiederholung wird die Gradientenstärke G oder die Zeitdauer der Anwendung variiert, wie es für eine korrekte räumliche Kodierung notwendig ist.
- 5. Mittels eines Digitalrechners werden die so akquirierten Datenpunkte weiterverarbeitet und letztlich die Schnittbilder berechnet.
Für die Durchführung reichen jedoch auch einzelne der
genannten Schritte. Beispielsweise können bei Verzicht auf
eine ortsaufgelöste Kodierung der zweite und der vierte
Schritt entfallen. Es ergeben sich als Resultat jeweils
ortsaufgelöste Frequenzspektren, aus denen die relative
Konzentration einzelner chemischer Komponenten berechnet
werden kann. Diese sind deswegen unterscheidbar, weil das
effektive Magnetfeld am Ort eines Kerns und damit auch die
Präzessionsfrequenz des Kerns von seinem Muttermolekül
abhängen, welches das äußere Magnetfeld mehr oder weniger
stark abschirmt.
Am zweckmäßigsten werden für die Untersuchung von
biologischem Gewebe Protonen als resonante Kerne gewählt.
Dabei sollen die sehr starken Signale des Wassers und der
Lipide mit Konzentrationen im zweistelligen molaren Bereich
unterdrückt werden, um die interessanten
Stoffwechselprodukte (Metabolite) im millimolaren Bereich
zu detektieren. Das Signal der Wasserprotonen ist relativ
leicht zu unterdrücken, da dieses im Frequenzspektrum quasi
isoliert dasteht und deswegen durch geeignete RF-Strahlung
zunichte gemacht werden kann. Es gibt Kombinationen von
CHESS-Pulsen (CHESS = CHEmical Shift Selective), mit denen
sich Unterdrückungsfaktoren von bis zu 3000 erzielen
lassen.
Zur Reduktion der Messdauer um mehr als eine Größenordnung
bei ortsaufgelöster Spektroskopie läßt sich die
Phasenkodierung teilweise mit dem Auslesen des MR-Signals
verbinden. Der Vorteil liegt in einer um den Faktor NX
verkürzten Messdauer.
Nachdem diese Auslesung der Messdaten vollständig ist,
werden die Messdaten in geeigneter Weise uminterpretiert,
vorzugsweise als (kX,kY)-Schichten zu verschiedenen
Zeitpunkten t. Formal geschieht dies durch eine Umordnung
der Messdaten. Danach können die Daten mit den üblichen
Methoden der herkömmlichen spektroskopischen Bildgebung
weiterverarbeitet werden.
Die Koordinaten (kX, kY) sind lediglich beispielhaft
dargestellt. Der Fachmann kann für jede Untersuchung
geeignete (kX, kY) auswählen.
Claims (7)
1. Bildgebungsverfahren zur Untersuchung von Substanzen,
in denen durch indirekte Kernspin-Kernspin-Wechselwirkung
eine Präzession von wenigstens einigen
Kernspins mit einem zusätzlichen Phasenwinkel
Δϕ = -γrΔBzτ relativ zu einer bereits vorhandenen Präzession
in einem äußeren Magnetfeld erzeugt wird, so dass eine
Quermagnetisierung senkrecht zu dem äußeren Magnetfeld
auffächert, so dass eine Relaxation der
Quermagnetisierung mit einer Relaxationszeit T2*
erzeugt wird, dadurch
gekennzeichnet, dass unmittelbar
nach dem Anregungsimpuls mittels einer Echo-Planar-Bildgebung
die Relaxation als wenigstens ein
hochaufgelöstes Bild aufgenommen wird und dass
anschließend weitere Bilder mit einer geringeren
Auflösung aufgenommen werden.
2. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen
Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass das hochaufgelöste Bild in
einem k-Raum einer größeren Matrix-Größe entspricht
als die niedriger aufgelösten Bilder.
3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen
Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass bei wenigstens einigen der
niedriger aufgelösten Bilder eine Phasenkorrektur
vorgenommen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die
Phasenkorrektur so vorgenommen wird, dass
Diskontinuitäten in Randbereichen von
Messzeitintervallen korrigiert werden.
5. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 3 oder
4, dadurch gekenn
zeichnet, dass die niedriger aufgelösten
Bilder nach der Phasenkorrektur in rekonstruierte
Bilder transformiert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die
rekonstruierten Bilder so miteinander kombiniert
werden, dass wenigstens eine graphische Darstellung
einer Relaxationszeit T2* erstellt wird.
7. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 5 oder
6, dadurch gekenn
zeichnet, dass die rekonstruierten Bilder
so miteinander verknüpft werden, dass ein
Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert wird.
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