EP1080377A1 - Computer and method for evaluating nuclear magnetic resonance tomography data (turbo-pepsi) - Google Patents

Computer and method for evaluating nuclear magnetic resonance tomography data (turbo-pepsi)

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Publication number
EP1080377A1
EP1080377A1 EP99926256A EP99926256A EP1080377A1 EP 1080377 A1 EP1080377 A1 EP 1080377A1 EP 99926256 A EP99926256 A EP 99926256A EP 99926256 A EP99926256 A EP 99926256A EP 1080377 A1 EP1080377 A1 EP 1080377A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
computer
time
relaxation
signals
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99926256A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Stefan Posse
Valeri Kiselev
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP1080377A1 publication Critical patent/EP1080377A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/44Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
    • G01R33/48NMR imaging systems
    • G01R33/50NMR imaging systems based on the determination of relaxation times, e.g. T1 measurement by IR sequences; T2 measurement by multiple-echo sequences

Definitions

  • the invention relates to a computer for evaluating
  • Data from nuclear magnetic resonance tomography the data containing at least two different relaxation signals from a sample.
  • the invention further relates to a nuclear magnetic resonance tomograph and a method for evaluating data from nuclear magnetic resonance tomography, relaxation signals from at least two different states of a sample being determined.
  • DOH Deoxyhamoglobin
  • the neuronal activation manifests itself in an increase in blood flow in activated brain areas, whereby there is a decrease in blood Deoxyhamoglobm concentration comes.
  • Deoxyhamoglobin (DOH) is a paramagnetic substance that reduces magnetic field homogeneity and thus accelerates signal relaxation. If the DOH concentration drops due to brain activity that triggers blood flow, the signal relaxation is modulated in the active areas of the brain. The protons of hydrogen in water are primarily excited.
  • NMR imaging methods are used to select layers or volumes which, under the appropriate irradiation of high-frequency pulses and the application of magnetic gradient fields, provide a measurement signal which is digitized and stored in a two- or three-dimensional field in the measuring computer.
  • the desired image information is obtained (reconstructed) from the raw data recorded by a two- or three-dimensional Fou ⁇ er transformation.
  • a reconstructed slice image consists of pixels, a volume data set consists of voxels.
  • a pixel is a two-dimensional picture element, for example a square. The image is composed of the pixels.
  • a voxel is a three-dimensional volume element, for example a cuboid, which - due to measurement technology - does not have any sharp boundaries having.
  • the dimensions of a pixel are of the order of 1 mm ', those of a voxel of 1 mm 3 .
  • the geometries and dimensions can be variable.
  • a stimulus-specific neuronal activation can be detected and spatially localized.
  • An stimulus can be, for example, a somatosensory, acoustic, visual or olfactory stimulus as well as a mental or motor task.
  • the model function, or the model time series describes the expected signal change in the magnetic resonance signal as a result of neuronal activation. These can be derived, for example, from the paradigm of the respective experiment using empirical rules. It is important to consider a time delay of the model function compared to the paradigm (slow response of blood flow to neuronal activation).
  • brain activation can be represented by activation images obtained from nuclear tomography data.
  • the activation images can even be calculated and reproduced in real time, which means that a data record can be converted into an image before the next data record is measured.
  • the time interval is typically 1 to 3 seconds.
  • the invention has for its object to further develop the known methods in such a way that the highest possible signal-to-noise ratio is achieved.
  • this object is achieved by designing a generic computer in such a way that the computer works with at least one evaluation means which forms the difference signal from at least two different relaxation signals, the course of the difference signal over time being determined as a function U (t), that the computer works with at least one means for selecting two times, the times being selectable in such a way that the time interval between them is less than the temporal profile of the difference signal and that within the time interval t x between times ti and t 2 em quotient of the difference signal and one or more noise signals has a higher value than other time intervals and that the computer has a computing unit by which the value of the function U (t) is approximated within the time interval t x .
  • the invention provides to create a computer with which a fast spectroscopic imaging method can be implemented, the changes in the NMR signal relaxation with a
  • Time constant T 2 —- at several points in time after one
  • the spectroscopic imaging method is preferably a spectroscopic echo planar imaging method, in particular a repeated two-dimensional echo imaging method, which consists of a repeated application of a two-dimensional echo planar image coding. Spatial coding takes place in the shortest possible period of time, which is repeated several times during a signal drop and is preferably 20 to 100 ms.
  • Echo-planar coding during a signal drop is shown in the course of the signal drop in the sequence of reconstructed individual images.
  • the number of images which are encoded during the signal drop depends on the relaxation time and the encoding time ⁇ t for a single image.
  • Detecting sensitivity was found as a criterion for an optimal choice of the measurement time window as a function of the relaxation time constant, the coding time for a single image and the type of data post-processing.
  • the criterion consists in considering a difference signal between different relaxation states.
  • Fig. 5 shows a number of activated pixels with a
  • the table shows a summary of experimental sample data.
  • the invention provides in particular for detecting a difference signal at different times. These points in time lie within a time interval t_.
  • it is a difference signal between a relaxation curve in an excited state and a relaxation curve in a ground state.
  • An example is a difference signal (vertical axis) between a functional relaxation time change in the human brain in a selected image element in the visual cortex during visual stimulation as a function of the measurement time after signal excitation (horizontal axis) measured by means of fast spectroscopic imaging m Fig. 1.
  • This is a particularly simple case in which the
  • Difference signal by em difference signal from a relaxation signal during activation and a Relaxation signal is formed during an idle state.
  • difference signal is in no way limited to difference signals, but, like the term “difference function”, includes all cases in which differences between measurement curves are detected or evaluated.
  • T ⁇ (a) and T 2 * (b) are relaxation time constants in an activated state (a) and in a basic state (Baseline State - b) and where S 0 denotes an output signal intensity.
  • T- * denotes the relaxation time in the basic state
  • a preferred embodiment of the invention provides that it is assumed that the noise effects are so-called white, thermal noise with a mean value close to zero and a standard deviation ⁇ .
  • the invention proposes various preferred forms of implementation for the evaluation method in order to achieve an increased signal-to-noise ratio compared to a single point measurement.
  • a maximum contrast-to-noise ratio can be achieved if the measurements are made up to the time
  • the contrast-to-noise ratio is maximum and is according to the formula:
  • a weighting factor w (t N ) according to formula 15 is preferably used in formula 14.
  • the weighting factor w (t N ) is an expected relaxation rate in a sample to be examined. This is preferably the average relaxation rate in the sample examined.
  • the increase in the signal-to-noise ratio in the multi-point measurement takes a particularly high value of 1.4 em.
  • the measurement time is again preferably 3.2 T 2.
  • Another variant of the evaluation method is that an adaptation procedure (fit method) is carried out by adapting the relaxation curve to exponentially falling curves.
  • the index r assumes values from 1 to NR and means the number of repetitions of the relaxation measurements; the index n takes values from 1 to N and pays the number of echo signals during a relaxation measurement.
  • Another method is a fit method, as shown by the following formula:
  • CNR contrast-to-noise ratio
  • a correlation analysis is carried out for each individual echo signal over a plurality of relaxation measurements taking place successively in time.
  • the correlation analysis is carried out in a known manner, an implementation according to the article by Peter A. Vandettmi et al. in: Magnetic Reonance in Medecme, vol. 30, pp. 161-173, 1993, to which full reference is made, is particularly expedient.
  • An experimental check of the evaluation method according to the invention was carried out on the basis of nuclear magnetic resonance imaging examinations of the brains of test subjects.
  • a light source in particular a matrix of luminescent diodes (light emitting diode LED), was positioned in the immediate vicinity of the test subjects' faces and stimulated to produce signal flashes.
  • the excitation frequency is 8 Hz.
  • the action of the signal flashes takes place via a time interval of several seconds, for example 5 seconds, synchronized with a carrier signal of a scanner, which is followed by an approximately equally long idle interval.
  • the scanner is a Vision 1.5 Tesla total body scanner from Siemens Medical Systems, Erlangen, in standard equipment with a magnetic field gradient of 25 mT / m. Such a scanner is able to switch gradient fields within approximately 300 ⁇ s.
  • TURBO-PEPSI Proton-Echo-Planar-Spetroscopic-Imagmg was used as the spectroscopic imaging method.
  • Correlation coefficients of at least 0.7 m as a function of the number of averaged echo signals are shown.
  • the invention provides a computer for evaluating data from nuclear magnetic resonance tomography, a nuclear magnetic resonance tomograph equipped with the computer, and a method for evaluating data from nuclear magnetic resonance tomography.
  • the invention has a number of advantages. This includes optimizing the measurement sensitivity for a quantitative measurement of the relaxation time and the qualitative change in relaxation time. This makes it possible to use imaging with the highest possible bandwidth (shortest coding time) for the least possible spatial distortion and to achieve maximum measurement sensitivity by measuring an optimal number of codings after signal excitation.
  • the evaluation method can be used in real-time measurements and analyze the relaxation changes there.
  • evaluation methods according to the invention are particularly versatile. It has proven to be expedient to use a summation or, what is even more advantageous, a weighted summation, which can be done at a higher speed and without loss of sensitivity compared to curve fitting.
  • Summation or a weighted summation have the advantage that they represent a particularly robust evaluation method.
  • the measuring sensitivity especially with measuring field strengths of 0.1 Tesla to 15 Tesla, for example by selecting the number of echo signals as a function of the relaxation time, the number preferably being chosen according to formula 12.
  • TURBO-PEPSI measured functional signal ranged from 3 to 20% depending on the echo time, the location and the respective subject.
  • TE 72.5 ms
  • Correlation coefficients obtained than in measurements with shorter excitation times result - see FIGS. 4 and 5. It can be seen that a particularly high sensitivity is achieved by summing the first, preferably the first 6 to 10, in particular the first 8 echo signals corresponding to the plateau of the CNR curve m Fig. 2 can be achieved.
  • the sensitivity gain is particularly advantageous for real-time measurements, because a change in relaxation can be effectively determined even with a few measured values.
  • the invention is both in echo planar imaging (echo planar imaging EPI) and in phase-coded
  • Imaging methods as well as spectroscopic imaging methods can be used.
  • An increase in the sensitivity to measurement by about 40% to 140% according to the invention results in a significant increase in the sensitivity to measurement in a large number of application areas, for example in the cognitive or visual activation of the human brain.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

The invention relates to a computer for evaluating nuclear magnetic resonance tomography data, whereby the data contains at least two different relaxation signals of a sample. According to the invention, the computer is designed in such a way that it operates with at least one means of evaluation forming a differential signal from the at least two different relaxation signals, whereby a time characteristic of the differential signal is determined as a function U(t); the computer operates with at least one means of selecting two times, whereby the times can be selected in such a way that the interval ti between both times is shorter than the time characteristic of the differential system and a quotient from the differential signals and one or several noise signals within the interval ti between times t1 and t2 has a greater value in comparison with other time intervals; and the computer has a processing unit enabling approximation of the value of function U(t) within the time interval ti.

Description

Beschreibungdescription
COMPUTERUND VERFAHREN ZUMAUSWERTEN VON DATENAUS DER KERNMAGNETISCHEN RESONANZTOMOGRAPHIE (TURBO-PEPSI)COMPUTER AND METHOD FOR EVALUATING DATA FROM CORE MAGNETIC RESONANCE TOMOGRAPHY (TURBO-PEPSI)
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung betrifft einen Computer zur Auswertung vonThe invention relates to a computer for evaluating
Daten aus der kernmagnetischen Resonanztomographie, wobei die Daten wenigstens zwei verschiedene Relaxationssignale einer Probe enthalten.Data from nuclear magnetic resonance tomography, the data containing at least two different relaxation signals from a sample.
Die Erfindung betrifft ferner einen Kernresonanztomographen und ein Verfahren zum Auswerten von Daten aus der kernmagnetischen Resonanztomographie, wobei Relaxationssignale von wenigstens zwei verschiedenen Zustanden einer Probe ermittelt werden.The invention further relates to a nuclear magnetic resonance tomograph and a method for evaluating data from nuclear magnetic resonance tomography, relaxation signals from at least two different states of a sample being determined.
Die Kernresonanztomographie (Nuclear Magnetic Resonance - NMR) wird dazu eingesetzt, eine spektroskopische Information über eine Substanz zu erhalten. Eine Kombination der kernmagnetischen Resonanztomographie mit Techniken der Magnetresonanz-Bildgebung (Magnetic Resonance Imagmg -MRI) - Technik ergibt ein räumliches Bild der chemischen Zusammensetzung der Substanz.Nuclear magnetic resonance (NMR) is used to obtain spectroscopic information about a substance. A combination of nuclear magnetic resonance imaging with techniques of magnetic resonance imaging (Magnetic Resonance Imagmg -MRI) technology gives a spatial picture of the chemical composition of the substance.
Stand der TechnikState of the art
Insbesondere in der medizinischen Forschung besteht ein Bedürfnis, Informationen über die Gehirnaktivitat oder im weiteren Sinne Informationen über Blutfluß oder Deoxyhamoglobmkonzentrationsanderungen in tierischen und menschlichen Organen zu erlangen. Die neuronale Aktivierung äußert sich m einer Zunahme des Blutflusses m aktivierten Gehirnarealen, wobei es zu einer Abnahme der Blut- Deoxyhamoglobmkonzentration kommt. Deoxyhamoglobin (DOH) ist ein paramagnetischer Stoff, welcher die Magnetfeldhomogenitat verringert und damit die Signalrelaxation beschleunigt. Sinkt die DOH-Konzentration aufgrund einer einen Blutfluß auslosenden Gehirnaktivitat, so wird die Signalrelaxation m den aktiven Arealen des Gehirns moduliert. Angeregt werden in erster Linie die Protonen des Wasserstoffes im Wasser. Eine Lokalisation von Gehirnaktivitat wird ermöglicht, indem eine Untersuchung mit funktionalen NMR-Methoden angewendet wird, welche das NMR-Signal mit einer Zeitverzogerung (Echo-Zeit) messen. Dies wird auch als suszeptibilitatsempfindl che Messung bezeichnet. Der biologische Wirkmechanismus ist in der Literatur unter dem Namen BOLD-Effekt (Blood Oxygen Level Dependent - Effekt) bekannt und fuhrt bei suszeptibilitatsempfmdlichen magnetischen Resonanzmessungen bei einer Feldstarke eines statischen Magnetfeldes von zum Beispiel 1,5 Tesla bis zu ca. 10%ιgen Schwankungen der Bildhelligkeit in aktivierten Hirnregionen. Anstelle des endogenen Kontrastmittels DOH können auch andere Kontrastmittel treten, die eine Änderung in derIn medical research in particular there is a need to obtain information about brain activity or, in a broader sense, information about blood flow or changes in deoxyhamoglobin concentrations in animal and human organs. The neuronal activation manifests itself in an increase in blood flow in activated brain areas, whereby there is a decrease in blood Deoxyhamoglobm concentration comes. Deoxyhamoglobin (DOH) is a paramagnetic substance that reduces magnetic field homogeneity and thus accelerates signal relaxation. If the DOH concentration drops due to brain activity that triggers blood flow, the signal relaxation is modulated in the active areas of the brain. The protons of hydrogen in water are primarily excited. Localization of brain activity is made possible by using an investigation using functional NMR methods that measure the NMR signal with a time delay (echo time). This is also known as susceptibility-sensitive measurement. The biological mechanism of action is known in the literature under the name BOLD effect (Blood Oxygen Level Dependent - Effect) and leads to susceptibility-sensitive magnetic resonance measurements with a field strength of a static magnetic field of, for example, 1.5 Tesla up to approx. 10% fluctuations in the Image brightness in activated brain regions. Instead of the endogenous contrast agent DOH, other contrast agents can also occur, which cause a change in the
Suszeptibilitat hervorrufen. Durch NMR-Bildgebungsmethoden werden Schichten oder Volumina selektiert, die unter dem geeigneten Einstrahlen von Hochfrequenzimpulsen und dem Anlegen von magnetischen Gradientenfeidern ein Meßsignal liefern, welches digitalisiert und in einem zwei- oder dreidimensionalen Feld im Meßcomputer gespeichert wird.Cause susceptibility. NMR imaging methods are used to select layers or volumes which, under the appropriate irradiation of high-frequency pulses and the application of magnetic gradient fields, provide a measurement signal which is digitized and stored in a two- or three-dimensional field in the measuring computer.
Aus den aufgenommenen Rohdaten wird durch eine zwei- oder dreidimensionale Fouπer-Transformation die gewünschte Bildinformation gewonnen (rekonstruiert).The desired image information is obtained (reconstructed) from the raw data recorded by a two- or three-dimensional Fouπer transformation.
Ein rekonstruiertes Schichtbild besteht aus Pixeln, ein Volumendatensatz aus Voxeln. Ein Pixel ist ein zweidimensionales Bildelement, beispielsweise ein Quadrat. Das Bild ist aus den Pixeln zusammengesetzt. Ein Voxel ist e n dreidimensionales Volumenelement, beispielsweise ein Quader, der - meßtechnisch bedingt - keine scharfen Grenzen aufweist. Die Abmessungen eines Pixels liegen in der Größenordnung von 1mm', die eines Voxels von 1mm3. Die Geometrien und Ausdehnungen können variabel sein.A reconstructed slice image consists of pixels, a volume data set consists of voxels. A pixel is a two-dimensional picture element, for example a square. The image is composed of the pixels. A voxel is a three-dimensional volume element, for example a cuboid, which - due to measurement technology - does not have any sharp boundaries having. The dimensions of a pixel are of the order of 1 mm ', those of a voxel of 1 mm 3 . The geometries and dimensions can be variable.
Da aus experimentellen Gründen bei Schichtbildern niemals von einer streng zweidimensionalen Ebene ausgegangen werden kann, wird häufig auch hier der Begriff Voxel (= Volume element = Volumenelement) verwendet, welcher berücksichtigt, daß die Bildebenen eine Eindringtiefe m die dritte Dimension haben.Since a strictly two-dimensional level can never be assumed for layer images for experimental reasons, the term voxel (= volume element) is often used here, which takes into account that the image planes have a penetration depth m of the third dimension.
Durch Vergleich des gemessenen Signalverlaufs in jedem Pixel mit dem zeitlichen Verlauf einer Modellfunktion, kann eine Stimulus-spezifische neuronale Aktivierung detektiert und raumlich lokalisiert werden. Em Stimulus kann zum Beispiel em somatosensorischer, akustischer, visueller oder olfaktorischer Reiz sowie eine mentale oder motorische Aufgabe sein. Die Modellfunktion, beziehungsweise die Modell- Zeitreihe, beschreibt die erwartete Signalanderung des magnetischen Resonanzsignals infolge neuronaler Aktivierung. Diese können zum Beispiel mittels empirischer Regeln aus dem Paradigma des jeweiligen Experiments abgeleitet werden. Wesentlich ist es, eine zeitliche Verzögerung der Modellfunktion gegenüber dem Paradigma zu berücksichtigen (trage Reaktion des Blutflusses auf neuronale Aktivierung) .By comparing the measured signal curve in each pixel with the time curve of a model function, a stimulus-specific neuronal activation can be detected and spatially localized. An stimulus can be, for example, a somatosensory, acoustic, visual or olfactory stimulus as well as a mental or motor task. The model function, or the model time series, describes the expected signal change in the magnetic resonance signal as a result of neuronal activation. These can be derived, for example, from the paradigm of the respective experiment using empirical rules. It is important to consider a time delay of the model function compared to the paradigm (slow response of blood flow to neuronal activation).
Es ist bereits bekannt, wie Gehirnaktivierung durch Aktivierungsbilder dargestellt werden kann, die aus kernsp tomographischen Daten gewonnen wurden. Die Berechnung und Wiedergabe der Aktivierungsbilder ist sogar in Echtzeit möglich, das heißt, em Datensatz kann in em Bild umgesetzt werden, bevor der nächste Datensatz gemessen wird. Der zeitliche Abstand betragt dabei typischerweise 1 bis 3 Sekunden .It is already known how brain activation can be represented by activation images obtained from nuclear tomography data. The activation images can even be calculated and reproduced in real time, which means that a data record can be converted into an image before the next data record is measured. The time interval is typically 1 to 3 seconds.
Eine derartige Berechnung und Wiedergabe derSuch a calculation and reproduction of the
Aktivierungsbilder in Echtzeit ist m der US-Patentschrift 5 657 758 beschrieben. Dieses Verfahren zeichnet sich daαurch aus, daß es eine hohe zeitliche und räumliche Auflosung ermöglicht .Real time activation images are described in U.S. Patent No. 5,657,758. This method is characterized by from that it enables a high temporal and spatial resolution.
Eine schnelle Magnetresonanz-Bildgebung (Magnetic Resonance Imagmg - MRI) und Magnetresonanzspektroskopie (Magnetic Resonance Spectroscopy - MRS) machen es möglich, Veränderungen in regionalen Blutvolumina und Blutzustanden aktivitatsabhangig vivo in Abhängigkeit von einer Anregung zu untersuchen, siehe: S. Posse et. al.: Functional Magnetic Resonance Studies of Brain Activation; Seminars in Clmical Neuropsychiatry, Vol. 1, No 1, 1996; S. 76-88.Fast magnetic resonance imaging (MRI) and magnetic resonance spectroscopy (MRS) make it possible to investigate changes in regional blood volumes and blood states depending on an activity in vivo depending on an excitation, see: S. Posse et. al .: Functional Magnetic Resonance Studies of Brain Activation; Seminars in Clmical Neuropsychiatry, Vol. 1, No 1, 1996; Pp. 76-88.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren dahingehend weiter zu entwickeln, daß em möglichst hohes Signal-Rauschverhaltnis erzielt wird.The invention has for its object to further develop the known methods in such a way that the highest possible signal-to-noise ratio is achieved.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Erfmdungsgemaß wird diese Aufgabe dadurch gelost, daß e gattungsgemaßer Computer so ausgestaltet wird, daß der Computer mit wenigstens einem Auswertemittel arbeitet, das em Unterschiedssignal aus wenigstens zwei verschiedenen Relaxationssignalen bildet, wobei em zeitlicher Verlauf des Unterschiedssignals als eine Funktion U(t) ermittelt wird, daß der Computer mit wenigstens einem Mittel zur Auswahl von zwei Zeiten arbeitet, wobei die Zeiten so auswahlbar sind, daß das zwischen ihnen liegende Zeitmtervall geringer ist als der zeitliche Verlauf des Unterschieαssignals und daß innerhalb des zwischen den Zeiten ti und t2 liegenden Zeitintervalls tx em Quotient aus dem Unterschiedssignal und einem oder mehreren Rauschsignalen einen gegenüber anderen Zeitmtervallen erhöhten Wert hat und daß der Computer eine Recheneinheit aufweist, durch welche der Wert der Funktion U(t) innerhalb des Zeitintervalls tx approximiert wird. Die Erfindung sieht vor, einen Computer zu schaffen, mit dem eine schnelle spektroskopische Bildgebungsmethode realisiert wird, die Änderungen der NMR-Signalrelaxation mit einerAccording to the invention, this object is achieved by designing a generic computer in such a way that the computer works with at least one evaluation means which forms the difference signal from at least two different relaxation signals, the course of the difference signal over time being determined as a function U (t), that the computer works with at least one means for selecting two times, the times being selectable in such a way that the time interval between them is less than the temporal profile of the difference signal and that within the time interval t x between times ti and t 2 em quotient of the difference signal and one or more noise signals has a higher value than other time intervals and that the computer has a computing unit by which the value of the function U (t) is approximated within the time interval t x . The invention provides to create a computer with which a fast spectroscopic imaging method can be implemented, the changes in the NMR signal relaxation with a
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Zeitkonstante T2 = —- an mehreren Zeitpunkten nach einerTime constant T 2 = —- at several points in time after one
Anregung ermittelt.Suggestion determined.
Bei der spektroskopischen Bildgebungsmethode handelt es sich vorzugsweise um eine spektroskopische Echo-Planar- Bildgebungsmethode, insbesondere um eine wiederholte zweidimensionale Echo-Bildgebungsmethode, welche aus einer wiederholten Anwendung einer zweidimensionalen Echo-Planar- Bildkodierung besteht. Eine raumliche Kodierung erfolgt m einem möglichst kurzen Zeitraum, welcher wahrend eines Signalabfalls mehrfach wiederholt wird und vorzugsweise 20 bis 100 ms betragt. Durch die mehrfache Wiederholung derThe spectroscopic imaging method is preferably a spectroscopic echo planar imaging method, in particular a repeated two-dimensional echo imaging method, which consists of a repeated application of a two-dimensional echo planar image coding. Spatial coding takes place in the shortest possible period of time, which is repeated several times during a signal drop and is preferably 20 to 100 ms. By repeating the
Echo-Planar-Kodierung wahrend eines Signalabfalls wird em Verlauf des Signalabfalls der Abfolge von rekonstruierten Einzelbildern dargestellt.Echo-planar coding during a signal drop is shown in the course of the signal drop in the sequence of reconstructed individual images.
Eine Implementierung dieser besonders vorteilhaften erfmdungsgemaßen Methode wird als TURBO-PEPSI bezeichnet., wobei PEPSI für Proton-Echo-Planar-Spectroscopic-Imag g steht. Eine zweckmäßige konventionelle Echo-Planar-Methode wird hingegen als EPI (Echo-Planar-Imagmg) bezeichnet.An implementation of this particularly advantageous method according to the invention is referred to as TURBO-PEPSI, where PEPSI stands for Proton-Echo-Planar-Spectroscopic-Imag g. An expedient conventional echo planar method, however, is referred to as EPI (Echo Planar Imagmg).
Die Anzahl der Bilder, welche wahrend des Signalabfalls kodiert werden, ist abhangig von der Relaxationszeit unα der Kodierungszeit Δt für em Einzelbild.The number of images which are encoded during the signal drop depends on the relaxation time and the encoding time Δt for a single image.
Um Änderungen der Relaxation mit höchstmöglicherTo change the relaxation with the highest possible
Empfindlichkeit zu detektieren, wurde em Kriterium für eine optimale Wahl des Meßzeitfensters in Abhängigkeit von αer Relaxationszeitkonstanten, von der Kodierungszeit für em Einzelbild und von der Art der Datennachverarbeitung gefunden. Das Kriterium besteht in der Betrachtung eines Unterschiedssignais zwischen verschiedenen Relaxationszustanden.Detecting sensitivity was found as a criterion for an optimal choice of the measurement time window as a function of the relaxation time constant, the coding time for a single image and the type of data post-processing. The criterion consists in considering a difference signal between different relaxation states.
Das Unterschiedssignal hat em zeitliches Maximum, welches bei kleinen Relaxationsanderungen nah der mittleren Relaxationszeit liegt.The difference signal has a maximum in time, which is close to the mean relaxation time for small relaxation changes.
Bevorzugte Auswertemethoden, weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung anhand von Beispielsrechnungen, Zeichnungen und einer Tabelle.Preferred evaluation methods, further advantages, special features and expedient further developments of the invention result from the following illustration of preferred exemplary embodiments of the invention on the basis of example calculations, drawings and a table.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Von den Zeichnungen zeigt:From the drawings shows:
Fig. 1 em experimentelles Unterschiedssignal einer funktionalen Relaxationszeitanderung m einem ausgewählten Bildelement Abhängigkeit von der Meßzeit nach einer Signalanregung,1 shows an experimental difference signal of a functional relaxation time change in a selected picture element as a function of the measuring time after signal excitation,
Fig. 2 eine relative, skalierte Erhöhung des Kontrast- Rausch-Verhältnis CNRN gegenüber dem Kontrast-2 shows a relative, scaled increase in the contrast-noise ratio CNR N compared to the contrast
Rausch-Verhaltnis CNRi einer Einzelmessung für verschiedene Auswertemethoden m Abhängigkeit von den Messungen,Noise ratio CNRi of a single measurement for different evaluation methods depending on the measurements,
Fig. 3 in einem ersten Teilbild A eine Detektion vonFig. 3 in a first partial image A, a detection of
Hirnaktivierung in vier Schritten mittels einer konventionellen Bildgebungsmethode und in Teilbild B eine Detektion von Hirnaktivierung mit Hilfe eines erfmdungsgemaßen Verfahrens,Brain activation in four steps using a conventional imaging method and in partial image B a detection of brain activation using a method according to the invention,
Fig. 4 einen mittleren Korrelationskoefflzienten in einem aktivierten Hirnareal, insbesondere im visuellen Kortex, für TURBO-PEPSI in Abhängigkeit von dem Bereich der summierten Echosignale und für das T2 *- Bild, das von den TURBO-PEPSI Daten erhalten wurde sowie einen Vergleich mit einer konventionellen Echo-Planar- (EPI) -Methode,4 shows a mean correlation coefficient in an activated brain area, in particular in the visual one Cortex, for TURBO-PEPSI depending on the range of the summed echo signals and for the T 2 * image obtained from the TURBO-PEPSI data and a comparison with a conventional echo planar (EPI) method,
Fig. 5 eine Anzahl von aktivierten Pixeln mit einemFig. 5 shows a number of activated pixels with a
Korrelationskoefflzienten r von wenigstens 0,7 im visuellen Kortex für TURBO-PEPSI als Funktion des Bereichs der summierten Echo-Signale und für dasCorrelation coefficients r mi of at least 0.7 in the visual cortex for TURBO-PEPSI as a function of the range of the summed echo signals and for that
T2 *-Bιld, das von den TURBO-PEPSI Daten erhalten wurde sowie einen Vergleich m t einer konventionellen Echo-Planar- (EPI) -Methode .T 2 * image obtained from the TURBO-PEPSI data and a comparison with a conventional echo planar (EPI) method.
Die Tabelle zeigt eine Zusammenfassung von experimentellen Beispieldaten.The table shows a summary of experimental sample data.
Bester Weg zur Ausfuhrung der ErfindungBest way to carry out the invention
Die Erfindung sieht insbesondere vor, em Unterschiedssignal zu verschiedenen Zeitpunkten zu detekt eren. Diese Zeitpunkte liegen innerhalb eines Zeitintervalls t_.The invention provides in particular for detecting a difference signal at different times. These points in time lie within a time interval t_.
Insbesondere handelt es sich um em Unterschiedssignal zwischen einer Relaxationskurve in einem angeregten Zustand und einer Relaxationskurve in einem Grundzustand.In particular, it is a difference signal between a relaxation curve in an excited state and a relaxation curve in a ground state.
Beispielhaft ist em Unterschiedssignal (vertikale Achse) zwischen einer funktionalen Relaxationzeitanderung im menschlichen Gehirn m einem ausgewählten Bildelement im visuellen Kortex wahrend einer visuellen Stimulation in Abhängigkeit von der Meßzeit nach Signalanregung (horizontale Achse) gemessen mittels schneller spektroskopischer Bildgebung m Fig. 1 dargestellt. Hierbei handelt es sicn um einen besonders einfachen Fall, bei dem dasAn example is a difference signal (vertical axis) between a functional relaxation time change in the human brain in a selected image element in the visual cortex during visual stimulation as a function of the measurement time after signal excitation (horizontal axis) measured by means of fast spectroscopic imaging m Fig. 1. This is a particularly simple case in which the
Unterschiedssignal durch em Differenzsignal aus einem Relaxationssignal wahrend einer Aktivierung unα einem Relaxationssignal wahrend eines Ruhezustands gebildet wird. Der Begriff „Unterschiedssignal" ist jedoch in keiner Weise auf Differenzsignale beschrankt, sondern beinhaltet ebenso wie der Begriff „Unterschiedsfunktion" alle Falle, in denen Unterschiede zwischen Meßkurven erfaßt oder ausgewertet werden.Difference signal by em difference signal from a relaxation signal during activation and a Relaxation signal is formed during an idle state. However, the term “difference signal” is in no way limited to difference signals, but, like the term “difference function”, includes all cases in which differences between measurement curves are detected or evaluated.
Unter αer Annahme eines exponentiellen Abfalls der Relaxationskurven ergibt sich für das in Fig. 1 dargestellte Unterscniedssignal ΔS ( ) :Assuming an exponential drop in the relaxation curves, the difference signal ΔS () shown in FIG. 1 results in:
AS(t) = S0 (e-"r {a) - e~"τ^b<>) (1) AS (t) = S 0 (e- " r {a) - e ~ " τ ^ b <> ) (1)
wobei T^(a) und T2 *(b) Relaxationszeitkonstanten in einem aktivierten Zustand (a) und in einem Grundzustand (Baseline State - b) sind und wobei S0 eine Ausgangssignalmtensitat bezeichnet .where T ^ (a) and T 2 * (b) are relaxation time constants in an activated state (a) and in a basic state (Baseline State - b) and where S 0 denotes an output signal intensity.
Unter der Annahme einer geringen Änderung der Relaxationszeit ΔT2* ist die Signaldifferenz ΔS(t):Assuming a slight change in the relaxation time ΔT 2 *, the signal difference ΔS (t) is:
(2)(2)
wobei T-* die Relaxationszeit im Basiszustand bezeichnetwhere T- * denotes the relaxation time in the basic state
Es entsteht eine im wesentlichen glockenförmige Kurve, die em Maximum bei t=T2 " hat. Bei einer bevorzugten Meßfelαstarke von ungefähr 1,5 Tesla nimmt t einen typischen Wert von ungefähr 70 ms em.An essentially bell-shaped curve arises, which has a maximum at t = T 2 " . With a preferred measuring field strength of approximately 1.5 Tesla, t takes a typical value of approximately 70 ms em.
Das Maximum betragt:The maximum is:
(3) (3)
Eine bevorzugte Ausfuhrungsform der Erfindung sieht vor, davon auszugehen, daß es sich bei den Rauscheffekten um em sogenanntes weißes, thermisches Rauschen mit einem nahe Null liegendem Mittelwert und einer Standardabweichung σ handelt.A preferred embodiment of the invention provides that it is assumed that the noise effects are so-called white, thermal noise with a mean value close to zero and a standard deviation σ.
Die Erfindung schlagt verschiedene bevorzugte Durchfuhrungsformen für das Auswerteverfahren vor, um gegenüber einer Einzelpunktmessung em erhöhtes Signal- Rausch-Verhaltnis zu erzielen. Wahrend bei einer Emzelmessung das Kontrast-Rausch-Verhaltnis (Contrast Noise Ratio CNR) der FormelThe invention proposes various preferred forms of implementation for the evaluation method in order to achieve an increased signal-to-noise ratio compared to a single point measurement. During an Emzel measurement, the contrast-to-noise ratio (CNR) of the formula
entspricht, kann bei den erfmdungsgemaßencorresponds, can with the inventions
Durchfuhrungsformen des Auswerteverfahrens em erhöhtes Kontrast-Rausch-Verhaltnis erzielt werden.Implementation of the evaluation method with an increased contrast-to-noise ratio can be achieved.
Eine erste Ausfuhrungsform eines erf dungsgemaßen Auswerteverfahrens sieht vor, für N Zeitpunkte den gemessenen Effekt zu summieren und em Durchschnittssignal zu bilden. Das Durchschnittssignal ergibt e gutes Maß für S0T2 *. Unter der Annahme von aquidistanten Meßintervallen Δt für jede einzelne Meßwertaufnahme und gleiche Rauschstarke in jedem Punkt gilt für das aufsummierte Signal (t =ι X Δt) :A first embodiment of an evaluation method according to the invention provides for the measured effect to be summed for N times and to form an average signal. The average signal gives a good measure of S 0 T 2 * . Assuming constant measuring intervals Δt for each individual measured value recording and the same noise level in every point, the following applies to the summed signal (t = ι X Δt):
(5) (5)
wobei die Ungleichungen Δt<<T2 (6) und N>> 1 (7) benutzt werden .using the inequalities Δt << T 2 (6) and N >> 1 (7).
Eine vergleichsweise geringe Änderung in T2, wie sie beispielsweise bei einer Blutoxidation (BOLD-Effekt / Blood Oxygen Level Dependent - Effekt) auftritt, äußert sich in dem nachfolgend wiedergegebenen Kontrast C:A comparatively small change in T 2 , as occurs, for example, in the case of blood oxidation (BOLD effect / Blood Oxygen Level Dependent effect), is expressed in the contrast C reproduced below:
1010
(8)(8th)
15 wobei x wie folgt definiert wird:15 where x is defined as follows:
NAtNAt
XX
TT
2020th
(9)(9)
Die Rauscheffekte in dem aufsummierten Signal nach Formel haben die Standardabweichung:The noise effects in the summed signal according to the formula have the standard deviation:
25 25th
Das Kontrast-Rausch-Verhältnis ergibt sich wie folgtThe contrast-to-noise ratio is as follows
**
1 - (x + l)e -x1 - (x + l) e -x
3 3 0 0 CNR NT = -g2σ Ti ' A λt (ii) 3 3 0 0 CNR N T = -g2σ Ti 'A λ t (ii)
Wie sich beispielsweise aus Fig. 2 ergibt, hat das Kontrast- Rausch-Verhältnis bei x = 3.2 ein Maximum. In Fig. 2 ist das Kontrast-Rausch-Verhaltnis CNR m Abhängigkeit von der Lange der Meßzeit nach Signalanregung Tmax, der Relaxationsrate R2 = 1/T2 * und einer Kodierzeit Δt für verschiedene Datenauswertungsverfahren: Summierung der Einzelmessungen (Summation) , exponentiell gewichtete Summation (Exponentially Weighted Summation) , optimal gewichtete Summierung (Weighted Summation, Weighted Filter) sowie für eine Kurvenanpassung (Fittmg) dargestellt.As can be seen, for example, from FIG. 2, the contrast-to-noise ratio has a maximum at x = 3.2. In Fig. 2 that is Contrast-to-noise ratio CNR m as a function of the length of the measurement time after signal excitation T max , the relaxation rate R2 = 1 / T 2 * and a coding time Δt for various data evaluation methods: summation of the individual measurements (summation), exponentially weighted summation (exponentially weighted summation) , optimally weighted summation (weighted filter, weighted filter) and for curve fitting (fitting).
Em maximales Kontrast-Rausch-Verhaltnis laßt sich erzielen, wenn die Messungen bis zu der ZeitA maximum contrast-to-noise ratio can be achieved if the measurements are made up to the time
Tmax = NΔt= 3.2T2 * (12) durchgeführt werden.T max = NΔt = 3.2T 2 * (12).
Für em entsprechend gewähltes N ist das Kontrast-Rausch- Verhaltnis maximal und betragt gemäß der Formel:For an appropriately chosen N, the contrast-to-noise ratio is maximum and is according to the formula:
maximal 0,46.maximum 0.46.
Zu einer weiteren Erhöhung des Kontrast-Rausch-Verhalt isses ist es zweckmäßig, eine gewichtete Summation des Signals gemäß Gleichung 14 vorzunehmen.To further increase the contrast-to-noise behavior, it is expedient to carry out a weighted summation of the signal according to equation 14.
Vorzugsweise wird in Formel 14 em Wichtungsfaktor w(tN) gemäß Formel 15 eingesetzt.A weighting factor w (t N ) according to formula 15 is preferably used in formula 14.
w(tn) = R2tn - e n d5) Hierbei geht in den Wichtungsfaktor w(tN) eine erwartete Relaxationsrate in einer zu untersuchenden Probe em. Dabei handelt es sich vorzugsweise um die mittlere Relaxationsrate in der untersuchten Probe.w (t n ) = R2t n - e n d 5) The weighting factor w (t N ) is an expected relaxation rate in a sample to be examined. This is preferably the average relaxation rate in the sample examined.
Für das Kontrast-Rausch-Verhaltnis ergibt sich die nachfolgende Formel:The following formula results for the contrast-to-noise ratio:
Bei dieser Variante des erfmdungsgemaßen Auswerteverfahrens nimmt die Erhöhung des Signal-Rausch-Verhaltnises bei der Mehrpunktmessung einen besonders hohen Wert von 1,4 em. Die Meßzeit betragt wiederum vorzugsweise 3.2 T2 Durch eine derartige gewichtete Summation ist es somit möglich, em noch besseres Resultat für das Kontrast-Verhältnis zu erzielen als bei einer konventionellen Summation.In this variant of the evaluation method according to the invention, the increase in the signal-to-noise ratio in the multi-point measurement takes a particularly high value of 1.4 em. The measurement time is again preferably 3.2 T 2. With such a weighted summation, it is thus possible to achieve an even better result for the contrast ratio than with a conventional summation.
Eine weitere Variante des Auswerteverfahrens Desteht darin, daß eine Anpassungsprozedur (Fit-Verfahren) durch Anpassung der Relaxationskurve an exponentiell abfallende Kurven vorgenommen wird.Another variant of the evaluation method is that an adaptation procedure (fit method) is carried out by adapting the relaxation curve to exponentially falling curves.
Nachfolgend wird die Vorteilhaftigkeit der erfmdungsgemaßen Auswertemethode anhand einer Betrachtung zur Theorie der Rauscheffekte und anhand von Experimenten dargestellt.The advantage of the evaluation method according to the invention is shown below on the basis of a consideration of the theory of noise effects and on the basis of experiments.
Das Gesamtsignal Sr(tn) ergibt sich wie folgt:The total signal S r (t n ) results as follows:
-R2ß-R2ß
Hierbei bezeichnet sQe n das reine Signal, gr(tn) ein weißes Rauschen und hr(tn) einen Einfluß von physiologischen Storsignalen der zu untersuchenden Probe, wobei es sich vorzugsweise um Signale mit einer niedrigen Frequenz handelt.Here s Q e n denotes the pure signal, g r (t n ) a white noise and h r (t n ) an influence of physiological Disturbance signals of the sample to be examined, which are preferably signals with a low frequency.
Der Index r nimmt dabei Werte von 1 bis NR an und bedeutet die Anzahl der Wiederholungen der Relaxationsmessungen; der Index n nimmt Werte von 1 bis N an und zahlt die Anzahl der Echosignale wahrend einer Relaxationsmessung.The index r assumes values from 1 to NR and means the number of repetitions of the relaxation measurements; the index n takes values from 1 to N and pays the number of echo signals during a relaxation measurement.
Um aus diesem gemessenen Signal eine Änderung der Relaxation Abhängigkeit von einer Gehirnaktivierung zu extrahieren, sind verschiedene, anhand der nachfolgenden Formeln erläuterte, Ansätze möglich:In order to extract a change in the relaxation dependency on a brain activation from this measured signal, various approaches, explained using the following formulas, are possible:
Bei einer Summation über die Echosignale ergibt sichA summation over the echo signals results in
wahrend sich bei einer gewichteten Summation die Formelwhile the formula is based on a weighted summation
ergibt, wobei giltresults, where applies
-R2-t w(tn) - R2tn - e 77-R2-t w (t n ) - R2t n - e 77
(20)(20)
Em weiteres Verfahren ist em Fit-Verfahren, wie es anhand der nachfolgenden Formel dargestellt ist:Another method is a fit method, as shown by the following formula:
Wie bei den allgemeinen Überlegungen kann auch hier davon ausgegangen werden, daß der Mittelwert des weißen Rauschens gleich Null ist oder nahe Null liegt. Das Kontrast-Rausch- Verhaltnis (Contrast-to-Noise Ratio-CNR) ergibt sich aus ΔS dividiert durch das Gesamtrauschen. Im Anschluß erfolgt eine Ermittlung des Unterschiedswertes für mindestens zwei Messungen . As with the general considerations, it can be assumed that the mean value of the white noise is zero or close to zero. The contrast-to-noise ratio (CNR) results from ΔS divided by the total noise. The difference value is then determined for at least two measurements.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung wird für jedes einzelne Echosignal eine Korrelationsanalyse über mehrere, zeitlich nacheinander erfolgende, Relaxationsmessungen durchgeführt. Die Korrelationsanalyse erfolgt auf bekannte Weise, wobei eine Durchfuhrung gemäß des Artikels von Peter A. Vandettmi et al. in: Magnetic Reonance in Medecme, Bd. 30, S. 161-173, 1993, auf den vollinhaltlich Bezug genommen wird, besonders zweckmäßig ist.According to another preferred embodiment of the invention, a correlation analysis is carried out for each individual echo signal over a plurality of relaxation measurements taking place successively in time. The correlation analysis is carried out in a known manner, an implementation according to the article by Peter A. Vandettmi et al. in: Magnetic Reonance in Medecme, vol. 30, pp. 161-173, 1993, to which full reference is made, is particularly expedient.
Der Erwartungswert für den Korrelationskoeffizienten (correlation coefficient c.c.) betragtThe expected value for the correlation coefficient (c.c.) is
σ 2σ 2
(c.c.) = c.c. 1 - (22) , wobei(c.c.) = c.c. 1 - (22) where
00
2AS 22AS 2
De 2/ Korrelations koef f l z ient c . c . weist e ine StandardabweichungDe 2 / correlation coefficient f l z ient c. c. has a standard deviation
auf. Daran anschließend erfolgt eine Kombination der Korrelationskoeffizienten, beispielsweise durch eine Mittelung. on. This is followed by a combination of the correlation coefficients, for example by averaging.
Eine experimentelle Überprüfung des erfmdungsgemaßen Auswerteverfahrens erfolgte anhand von kernspmtomographischen Untersuchungen des Gehirns von Versuchspersonen. In unmittelbarer Nahe des Gesichts der Versuchspersonen wurde eine Lichtquelle, insbesondere eine Matrix von Lumineszenzdioden (Light Emitt g Diode LED) positioniert und zu Signalblitzen angeregt. Die Anregungsfrequenz liegt bei 8 Hz. Em Einwirken der Signalblitze erfolgt über em mit einem Tragersignal eines Scanners synchronisiertes Zeitmtervall von mehreren Sekunden, beispielsweise 5 Sekunden, an das sich em etwa gleichlanges Ruheintervall anschließt. Bei dem Scanner handelt es sich um einen Vision 1,5 Tesla Gesamtkorperscanner der Siemens Medical Systems, Erlangen, in Standardausrustung mit einem Magnetfeldgradienten von 25 mT/m. Em derartiger Scanner ist in der Lage, Gradientenfeider innerhalb von etwa 300 μs umzuschalten.An experimental check of the evaluation method according to the invention was carried out on the basis of nuclear magnetic resonance imaging examinations of the brains of test subjects. A light source, in particular a matrix of luminescent diodes (light emitting diode LED), was positioned in the immediate vicinity of the test subjects' faces and stimulated to produce signal flashes. The excitation frequency is 8 Hz. The action of the signal flashes takes place via a time interval of several seconds, for example 5 seconds, synchronized with a carrier signal of a scanner, which is followed by an approximately equally long idle interval. The scanner is a Vision 1.5 Tesla total body scanner from Siemens Medical Systems, Erlangen, in standard equipment with a magnetic field gradient of 25 mT / m. Such a scanner is able to switch gradient fields within approximately 300 μs.
Als spektroskopische Bildgebungsmethode wurde TURBO-PEPSI ( Proton-Echo-Planar-Spetroscopic-Imagmg) eingesetzt.TURBO-PEPSI (Proton-Echo-Planar-Spetroscopic-Imagmg) was used as the spectroscopic imaging method.
Eine Datenanpassung erfolgt gemäß der Exponentialfunktion:Data is adjusted according to the exponential function:
**
(~TE/T2*) s 2 0C (25),(~ TE / T 2 *) s 2 0 C (25),
wobei em nicht linearer Least-square-Fit eingesetzt wird.using a non-linear least-square fit.
Von Voxeln, in denen die Signalmtensitat beim erstem Echo einen Wert von 10 % der im gesamten Bild gemessenen maximalenOf voxels in which the signal intensity at the first echo is 10% of the maximum measured in the entire image
Signalamplitude überschritt und wo derSignal amplitude exceeded and where the
Korrelationskoeffizient zwischen den gemessenen Date und den gefitteten Daten 0,95 überschritt, wurden parametrische Bilder von T2 , der Ausgangssignalamplitude S0 und von χ2 gebildet .Correlation coefficient between the measured date and the fitted data exceeded 0.95, were parametric Images of T 2 , the output signal amplitude S 0 and χ 2 are formed.
In den anderen Voxeln wurden diese Parameter zu 0 gesetzt. Durch den Einsatz dieser Kriterien wurden mit Ausnahme der Ventrikel in allen Gehirnregionen exzellente Anpassungen der gefitteten Daten an die experimentellen Resultate erzielt. In den meisten Voxeln überschritt der Korrelationskoeffizient den Wert von 0,99.These parameters were set to 0 in the other voxels. With the use of these criteria, with the exception of the ventricles, excellent fit of the fitted data to the experimental results was achieved in all brain regions. In most voxels, the correlation coefficient exceeded 0.99.
Alternativ werden die Echos jeder Relaxationsmessung gemittelt und darauffolgend wird sowohl für die parametrischen Bilder als auch für die gemittelten Biloer eine Korrelationsanalyse durchgeführt.Alternatively, the echoes of each relaxation measurement are averaged and then a correlation analysis is carried out both for the parametric images and for the averaged biloers.
Die Experimente zeigten ausgedehnte Aktivierungsbereiche des primären visuellen Kortex (V1 ) sowie in angrenzenden Regionen (V2) des visuellen Kortex.The experiments showed extensive activation areas of the primary visual cortex (V 1 ) as well as in adjacent regions (V 2 ) of the visual cortex.
Der mittlere Korrelationskoeffizient in dieser Region (Vi,The mean correlation coefficient in this region (Vi,
V2) und die Anzahl αer gemittelten Echosignale sind in Fig. Δ m einem Vergleich zu einer konventionellen EPI-Methode dargestellt .V 2 ) and the number of averaged echo signals are shown in FIG. Δ m in comparison to a conventional EPI method.
In Fig. 5 ist die Anzahl der aktivierten Pixel mit einemIn Fig. 5, the number of activated pixels is one
Korellationskoefflzienten von mindestens 0,7 m Abhängigkeit von der Anzahl der gemittelten Echosignale dargestellt.Correlation coefficients of at least 0.7 m as a function of the number of averaged echo signals are shown.
Eine Zusammenfassung der experimentellen Ergebnisse aus den Bildern 4 und 5 findet sich in der auf Seite 19 wiedergegebenen Tabelle.A summary of the experimental results from Figures 4 and 5 can be found in the table on page 19.
Durch die Erfindung wird em Computer zur Auswertung von Daten aus der kernmagnetischen Resonanztomographie, em mit dem Computer ausgestatteter Kernresonanztomograph sowie em Verfahren zur Auswertung von Daten aus der kernmagnetischen Resonanztomographie geschaffen. Die Erfindung ist mit einer Vielzahl von Vorteilen verbunden. Hierzu gehört eine Optimierung der Meßempfmdlichkeit für eine quantitative Messung der Relaxationszeit und der qualitativen Relaxationszeitanderung. Hierdurch ist es möglich, eine Bildgebung mit höchstmöglicher Bandbreite (kürzester Kodierungszeit) für germgstmogliche räumliche Verzerrung zu verwenden und durch eine Messung einer optimalen Zahl von Kodierungen nach Signalanregung eine maximale Meßempfmdlichkeit zu erzielen.The invention provides a computer for evaluating data from nuclear magnetic resonance tomography, a nuclear magnetic resonance tomograph equipped with the computer, and a method for evaluating data from nuclear magnetic resonance tomography. The invention has a number of advantages. This includes optimizing the measurement sensitivity for a quantitative measurement of the relaxation time and the qualitative change in relaxation time. This makes it possible to use imaging with the highest possible bandwidth (shortest coding time) for the least possible spatial distortion and to achieve maximum measurement sensitivity by measuring an optimal number of codings after signal excitation.
Das Auswerteverfahren kann in Echtzeitmessungen eingesetzt werden und die Relaxationsanderungen dort analysieren.The evaluation method can be used in real-time measurements and analyze the relaxation changes there.
Ferner sind die erfmdungsgemaßen Auswertungsverfahren besonders vielseitig. Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, eine Summation oder, was noch vorteilhafter ist, eine gewichtete Summation einzusetzen, was gegenüber einer Kurvenanpassung mit einer größeren Geschwindigkeit und ohne Verlust an Meßempfmdlichkeit erfolgen kann. EineFurthermore, the evaluation methods according to the invention are particularly versatile. It has proven to be expedient to use a summation or, what is even more advantageous, a weighted summation, which can be done at a higher speed and without loss of sensitivity compared to curve fitting. A
Summation beziehungsweise eine gewichtete Summation haben den Vorteil, daß sie em besonders robustes Auswerteverfahren darstellen.Summation or a weighted summation have the advantage that they represent a particularly robust evaluation method.
Außerdem ist es mit Hilfe der Erfindung möglich, bei allenIt is also possible with the help of the invention in all
Meßfeldstarken, insbesondere bei Meßfeldstarken von 0, 1 Tesla bis 15 Tesla, eine optimale Anpassung der Meßempfmdlichkeit zu erzielen, indem beispielsweise die Anzahl der Echosignale in Abhängigkeit der mtrmsischen Relaxationzeit gewählt wird, wobei die Anzahl vorzugsweise gemäß Formel 12 gewählt wird.To achieve an optimal adaptation of the measuring sensitivity, especially with measuring field strengths of 0.1 Tesla to 15 Tesla, for example by selecting the number of echo signals as a function of the relaxation time, the number preferably being chosen according to formula 12.
Bei allen Versuchspersonen zeigte sich eine starke Aktivierung im primären visuellen Kortex (Vi) und m benachbarten Bereichen. Die beobachteten Änderungen im mitAll subjects showed strong activation in the primary visual cortex (Vi) and adjacent areas. The observed changes in the
TURBO-PEPSI gemessenen funktionalen Signal reichten von 3 bis 20 % abhangig von der Echo-Zeit, der Lage und von der jeweiligen Versuchperson. Die Anregung hat em Maximum in der Nahe von TE = T2 *. Bei einem Vergleich von EPI und TURBO- PEPSI-Bildern mit TE = 72,5 ms wurαen sehr ahnliche Aktivierungsbilder ermittelt.TURBO-PEPSI measured functional signal ranged from 3 to 20% depending on the echo time, the location and the respective subject. The excitation has a maximum near TE = T 2 * . When EPI and TURBO-PEPSI images were compared with TE = 72.5 ms, very similar activation images were determined.
Bei einem Einsatz einer Korrelationsgrenze von 0,4 konnten auch kleinere Signalanderungen bei Echo-Zeiten von beispielsweise 12,5 ms bis 228 ms detektiert werden. Eine Mittelwertbildung der Korrelationsbilder reduziert die Intensität von Rausch-Effekten im Vergleich zu EPI. Die räumliche Ausdehnung der Aktivierungszone und der erhöhten Korrelationskoeffizienten im visuellen Kortex erhohen sich mit der Anzahl der aufsummierten Echos, wie es sich aus den Figuren & und 5 ergibt. Bei Experimenten mit längerer Anregungsdauer (7 bis 12 Sekunden) werden größereWhen using a correlation limit of 0.4, it was also possible to detect smaller signal changes with echo times of, for example, 12.5 ms to 228 ms. Averaging the correlation images reduces the intensity of noise effects compared to EPI. The spatial extent of the activation zone and the increased correlation coefficients in the visual cortex increase with the number of echoes added up, as can be seen from FIGS. Experiments with longer excitation times (7 to 12 seconds) become larger
Korrelationskoeffizienten als in Messungen mit kürzeren Anregungsdauern (beispielsweise 3 Sekunden) erhalten. Bei den ersten ergeben sich Bilder mit ähnlichen Korrelationskoeffizienten und Aktivierungszonen wie m den T2 *-Bιldern - siehe Fig. 4, Fig. 5. Es zeigt sich, daß em besonders hoher Empfmdlichkeitsgew n durch eine Summierung der ersten, vorzugsweise der ersten 6 bis 10, insbesondere der ersten 8 Echo-Signale entsprechend dem Plateau der CNR- Kurve m Fig. 2 erzielt werden kann.Correlation coefficients obtained than in measurements with shorter excitation times (for example 3 seconds). In the first, images with similar correlation coefficients and activation zones as in the T 2 * images result - see FIGS. 4 and 5. It can be seen that a particularly high sensitivity is achieved by summing the first, preferably the first 6 to 10, in particular the first 8 echo signals corresponding to the plateau of the CNR curve m Fig. 2 can be achieved.
Der Empfmdlichkeitsgewmn ist insbesondere für Echtzeitmessungen vorteilhaft, weil auch bei wenigen Meßwerten eine Änderung der Relaxation wirksam ermittelt werden kann. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß αurch Multiecho-Erfassung des Unterschiedssignals eine optimale Empfindlichkeit bei beliebigen Magnetfeldstarken erzielt wird.The sensitivity gain is particularly advantageous for real-time measurements, because a change in relaxation can be effectively determined even with a few measured values. In summary, it can be said that by multi-echo detection of the difference signal an optimal sensitivity is achieved at any magnetic field strength.
Außerdem ist die Erfindung sowohl bei Echo-Planar-Bildgebung (Echo-Planar-Imagmg EPI), bei phasenkodiertenIn addition, the invention is both in echo planar imaging (echo planar imaging EPI) and in phase-coded
Bildgeoungsmethoden als auch bei spektroskopischen Bilαgebungsmethoden einsetzbar. Durch eine erfmdungsgemaße Erhöhung der Meßempfmdlichkeit um etwa 40 % bis 140 % wird in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen, beispielsweise bei einer kognitiven oder visuellen Aktivierung des menschlichen Gehirns, eine deutliche Erhöhung der Meßempfmdlichkeit erzielt.Imaging methods as well as spectroscopic imaging methods can be used. An increase in the sensitivity to measurement by about 40% to 140% according to the invention results in a significant increase in the sensitivity to measurement in a large number of application areas, for example in the cognitive or visual activation of the human brain.
Die dargestellten Beispiele erläutern den Computer sowie das Auswerteverfahren anhand von NMR-Messungen am menschlichen Gehirn. Selbstverständlich können sowohl der Computer als auch der Kernresonanztomograph ebenso wie das Auswerteverfahren auch zur Untersuchung von anderen Proben lebenden oder nicht lebenden Materials eingesetzt werden.The examples shown explain the computer and the evaluation method using NMR measurements on the human brain. Of course, both the computer and the magnetic resonance tomograph as well as the evaluation method can also be used to examine other samples of living or non-living material.
Bereich der Zunahme von Z- p-Wert Zunahme von p-Wert gemittelten transformiertem gegenaktivierten gegen¬Range of increase in Z-p-value increase in p-value averaged transformed counteractivated gegen¬
Echo- r in dem visuüber Bereichen (rmιn= überEcho in the visu over areas (r mιn = over
Signale ellen Kortex einer 0.7) [%] (SD) einerSignals cortex of a 0.7) [%] (SD) of a
V1/V2 [%] Einzelgegenüber Einzelgegenüber einer messung Einzelecho- messungV1 / V2 [%] single versus single versus single echo measurement
Einzelecho- MessungenSingle echo measurements
Messung (SD)Measurement (SD)
4-5 9 (7) 0.018 -3 (13) 0.5854-5 9 (7) 0.018 -3 (13) 0.585
3-6 38 (14) 0.000 176 (156) 0.0253-6 38 (14) 0,000 176 (156) 0.025
1-8 51 (26) 0.002 286 (243) 0.0211-8 51 (26) 0.002 286 (243) 0.021
1-10 56 (25) 0.003 295 (223) 0.0231-10 56 (25) 0.003 295 (223) 0.023
1-12 60 (24) 0.002 304 (240) 0.027 1-12 60 (24) 0.002 304 (240) 0.027

Claims

Patentansprüche claims
1. Computer zur Auswertung von Daten aus der kernmagnetischen Resonanztomographie, wobei die Daten wenigstens zwei verschiedene Relaxationssignale einer Probe enthalten, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Computer mit wenigstens einem Auswertemittel arbeitet, das ein Unterschiedssignal aus wenigstens zwei verschiedenen Relaxationssignalen bildet, wobei em zeitlicher Verlauf des Unterschiedssignals als eine Unteischiedsfunktion U(t) ermittelt wird, - daß der Computer mit wenigstens einem Mittel zur Auswahl von zwei Zeiten arbeitet, wobei die Zeiten so auswahlbar sind, daß das zwischen ihnen liegende Zeitmtervall t geringer ist als der zeitliche Verlauf des Unterschiedssignals und daß innerhalb des zwischen den Zeiten tη und t- liegenden Zeitmtervalls ti em Quotient aus dem Unterschiedssignal und einem oder mehreren Rauschsignalen einen gegenüber anderen Zeitintervallen erhöhten Wert hat und daß der Computer eine Recheneinheit aufweist, durch welche der Wert der Unterschiedsfunktion U(t) innerhalb des Zeitmtervalls t. approximiert wird.1. Computer for evaluating data from nuclear magnetic resonance tomography, the data containing at least two different relaxation signals of a sample, characterized in that the computer works with at least one evaluation means that forms a difference signal from at least two different relaxation signals, wherein the time course of the difference signal is determined as a difference function U (t), - that the computer works with at least one means for selecting two times, the times being selectable in such a way that the time interval t between them is less than the time profile of the difference signal and that within the time interval ti em between the times tη and t-, the quotient of the difference signal and one or more noise signals has a higher value than other time intervals and that the computer has a computing unit by means of which the value of the difference function ion U (t) within the time interval t . is approximated.
2. Computer nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß er em Mittel zur Auswertung der Unterschiedsfunktion als Kontrast C enthalt .2. Computer according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that it contains em means for evaluating the difference function as contrast C.
3. Computer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Recheneinheit Relaxationssignale gemäß der Formel Sr = (tn) berechnet, wobei Sr(tn) em Signal zu einer 3. Computer according to one of claims 1 or 2, characterized in that the computing unit relaxation signals according to the formula Sr = (t n ) calculated, where S r (t n ) em signal to one
Zeit tn bezeichnet.Designated time t n .
4. Computer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Recheneinheit Relaxationssignale gemäß der Formel4. Computer according to one of claims 1 or 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the computing unit relaxation signals according to the formula
_ N_ N
Sr = ∑Sr(tn)- w(tA) berechnet, wobei gilt n-\S r = ∑S r (t n ) - w (tA) calculated, where n- \
— /??•/ w(tn) = R2tn-e n , wobei Sr(tn) em Signal zu einer- / ?? • / w (t n ) = R2t n -e n , where S r (t n ) em signal to one
Zeit tn bezeichnet und wobei w(tN) ein Wichtungsfaktor ist, in den eine erwartete Relaxationsrate einer zu untersuchenden Probe eingeht.Designates time t n and where w (t N ) is a weighting factor into which an expected relaxation rate of a sample to be examined is included.
5. Computer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Recheneinheit Relaxationssignale gemäß der5. Computer according to one of claims 1 or 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the computing unit relaxation signals according to the
Formelformula
Sr - berechnet, wobei S r - calculated, where
-R2-t sQe n em reines Signal und Sr(tn) em Signal zu einer Zeit tn bezeichnet-R2-t s Q denotes a pure signal and S r (t n ) em signal at a time t n
6. Computer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Recheneinheit die Unterschiedsfunktion gemäß der6. Computer according to one of claims 1 to 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the computing unit the difference function according to the
Formelformula
NN
Ur — ∑ Ur(tn)-w(tn) berechnet, wobei Ur(t ) em n=\U r - ∑ Ur (t n ) -w (t n ) calculated, where U r (t) em n = \
Unterschiedssignal bezeichnet und wobei gilt — /??•/ w(tn) = R2tn e n und wobei w(tN) e Wichtungsfaktor ist, m den eine erwartete Relaxationsrate einer zu untersuchenden Probe eingeht.Differential signal designated and where applies - / ?? • / w (t n ) = R2t n e n and where w (t N ) e is a weighting factor, which receives an expected relaxation rate of a sample to be examined.
7. Computer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Recheneinheit die Unterschiedsfunktion gemäß der Formel7. Computer according to one of claims 1 to 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the computing unit the difference function according to the formula
_ N Ur = ∑Ur(tn) berechnet, wobei U1 (tn) em n=\_ N Ur = ∑U r (t n ) calculated, where U 1 (t n ) em n = \
Unterschiedssignal bezeichnet.Differential signal called.
8. Kernresonanztomograph, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß er wenigstens einen Computer nach einem der Ansprüche 1 bis 7 enthalt.8. Nuclear magnetic resonance scanner, so that it contains at least one computer according to one of claims 1 to 7.
9. Verfahren zur Auswertung von Daten aus der kernmagnetischen Resonanztomographie, wobei Relaxationssignale von wenigstens zwei verschiedenen Zustanden einer Probe ermittelt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß em Unterschiedssignal aus verschiedenen Relaxationssignalen gebildet wird, daß em zeitlicher Verlauf des Unterschiedssignals als eine Funktion U(t) ermittelt wird und daß zwei9. A method for evaluating data from nuclear magnetic resonance tomography, wherein relaxation signals from at least two different states of a sample are determined, characterized in that em difference signal is formed from different relaxation signals that em time course of the difference signal is determined as a function U (t) and that two
Zeiten ausgewählt werden, wobei die Auswahl der Zeiten ti und t2 so erfolgt, daß in einem zwischen ihnen liegenden Zeitmtervall t± em Verhältnis zwischen dem Unterschiedssignal und einem oder mehreren Rauschsignalen großer ist als in anderen ZeitIntervallen und daß innerhalb des Zeitmtervalls t± der Wert der Unterschiedsfunktion U(t) ermittelt wird.Times are selected, the selection of the times ti and t 2 taking place in such a way that in a time interval between them t ± em ratio between the difference signal and one or more noise signals is greater than in other time intervals and that within the time interval t ± the value the difference function U (t) is determined.
10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Verfahren mehrfach durchgeführt wird, wobei die Werte für t_ und t2 anhand von einem oder mehreren vorherigen Verfahrensdurchlaufen derart variiert werden, daß das Verhältnis zwischen dem Unterschiedssignal und dem Rauschsignal möglichst groß ist. 10. The method according to claim 9, characterized in that the method is carried out several times, the values for t_ and t 2 being varied on the basis of one or more previous process runs in such a way that the ratio between the difference signal and the noise signal is as large as possible.
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