EP1183547A1 - Computer for analyzing data from measurements of nuclear magnetic resonance, nuclear magnetic resonance tomograph provided with said computer, and method for analyzing data from measurements of nuclear magnetic resonance - Google Patents

Computer for analyzing data from measurements of nuclear magnetic resonance, nuclear magnetic resonance tomograph provided with said computer, and method for analyzing data from measurements of nuclear magnetic resonance

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Publication number
EP1183547A1
EP1183547A1 EP00936673A EP00936673A EP1183547A1 EP 1183547 A1 EP1183547 A1 EP 1183547A1 EP 00936673 A EP00936673 A EP 00936673A EP 00936673 A EP00936673 A EP 00936673A EP 1183547 A1 EP1183547 A1 EP 1183547A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
determined
data
magnetic resonance
computer
nuclear magnetic
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00936673A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Valeri Kiselev
Stefan Wiese
Stefan Posse
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 EP1183547A1 publication Critical patent/EP1183547A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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]
    • G01R33/46NMR spectroscopy
    • G01R33/4625Processing of acquired signals, e.g. elimination of phase errors, baseline fitting, chemometric analysis

Definitions

  • the invention relates to a computer for evaluating data from measurements of nuclear magnetic resonance, the data containing at least one relaxation signal of a sample.
  • the invention further relates to a nuclear magnetic resonance scanner and a method for evaluating data from measurements of nuclear magnetic resonance, at least one relaxation signal of a sample being determined.
  • Nuclear magnetic resonance is used to obtain a contrast image of an object or spectroscopic information about a substance.
  • Magnetic resonance imaging (MRI) and magnetic resonance spectroscopy (MRS) make it possible to investigate regional hemodynamics with changes in blood volumes and blood conditions as well as changes in metabolism in vivo depending on brain activity, see: S. Posse et. al .: Functional Magnetic Resonance Studies of Brain Activation; Seminars in Clinical Neuropsychiatry, Vol. 1, No 1, 1996; p. 76-88.
  • DOH Deoxyhemoglobin
  • 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 Oxygenation Level Dependence - 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 approximately 10% fluctuations in the Image brightness in activated brain regions.
  • DOH contrast agent
  • other contrast agents can also occur which cause a change in the 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.
  • 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 - has no sharp boundaries.
  • the dimensions of a pixel are on the order of 1mm 2 , those of a voxel of 1mm 3 .
  • the geometries and dimensions can be variable.
  • a stimulus-specific neuronal activation can be detected and spatially localized.
  • a stimulus can be, for example, a sensory, 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. For example, these can be derived from a paradigm of the respective experiment using empirical rules. It is essential to delay the time
  • the known methods evaluate a similarity between the signal of the paradigm and the measurement data.
  • the invention has for its object to carry out a generic method so that the highest possible contrast-to-noise ratio is achieved.
  • this object is achieved in that a generic computer is designed so that the
  • Computer works with at least one evaluation means, the evaluation means separating the data into at least two parts that differ from one echo time T E Depend way.
  • the invention provides to create a computer with which a fast spectroscopic imaging method can be implemented which changes the NMR
  • the spectroscopic imaging method is preferably an 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 time, which is repeated several times during a signal drop and is preferably 20 to 100 ms. The repetition of the echo planar coding several times during a signal drop shows a course of the signal drop in the sequence of reconstructed individual images.
  • EPI Echo Planar Imaging
  • PEPSI Proton-Echo-Planar-Spectroscopic-Imaging
  • the number of images that are encoded during the signal drop depends on the relaxation time and the
  • the computer is preferably used to evaluate data from nuclear magnetic resonance tomography, wherein the data contain at least one relaxation signal of a sample and the data are separated into components which depend on an echo time T E and at least one other component which does not depend on the echo time T E and that the signals are based on the echo time T E depend, are detected as activation signals.
  • a noise signal can be determined by the computer working with at least one evaluation means which separates the data into at least a portion which depends on an echo time T E and at least one other component which does not depend on the echo time T E and wherein the evaluation means detects the signals which depend on the echo time T E as activation signals.
  • a separation of different components of a function to be examined can be determined by ascertaining signals which have a different dependence on the echo time T E. It is possible, for example, to have an amplitude S 0 of one
  • the invention also relates to a nuclear magnetic resonance tomograph which contains at least one computer according to the invention.
  • the invention further provides for a method for evaluating data from nuclear magnetic resonance tomography, wherein at least one relaxation signal of a sample is determined, to be carried out in such a way that the data are separated into at least two parts with a different dependence on an echo time T E.
  • the method is preferably carried out in such a way that intensity values of the measured data for the same echo times are recorded in at least two different recordings of the relaxation signal and that a dependence of the intensity values on the echo time T E is subsequently recorded and that the relaxation signal is separated into portions which differ from one another Have dependencies on the echo time T E.
  • the relaxation signal is divided into a component that depends on an echo time T E and at least a component that does not depend on the echo time T E and that component that depends on the echo time T E depends on how an activation signal is detected.
  • At least one signal is determined which is proportional to T E exp (-T E / T 2 * ), the value of T 2 * being determined in particular by a preferably separate fit procedure on the same data.
  • ⁇ ( ⁇ T 2 * ) is calculated. It is also advantageous that a quotient ⁇ ( ⁇ T 2 * ) / T 2 * is formed and recorded as a measure of an activity.
  • the method is preferably carried out in such a way that the recorded data are recorded in an at least two-dimensional field, one field axis (DTE) recording echo times T E and another field axis (DTR) repeating excitations at a time interval of T R reproduces.
  • DTE field axis
  • DTR field axis
  • ⁇ ( ⁇ T 2 and ⁇ (g) are determined by the following steps:
  • Fig. 2 is a schematic diagram illustrating a
  • the table shows a summary of experimental sample data.
  • 1 shows a multi-echo sequence with a plurality of measurement sequences, each of which follows a spin excitation (*) and with detection of several echo times T E.
  • the measurement sequences of the multi-echo sequence were determined using the turbo? ⁇ ? SI method.
  • Each of the measurement sequences contains twelve echo signals with echo times that are between 12 and 213 ms.
  • the echo times were each recorded as an 18.3 ms time interval ⁇ T E.
  • the specified values for the echo times and the time intervals are each adapted to the speed of the data processing.
  • the number of echo signals can be increased and the time intervals ⁇ T E can be shortened.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram which shows how a signal is acquired from different measuring sequences at a first echo time or at a second or subsequent echo time.
  • a measurement signal ⁇ (S) is recorded as a function of the echo time.
  • the measurement signal ⁇ (S) is composed of a component that depends on an amplitude S 0 , a component that depends on a relaxation time T 2 * and a constant noise signal g.
  • the invention provides for a distinction to be drawn between activation signals and noise by analyzing a time profile of the measurement data and / or its statistical distribution.
  • the evaluation method according to the invention is experimentally checked, for example, using 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 person's face and stimulated to produce signal flashes.
  • the excitation frequency is 8 Hz.
  • the signal flashes act on a time interval of several seconds, for example 5 seconds, which is synchronized with a carrier signal of a scanner, which is followed by an approximately equally long rest interval.
  • the scanner is a Vision 1.5 Tesla full body scanner from Siemens Medical Systems, Erlangen, Germany Magnetic field gradients of 25 mT / m. Such a scanner is able to switch gradient fields within approximately 600 ⁇ s.
  • TURBO-PEPSI Proton-Echo-Planar-Spetroscopic-Imaging was used as the spectroscopic imaging method.
  • the detection of physiological noise requires a stationary frequency spectrum, sufficient temporal resolution and prior knowledge of the spatial and temporal
  • Noise characteristics According to the invention a new method for the differentiation between BOLD-related variations and other fluctuations of the MR signal (such as caused by thermal noise), it is proposed that does not need any prior knowledge of a stimulation paradigm '.
  • the method is based on a single-shot ⁇ ltiecho sequence, such as that described in the article by Posse, S. et al. PROC. ISMRM 1998, p. 299 Turbo PEPSI technology shown. Full reference is made to this publication.
  • S 0 and T 2 * are constant in DTE, but vary in DTR: S 0 due to hardware instabilities or blood flow effects and T R due to subject stimulation, variations in T 2 * show changes in local blood flow, for relatively small changes ⁇ S 0 and ⁇ T 2 * the signal changes can be formulated as follows:
  • EPI images (matrix size: 64 x 32 pixels, pixel size: 3 x 6 mm2) of a single FID, 90 ° flip angle acquired at echo times from 12 to 228 ms.
  • a conventional correlation analysis using the software package Stimulate was carried out using a box car
  • ROI 4 shows ⁇ S from various voxels averaged over a few ROIs as a function of T E for 2 representative persons. The variability of all values across ROIs was small (10-20%).
  • the ROIs were in the visual cortex (vc), in the motor cortex (mc), in the white matter (w) and outside the brain, bypassing areas outside the brain known as ghosting (out).
  • the ROIs were in the visual cortex (vc), in the motor cortex (mc), in the white matter (w) and outside the brain, bypassing areas outside the brain known as ghosting (out).
  • ⁇ ( ⁇ T 2 * ) / T 2 * can be used as an indicator of regional brain activity as well as the correlation coefficients of a conventional correlation analysis.
  • ⁇ ( ⁇ T 2 * ) / T 2 * indicates brain activity for any stimulation course, so that knowledge of a paradigm is not necessary.
  • the small variability of this value over the ROIs suggests that the results for individual voxels are similar to those presented here.
  • This allows the creation of ⁇ ( ⁇ T 2 * ) / T 2 * maps.
  • the level of the T E -independent white noise is very low, which suggests that it stems from the hardware. The So noise is so small that a closer examination of the So noise is difficult due to the presence of white noise.
  • the invention provides a method for distinguishing between activation, in particular brain activation, and noise, with no correlation analysis being required.
  • the invention can also be used in combination with a correlation analysis, such as for example a calculation of correlation coefficients, Z-scores, or an application of the t-test, in order to check the results found in this way.
  • a correlation analysis with two different measurements, one with stimulation and the other without stimulation is not necessary.
  • the inclusion of a correlation analysis, in which correlation coefficients are determined between the time course of the stimulation (“reference vector”) and signal changes in pixels of the image can, however, be used for comparison purposes.
  • High values of the correlation coefficient found in this way can be viewed as an activity indicator and, for example, can be reproduced as additional information in a graphical representation of the measurement data in slice images or volume images.
  • the invention is particularly suitable for use in areas in which complicated activations take place. Therefore, the method and the computer according to the invention are particularly suitable for analyzing higher cognitive brain functions such as emotions, memory and imagination.
  • 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 in order to analyze the relaxation changes immediately.
  • the evaluation methods according to the invention are also 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, or a weighted summation has the advantage that it represents a particularly robust evaluation method.
  • TE 72.5 ms revealed very similar activation images.
  • the gain in sensitivity is particularly advantageous for real-time measurements, because even with a few
  • the invention can be used both in echo planar imaging (echo planar imaging EPI), in phase-coded imaging methods and in spectroscopic imaging methods.
  • Evaluation methods can also be used to examine other samples of living or non-living material.

Abstract

The invention relates to a computer for analyzing data acquired using nuclear magnetic resonance tomography, whereby the data contains at least one relaxation signal of a sample. According to the invention, the computer is designed such that it works with at least one analyzing means which separates the data into at least two parts each having a different dependency on an echo time TE.

Description

Beschreibungdescription
Computer zur Auswertung von Daten aus Messungen von kernmagnetischer Resonanz, mit dem Computer ausgestatteter Kernresonanztomograph sowie Verfahren zum Auswerten von Daten aus Messungen von kernmagnetischer ResonanzComputer for evaluating data from measurements of nuclear magnetic resonance, nuclear magnetic resonance tomograph equipped with the computer and method for evaluating data from measurements of nuclear magnetic resonance
Die Erfindung betrifft einen Computer zur Auswertung von Daten aus Messungen von kernmagnetischer Resonanz, wobei die Daten wenigstens ein Relaxationssignal einer Probe enthalten.The invention relates to a computer for evaluating data from measurements of nuclear magnetic resonance, the data containing at least one relaxation signal of a sample.
Die Erfindung betrifft ferner einen Kernresonanztomographen und ein Verfahren zum Auswerten von Daten aus Messungen von kernmagnetischer Resonanz, wobei wenigstens ein Relaxationssignal einer Probe ermittelt wird.The invention further relates to a nuclear magnetic resonance scanner and a method for evaluating data from measurements of nuclear magnetic resonance, at least one relaxation signal of a sample being determined.
Die kernmagnetische Kernresonanz (Nuclear Magnetic Resonance - NMR) wird dazu eingesetzt, ein Kontrastbild eines Objekts oder eine spektroskopische Information über eine Substanz zu erhalten. Magnetresonanz-Bildgebung (Magnetic Resonance Imaging - MRI) und Magnetresonanzspektroskopie (Magnetic Resonance Spectroscopy - MRS) machen es möglich, eine regionale Hämodynamik mit Veränderungen in Blutvolumina und Blutzuständen sowie Änderungen des Stoffwechsels in vivo in Abhängigkeit von einer Gehirnaktivität zu untersuchen, siehe: S. Posse et. al.: Functional Magnetic Resonance Studies of Brain Activation; Seminars in Clinical Neuropsychiatry, Vol. 1, No 1, 1996; p. 76-88.Nuclear magnetic resonance (NMR) is used to obtain a contrast image of an object or spectroscopic information about a substance. Magnetic resonance imaging (MRI) and magnetic resonance spectroscopy (MRS) make it possible to investigate regional hemodynamics with changes in blood volumes and blood conditions as well as changes in metabolism in vivo depending on brain activity, see: S. Posse et. al .: Functional Magnetic Resonance Studies of Brain Activation; Seminars in Clinical Neuropsychiatry, Vol. 1, No 1, 1996; p. 76-88.
Insbesondere in der medizinischen Forschung besteht ein Bedürfnis, Informationen über die Gehirnaktivität mittels Messungen von Blutfluß oder Deoxyhämoglobinkonzentrationsänderungen zu erlangen. 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 dieIn medical research in particular, there is a need to obtain information about brain activity by measuring blood flow or deoxyhemoglobin concentration changes. The neuronal activation manifests itself in an increase in blood flow in activated brain areas, with a decrease in the deoxyhemoglobin concentration. Deoxyhemoglobin (DOH) is a paramagnetic substance that reduces the magnetic field homogeneity and thus the
Signalrelaxation beschleunigt. Sinkt die DOH-Konzentration aufgrund einer einen Blutfluß auslösenden Gehirnaktivität, so wird die Signalrelaxation in den aktiven Arealen des Gehirns moduliert. Angeregt werden in erster Linie die Protonen des Wasserstoffes im Wasser. Eine Lokalisation vonSignal relaxation accelerates. 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. A localization of
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 Oxygenation Level Dependence - Effekt) bekannt und führt bei suszeptibilitätsempfindlichen magnetischen Resonanzmessungen bei einer Feldstärke eines statischen Magnetfeldes von zum Beispiel 1,5 Tesla bis zu ca. 10%igen Schwankungen der Bildhelligkeit in aktivierten Hirnregionen. Anstelle des endogenen Kontrastmittels DOH können auch andere Kontrastmittel treten, die eine Änderung in der Suszeptibilität hervorrufen. Durch NMR-Bildgebungsmethoden werden Schichten oder Volumina selektiert, die unter dem geeigneten Einstrahlen von Hochfreguenzimpulsen und dem Anlegen von magnetischen Gradientenfeldern ein Meßsignal liefern, welches digitalisiert und in einem zwei- oder dreidimensionalen Feld im Meßcomputer gespeichert wird.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 Oxygenation Level Dependence - 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 approximately 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 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 mehrdimensionale Fourier-Transf ormation die gewünschte Bildinformation gewonnen ( rekonstruiert ) . Ein rekonstruiertes Schichtbild besteht aus Pixeln (= Picture element = Bildelement), ein Volumendatensatz aus Voxeln (= Volume element = Volumenelement) . Ein Pixel ist ein zweidi ensionales Bildelement, beispielsweise ein Quadrat. Das Bild ist aus den Pixeln zusammengesetzt. Ein Voxel ist ein dreidimensionales Volumenelement, beispielsweise ein Quader, der - meßtechnisch bedingt - keine scharfen Grenzen aufweist. Die Abmessungen eines Pixels liegen in der Größenordnung von 1mm2, die eines Voxels von 1mm3. Die Geometrien und Ausdehnungen können variabel sein.The desired image information is obtained (reconstructed) from the raw data recorded by means of a two-dimensional or multidimensional Fourier transformation. A reconstructed slice image consists of pixels (= picture element), a volume data set consists of voxels (= volume element). 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 - has no sharp boundaries. The dimensions of a pixel are on the order of 1mm 2 , those of a voxel of 1mm 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 verwendet, welcher berücksichtigt, daß die Bildebenen eine Ausdehnung in die dritte Dimension haben.Since a strictly two-dimensional plane can never be assumed for layered images for experimental reasons, the term voxel is often used here, which takes into account that the image planes extend into 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 räumlich lokalisiert werden. Ein Stimulus kann zum Beispiel ein soinatosensorisoher, akustischer, visueller oder olfaktorischer Reiz sowie eine mentale oder motorische Aufgabe sein. Die Modellfunktion, beziehungsweise die Modell- Zeitreihe, beschreibt die erwartete Signaländerung des magnetischen Resonanzsignals infolge neuronaler Aktivierung. Diese können zum Beispiel mittels empirischer Regeln aus einem Paradigma des jeweiligen Experiments abgeleitet werden. Wesentlich ist es, eine zeitliche Verzögerung derBy 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. A stimulus can be, for example, a sensory, 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. For example, these can be derived from a paradigm of the respective experiment using empirical rules. It is essential to delay the time
Modellfunktion gegenüber dem Paradigma zu berücksichtigen (träge Reaktion des Blutflusses auf neuronale Aktivierung) . Es ist bereits bekannt, wie Gehirnaktivierung durch Aktivierungsbilder dargestellt werden kann, die aus kernspintomographischen Daten gewonnen wurden. Die Berechnung und Wiedergabe der Aktivierungsbilder ist sogar in Echtzeit möglich, das heißt, ein Datensatz kann in ein Bild umgesetzt werden, bevor der nächste Datensatz gemessen wird. Der zeitliche Abstand beträgt dabei etwa 1 bis 3 Sekunden.Consider model function versus paradigm (sluggish blood flow response to neuronal activation). It is already known how brain activation can be represented by activation images obtained from magnetic resonance imaging data. The activation images can even be calculated and displayed 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 about 1 to 3 seconds.
Eine derartige Berechnung und Wiedergabe der Aktivierungsbilder in Echtzeit ist in der US-PatentschriftSuch calculation and reproduction of the activation images in real time is in the US patent
5 657 758 beschrieben. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß es eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung ermöglicht.5,657,758. This method is characterized in that it enables a high temporal and spatial resolution.
Ein weiteres bekanntes Verfahren ist in den Artikeln .Another known method is in the articles.
Jezzard, P. et al., Proc. SMRM 1993, p. 1392; Biswal, B. et al., MRM 34 (1995) p. 537 und Purdon, P. et al., Proc. ISMRM 1998, p. 253, dargestellt. Bei diesem Verfahren werden ein Meßsignal und ein Paradigma der Messung eingesetzt. Beide Signale werden einer Fourier-Transformation unterzogen.Jezzard, P. et al., Proc. SMRM 1993, p. 1392; Biswal, B. et al., MRM 34 (1995) p. 537 and Purdon, P. et al., Proc. ISMRM 1998, p. 253. A measurement signal and a measurement paradigm are used in this method. Both signals are subjected to a Fourier transformation.
Die bekannten Verfahren werten eine Ähnlichkeit zwischen dem Signal des Paradigmas und der Meßdaten aus.The known methods evaluate a similarity between the signal of the paradigm and the measurement data.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren so durchzuführen, daß ein möglichst hohes Kontrast- Rauschverhältnis erzielt wird.The invention has for its object to carry out a generic method so that the highest possible contrast-to-noise ratio is achieved.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein gattungsgemäßer Computer so ausgestaltet wird, daß derAccording to the invention, this object is achieved in that a generic computer is designed so that the
Computer mit wenigstens einem Auswertemittel arbeitet, wobei das Auswertemittel die Daten in wenigstens zwei Anteile separiert, die von einer Echozeit TE auf unterschiedliche Weise abhängen.Computer works with at least one evaluation means, the evaluation means separating the data into at least two parts that differ from one echo time T E Depend way.
Die Erfindung sieht insbesondere vor, einen Computer zu schaffen, mit dem eine schnelle spektroskopische 3ildgebungsmethode realisiert wird, die Änderungen der NMR-In particular, the invention provides to create a computer with which a fast spectroscopic imaging method can be implemented which changes the NMR
Signalrelaxation mit einer Zeitkonstante T2 * = anSignal relaxation with a time constant T 2 * = on
mehreren Zeitpunkten nach einer Anregung ermittelt .determined several times after a suggestion.
Bei der spektroskopischen Bildgebungsmethode handelt es sich vorzugsweise um eine Echo-Planar-Bildgebungsmethode , insbesondere um eine wiederholte zweidimensionale Echo- 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 .The spectroscopic imaging method is preferably an 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 time, which is repeated several times during a signal drop and is preferably 20 to 100 ms. The repetition of the echo planar coding several times during a signal drop shows a course of the signal drop in the sequence of reconstructed individual images.
Eine zweckmäßige konventionelle Echo-Planar-Methode wird als EPI (Echo-Planar-Imaging) bezeichnet. Eine vorteilhafte Implementierung der erfindungsgemäßen Methode erfolgt mit TURBO-PEPSI, wobei PEPSI für Proton-Echo-Planar- Spectroscopic-Imaging steht.A convenient conventional echo planar method is called EPI (Echo Planar Imaging). An advantageous implementation of the method according to the invention takes place with TURBO-PEPSI, where PEPSI stands for Proton-Echo-Planar-Spectroscopic-Imaging.
Die Anzahl der Bilder, welche während des Signalabfalls kodiert werden, ist abhängig von der Relaxationszeit und derThe number of images that are encoded during the signal drop depends on the relaxation time and the
Kodierungszeit Δt für ein Einzelbild.Coding time Δt for a single picture.
Vorzugsweise wird der Computer zur Auswertung von Daten aus der kernmagnetischen Resonanztomographie eingesetzt, wobei die Daten wenigstens ein Relaxationssignal einer Probe enthalten und wobei die Daten in Anteile separiert werden, die von einer Echozeit TE abhängen und in wenigstens einen anderen Bestandteil, der nicht von der Echozeit TE abhängt und daß die Signale, die von der Echozeit TE abhängen, als Aktivierungssignale erfaßt werden.The computer is preferably used to evaluate data from nuclear magnetic resonance tomography, wherein the data contain at least one relaxation signal of a sample and the data are separated into components which depend on an echo time T E and at least one other component which does not depend on the echo time T E and that the signals are based on the echo time T E depend, are detected as activation signals.
Eine Ermittlung eines Rauschsignals ist dadurch möglich, daß der Computer mit wenigstens einem Auswertemittel arbeitet, das die Daten in wenigstens einen Anteil separiert, der von einer Echozeit TE abhängt und in wenigstens einen anderen Bestandteil, der nicht von der Echozeit TE abhängt und wobei das Auswertemittel die Signale, die von der Echozeit TE abhängen als Aktivierungssignale erfaßt.A noise signal can be determined by the computer working with at least one evaluation means which separates the data into at least a portion which depends on an echo time T E and at least one other component which does not depend on the echo time T E and wherein the evaluation means detects the signals which depend on the echo time T E as activation signals.
Eine Separation verschiedener Bestandteile einer zu untersuchenden Funktion kann durch eine Ermittlung von Signalen, die eine unterschiedliche Abhängigkeit von der Echozeit TE haben, festgestellt werden. So. ist es beispielsweise möglich, eine Amplitude S0 von einerA separation of different components of a function to be examined can be determined by ascertaining signals which have a different dependence on the echo time T E. It is possible, for example, to have an amplitude S 0 of one
Zeitkonstanten T2 * und /oder von einem Rauschsignal g zu separieren.Separate time constants T 2 * and / or from a noise signal g.
Außerdem betrifft die Erfindung einen Kernresonanztomographen, der wenigstens einen erfindungsgemäßen Computer enthält.The invention also relates to a nuclear magnetic resonance tomograph which contains at least one computer according to the invention.
Die Erfindung sieht ferner vor, ein Verfahren zur Auswertung von Daten aus der kernmagnetischen Resonanztomographie, wobei wenigstens ein Relaxationssignal einer Probe ermittelt wird, so durchzuführen, daß die Daten in wenigstens zwei Anteile mit einer voneinander verschiedenen Abhängigkeit von einer Echozeit TE separiert werden. Vorzugsweise wird das Verfahren so durchgeführt , daß Intensitätswerte der gemessenen Daten für gleiche Echozeiten in wenigstens zwei verschiedenen Aufnahmen des Relaxationssignals erfaßt werden und daß anschließend eine Abhängigkeit der Intensitätswerte von der Echozeit TE erfaßt wird und daß das Relaxationssignal in Anteile separiert wird, die voneinander verschiedene Abhängigkeiten von der Echozeit TE haben .The invention further provides for a method for evaluating data from nuclear magnetic resonance tomography, wherein at least one relaxation signal of a sample is determined, to be carried out in such a way that the data are separated into at least two parts with a different dependence on an echo time T E. The method is preferably carried out in such a way that intensity values of the measured data for the same echo times are recorded in at least two different recordings of the relaxation signal and that a dependence of the intensity values on the echo time T E is subsequently recorded and that the relaxation signal is separated into portions which differ from one another Have dependencies on the echo time T E.
Es ist bevorzugt , das Verfahren so durchzuführen, daß das Relaxationssignal aufgeteilt wird in einen Anteil , der von einer Echozeit TE abhängt und in wenigstens einen Anteil, der nicht von der Echozeit TE abhängt und daß der Anteil, der von der Echozeit TE abhängt als ein Aktivierungssignal erfaßt wird.It is preferred to carry out the method in such a way that the relaxation signal is divided into a component that depends on an echo time T E and at least a component that does not depend on the echo time T E and that component that depends on the echo time T E depends on how an activation signal is detected.
Hierbei ist es besonders vorteilhaft , daß wenigstens ein Signal ermittelt wird, das proportional zu TE exp ( -TE/T2 *) ist, wobei der Wert von T2 * insbesondere durch eine vorzugsweise separate Fitprozedur an denselben Daten ermittelt wird.It is particularly advantageous here that at least one signal is determined which is proportional to T E exp (-T E / T 2 * ), the value of T 2 * being determined in particular by a preferably separate fit procedure on the same data.
Dabei ist es besonders zweckmäßig, daß T2 * mittels der Formel S = S0 exp (-TE/T2 *) +g berechnet wird .It is particularly expedient here that T 2 * is calculated using the formula S = S 0 exp (-T E / T 2 * ) + g.
Ferner ist es vorteilhaft, das Verfahren so durchzuführen, daß statistische Schwankungen von ΔT2 * ermittelt werden .It is also advantageous to carry out the method in such a way that statistical fluctuations of ΔT 2 * are determined.
Hierbei ist es besonders zweckmäßig, daß eine Standardabweichung σ (ΔT2 *) berechnet wird . Es ist weiterhin vorteilhaft, daß ein Quotient σ(ΔT2 *)/T2 * gebildet und als Maßstab für eine Aktivität erfaßt wird.It is particularly expedient here that a standard deviation σ (ΔT 2 * ) is calculated. It is also advantageous that a quotient σ (ΔT 2 * ) / T 2 * is formed and recorded as a measure of an activity.
Dabei ist es besonders zweckmäßig, daß eine statistische Abweichung einer Startintensität S0 ermittelt wird.It is particularly expedient that a statistical deviation of a starting intensity S 0 is determined.
Hierbei ist es vorteilhaft, daß eine Standardabweichung σ(S0) berechnet wird.It is advantageous here that a standard deviation σ (S 0 ) is calculated.
Dabei ist es bevorzugt, daß ein Quotient σ(S0)/S0 berechnet wird.It is preferred that a quotient σ (S 0 ) / S 0 is calculated.
Es ist besonders bevorzugt, das Verfahren so durchzuführen, daß eine statistische Schwankung von einem Rauschsignal g ermittelt wird.It is particularly preferred to carry out the method in such a way that a statistical fluctuation from a noise signal g is determined.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß eine Standardabweichung σ(g) von g gebildet wird.It is particularly advantageous that a standard deviation σ (g) of g is formed.
Ferner wird das Verfahren bevorzugt so durchgeführt, daß die aufgenommenen Daten in einem wenigstens zwei-dimensionalen Feld erfaßt werden, wobei eine Feldachse (DTE) Echozeiten TE erfaßt und wobei eine andere Feldachse (DTR) Wiederholungen von Anregungen in einem zeitlichen Abstand von TR wiedergibt.Furthermore, the method is preferably carried out in such a way that the recorded data are recorded in an at least two-dimensional field, one field axis (DTE) recording echo times T E and another field axis (DTR) repeating excitations at a time interval of T R reproduces.
Hierbei ist es besonders zweckmäßig, daß σ(ΔT2 und σ(g) durch nachfolgende Schritte bestimmt werden:It is particularly expedient here that σ (ΔT 2 and σ (g) are determined by the following steps:
(i) Anpassen von über die andere Feldachse (DTR) gemittelten Signalen an einen exponentiellen Zerfall in Abhängigkeit von der einen Feldachse (DTE) und Bestimmung von So und T2 *; (ii) Berechnung von σ(ΔS0), σ (ΔT2 *' und σ(g) für mehrere Voxel und verschiedene TE mit anschließender Mittelung dieser Werte über wenigstens eine zu untersuchende Region (ROI); (iii) Anpassen von(i) adapting signals averaged over the other field axis (DTR) to an exponential decay depending on the one field axis (DTE) and determining So and T 2 * ; (ii) Calculation of σ (ΔS 0 ), σ (ΔT 2 * 'and σ (g) for several Voxel and various T E followed by averaging these values over at least a region under investigation (ROI); (iii) Customize
und Ermittlung von σ(ΔS)/So als Funktion von TE.and determination of σ (ΔS) / So as a function of T E.
Hierbei ist es besonders vorteilhaft, daß bei Anpassen von σ(ΔS)/S0 der Ausdruck <ΔS0ΔT2 *> = 0 gesetzt wird.It is particularly advantageous here that the expression <ΔS 0 ΔT 2 * > = 0 is set when adapting σ (ΔS) / S 0 .
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Beispielsrechnungen, Zeichnungen und einer Tabelle.Further advantages, special features and expedient developments of the invention result from the subclaims and the following illustration of preferred exemplary embodiments of the invention on the basis of example calculations, drawings and a table.
Von den Zeichnungen zeigt:From the drawings shows:
Fig. 1 Multiecho-Sequenz mit mehreren Meßsequenzen , die jeweils einer Spinanregung (*) folgen und mit Erfassung von mehreren Echozeiten TE,1 multi-echo sequence with several measurement sequences, each of which follows a spin excitation (*) and with detection of several echo times T E ,
Fig. 2 eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung einerFig. 2 is a schematic diagram illustrating a
Methode des separaten Verarbeitens von Daten für jede der Echozeiten,Method of processing data separately for each of the echo times,
Fig. 3 ein experimentelles Unterschiedssignal einer funktionalen Relaxationszeitänderung in einem ausgewählten Bildelement in Abhängigkeit von der Meßzeit nach einer Signalanregung,3 shows an experimental difference signal of a functional relaxation time change in one selected picture element depending on the measuring time after a signal excitation,
Fig. 4 ΔS aus verschiedenen Voxeln gemittelt über einige wenige ROIs als Funktion von TE für 2 repräsentative Personen,4 ΔS from various voxels averaged over a few ROIs as a function of T E for 2 representative persons,
Fig. 5 in einem oberen Teilbild eine Detektion von5 shows a detection of in an upper partial image
Hirnaktivierung in vier Schritten mittels einer konventionellen Bildgebungsmethode und in einem unteren Teilbild eine Detektion von Hirnaktivierung mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Verfahrens.Brain activation in four steps by means of a conventional imaging method and in a lower partial image a detection of brain activation using a method according to the invention.
Die Tabelle zeigt eine Zusammenfassung von experimentellen Beispieldaten.The table shows a summary of experimental sample data.
In Fig. 1 ist eine Multiecho-Sequenz mit mehreren Meßsequenzen , die jeweils einer Spinanregung (*) folgen und mit Erfassung von mehreren Echozeiten TE dargestellt.1 shows a multi-echo sequence with a plurality of measurement sequences, each of which follows a spin excitation (*) and with detection of several echo times T E.
Die Meßsequenzen der Multiecho-Sequenz wurden mit der Turbo- ?Ξ?SI-Methode ermittelt. Jede der Meßsequenzen enthält zwölf Echosignale mit Echozeiten, die zwischen 12 und 213 ms liegen. Die Echozeiten wurden jeweils als ein 18,3 ms dauerndes Zeitintervall ΔTE erfaßt.The measurement sequences of the multi-echo sequence were determined using the turbo? Ξ? SI method. Each of the measurement sequences contains twelve echo signals with echo times that are between 12 and 213 ms. The echo times were each recorded as an 18.3 ms time interval ΔT E.
Die angegebenen Werte für die Echozeiten und die Zeitintervalle werden jeweils an die Geschwindigkeit der Datenverarbeitung angepaßt. Insbesondere können bei einer weiteren Verbesserung der Scannertechnologie die Anzahl der Echosignale erhöht und die Zeitintervalle ΔTE verkürzt werden. In Fig. 2 ist eine Prinzipskizze dargestellt, die zeigt, wie aus verschiedenen Meßsequenzen jeweils ein Signal zu einer ersten Echozeit beziehungsweise zu einer zweiten oder darauffolgenden Echozeit erfaßt wird.The specified values for the echo times and the time intervals are each adapted to the speed of the data processing. In particular, with a further improvement in scanner technology, the number of echo signals can be increased and the time intervals ΔT E can be shortened. FIG. 2 shows a schematic diagram which shows how a signal is acquired from different measuring sequences at a first echo time or at a second or subsequent echo time.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Kurve ist ein Meßsignal σ(S) in Abhängigkeit von der Echozeit erfaßt. Hierbei ist ein Prinzip mit einer Fitprozedur zur Aufteilung des Meßsignals σ(S) in Beiträge, die von T2* abhängen und in von TE unabhängiges Rauschen dargestellt. Das Meßsignal σ(S) setzt sich zusammen aus einem Anteil, der von einer Amplitude S0 abhängt, aus einen Anteil, der von einer Relaxationszeit T2* abhängt und aus einem konstanten Rauschsignal g.In the curve shown in FIG. 3, a measurement signal σ (S) is recorded as a function of the echo time. Here is a principle with a fit procedure for dividing the measurement signal σ (S) into contributions that depend on T 2 * and noise independent of T E. The measurement signal σ (S) is composed of a component that depends on an amplitude S 0 , a component that depends on a relaxation time T 2 * and a constant noise signal g.
Die Erfindung sieht insbesondere vor, eine Unterscheidung zwischen Aktivierungssignalen und einem Rauschen durch eine Analyse eines zeitlichen Verlaufes der Meßdaten und/oder ihrer statistischen Verteilung zu gewinnen.In particular, the invention provides for a distinction to be drawn between activation signals and noise by analyzing a time profile of the measurement data and / or its statistical distribution.
Eine experimentelle Überprüfung des erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens erfolgt beispielsweise anhand von kernspintomographischen Untersuchungen des Gehirns von Versuchspersonen. In unmittelbarer Nähe des Gesichts der Versuchspersonen wurde eine Lichtquelle, insbesondere eine Matrix von Lumineszenzdioden (Light Emitting Diode LED) , positioniert und zu Signalblitzen angeregt. Die Anregungsfrequenz liegt bei 8 Hz. Ein Einwirken der Signalblitze erfolgt über ein mit einem Trägersignal eines Scanners synchronisiertes Zeitintervall von mehreren Sekunden, beispielsweise 5 Sekunden, an das sich ein etwa gleichlanges Ruheintervall anschließt. Bei dem Scanner handelt es sich um einen Vision 1,5 Tesla Ganzkörperscanner der Siemens Medical Systems, Erlangen, mit Magnetfeldgradienten von 25 mT/m. Ein derartiger Scanner ist in der Lage, Gradientenfelder innerhalb von etwa 600 μs umzuschalten .The evaluation method according to the invention is experimentally checked, for example, using 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 person's face and stimulated to produce signal flashes. The excitation frequency is 8 Hz. The signal flashes act on a time interval of several seconds, for example 5 seconds, which is synchronized with a carrier signal of a scanner, which is followed by an approximately equally long rest interval. The scanner is a Vision 1.5 Tesla full body scanner from Siemens Medical Systems, Erlangen, Germany Magnetic field gradients of 25 mT / m. Such a scanner is able to switch gradient fields within approximately 600 μs.
Als spektroskopische Bildgebungsmethode wurde TURBO-PEPSI ( Proton-Echo-Planar-Spetroscopic-Imaging) eingesetzt .TURBO-PEPSI (Proton-Echo-Planar-Spetroscopic-Imaging) was used as the spectroscopic imaging method.
Eine Datenanpassung erfolgt gemäß der Exponentialfunktion:Data is adjusted according to the exponential function:
-7V7;-7V7;
S = SQe XE' 2S = S Q e X E '2
wobei ein nicht linearer Least-square-Fit eingesetzt wird.using a non-linear least-square fit.
Nachfolgend wird eine Unterscheidung zwischen Aktivierung und Rauschen mittels Multi-Echo-fMRI dargestellt.A distinction between activation and noise using multi-echo fMRI is shown below.
Die Erkennung von physiologischem Rauschen (zum Beispiel verursacht durch Herzschlag) erfordert ein stationäres Frequenzspektrum, hinreichende zeitliche Auflösung und Vorkenntnisse über die räumlichen und zeitlichenThe detection of physiological noise (for example caused by a heartbeat) requires a stationary frequency spectrum, sufficient temporal resolution and prior knowledge of the spatial and temporal
Charakteristika des Rauschens. Erfindungsgemäß wird eine neue Methode zur Differenzierung zwischen BOLD-bezogenen Variationen und anderen Fluktuationen des MR-Signals (etwa verursacht durch thermisches Rauschen) vorgeschlagen, die völlig ohne Vorwissen über ein Stimulations-Paradigma auskommt'. Die Methode basiert auf einer Single-Shot- ^ ltiecho-Sequenz, wie der in dem Artikel von Posse, S. et al. PROC. ISMRM 1998, p. 299 dargestellten Turbo-PEPSI- Technik. Auf diese Veröffentlichung wird vollinhaltlich Bezug genommen.Noise characteristics. According to the invention a new method for the differentiation between BOLD-related variations and other fluctuations of the MR signal (such as caused by thermal noise), it is proposed that does not need any prior knowledge of a stimulation paradigm '. The method is based on a single-shot ^ ltiecho sequence, such as that described in the article by Posse, S. et al. PROC. ISMRM 1998, p. 299 Turbo PEPSI technology shown. Full reference is made to this publication.
Nach einer Signalanregung wird dessen Relaxationsverhalten in äquidistanten Zeitabständen TE aufgezeichnet. Dies wird mit einem zeitlichen Abstand von TR Sekunden mehrfach wiederholt. In einem solchen Experiment bildet das Signal eines jeden Voxels ein 2-dimensionales Feld mit den Echozeiten TE in der einen Richtung (DTE) und den Wiederholungen im Abstand TR in der anderen Richtung (DTR) . Die Relaxation sei als monoexponentiell vorausgesetzt, S = S0 exp (-TE/T2 *,+g, mit einem Hardware-abhängigen Rauschen g, das wir in beiden Domänen, DTE und DTR, als weiß ansehen können. Die Werte S0 und T2 * sind konstant in DTE, aber variieren in DTR: S0 etwa durch Hardware-Instabilitäten oder Blutflußeffekte und TR etwa aufgrund der Probanden-Stimulation. Variationen in T2 * zeigen Änderungen im lokalen Blutfluß. Für relativ kleine Änderungen ΔS0 und ΔT2 * lassen sich die Ξignaländerungen wie folgt formulieren:After signal excitation, its relaxation behavior is shown in equidistant time intervals T E recorded. This is repeated several times with a time interval of T R seconds. In such an experiment, the signal of each voxel forms a 2-dimensional field with the echo times T E in one direction (DTE) and the repetitions at a distance T R in the other direction (DTR). The relaxation is assumed to be monoexponential, S = S 0 exp (-T E / T 2 *, + g, with a hardware-dependent noise g, which we can see as white in both domains, DTE and DTR. The values S 0 and T 2 * are constant in DTE, but vary in DTR: S 0 due to hardware instabilities or blood flow effects and T R due to subject stimulation, variations in T 2 * show changes in local blood flow, for relatively small changes ΔS 0 and ΔT 2 * the signal changes can be formulated as follows:
wo <A> and σ(A) dem Mittelwert und der Standardabweichung einer Größe A in DTR entsprechen. Eine weitere Analyse hängt von der aktuellen Größe der verwendeten Terme in [1] ab. Es ist zweckmäßig, daß für die experimentellen Bedingungen ΔS0 sowohl in den Ruhe- als auch in den Aktivierungsphasen vernachlässigbar ist (ausgenommen im sagitalen Sinus) . Die Größen σ(ΔT2 *' und σ(g) werden wie folgt bestimmt: (i) Anpassen des über die DTR gemittelten Signals an den -nor-oexponentiellen Zerfall in Abhängigkeit von DTE zur Bestimmung von S0 und T2 *; (ii) Berechnung von σ(ΔT2 *) und σ(g) für jedes Voxel und jedes TE und Mittelung dieser Werte über die interessierende Region (ROI); (iii) Anpassen von [1] mit ΔSo = 0 an diese Werte als Funktion von TE. Dies ist möglich, weil sich lokale Gehirnaktivierung in einem Anstieg von T2 * zeigt, der eine charakteristische TE-Abhängigkeit, proportional zu TEe E τ 2 * aufweist, wogegen der Beitrag des weißen Rauschens nicht von TE abhängt (s. Abbildungen) . Die TE-Abhängigkeit des Signals außerhalb des Gehirns wird durch eine Konstante genähert. Als Validierung dieser Methode wird der Beitrag weißen Rauschens mit dem Rauschen außerhalb des Gehirns verglichen, unter Beachtung, daß σ(g) außerhalb des Gehirns reduziert ist. Für eine Gauß-Verteilung beträgt dieser Reduktionsfaktor 0.6028.where <A> and σ (A) correspond to the mean and standard deviation of a quantity A in DTR. A further analysis depends on the current size of the terms used in [1]. It is expedient for the experimental conditions ΔS 0 to be negligible both in the resting and in the activation phases (except in the sagital sinus). The quantities σ (ΔT 2 * 'and σ (g) are determined as follows: (i) adapting the signal averaged over the DTR to the -nor-oexponential decay as a function of DTE to determine S 0 and T 2 * ; ( ii) Calculation of σ (ΔT 2 * ) and σ (g) for each voxel and each T E and averaging these values about the region of interest (ROI); (iii) fitting [1] with ΔSo = 0 to these values as a function of T E. This is possible because local brain activation shows an increase in T 2 * , which has a characteristic T E dependence, proportional to T E e ~ τ E τ 2 * , whereas the contribution of white noise does not depend on T E ( see pictures). The T E dependence of the signal outside the brain is approximated by a constant. To validate this method, the contribution of white noise is compared to the noise outside the brain, taking into account that σ (g) outside the brain is reduced. For a Gaussian distribution, this reduction factor is 0.6028.
Visuelle Stimulationsexperimente an 4 gesunden Personen wurden durchgeführt auf einem Siemens Vision-1, 5-Tesla-Visual stimulation experiments on 4 healthy people were carried out on a Siemens Vision-1, 5-Tesla-
Scanner. Mit einer Mehrschicht-Turbo-PEPSI-Sequenz wurden 12Scanner. With a multi-layer turbo PEPSI sequence, 12
EPI-Bilder (Matrixgröße: 64 x 32 Pixel, Pixelgröße: 3 x 6 mm2) eines einzelnen FID, 90° Flipwinkel zu Echozeiten von 12 bis 228 ms akquiriert. Eine konventionelle Korrelationsanalyse mittels des Softwarepakets Stimulate wurde durchgeführt unter Verwendung eines Boxcar-EPI images (matrix size: 64 x 32 pixels, pixel size: 3 x 6 mm2) of a single FID, 90 ° flip angle acquired at echo times from 12 to 228 ms. A conventional correlation analysis using the software package Stimulate was carried out using a box car
Referenzvektors .Reference vector.
Fig. 4 zeigt ΔS aus verschiedenen Voxeln gemittelt über einige wenige ROIs als Funktion von TE für 2 repräsentative Personen. Die Variabilitäten aller Werte über ROIs waren klein (10-20%). Die ROIs lagen im visuellen Kortex (vc) , im Motor-Kortex (mc) , in der weißen Substanz (w ) und außerhalb des Gehirns unter Umgehung von als Geisterbildern (out) bezeichneten Bereichen außerhalb des Gehirns. Die4 shows ΔS from various voxels averaged over a few ROIs as a function of T E for 2 representative persons. The variability of all values across ROIs was small (10-20%). The ROIs were in the visual cortex (vc), in the motor cortex (mc), in the white matter (w) and outside the brain, bypassing areas outside the brain known as ghosting (out). The
Filterergebnisse von [1] sind in der Tabelle zusammengefaßt, wo den abgekürzten ROI-Bezeichnungen die Anzahl der Voxel eingeklammert folgt, ist der mittlere Korrelationskoeffizient über eine ROI, σ(g) der ROI außerhalb des Gehirns normalisiert auf das mittlere SO der inneren ROIs und die Fehler in allen Werten sind definiert als eine Standardabweichung.Filter results from [1] are summarized in the table, where the abbreviated ROI designations indicate the number of voxels in brackets follows, the mean correlation coefficient over an ROI, σ (g) the ROI outside the brain is normalized to the mean SO of the inner ROIs and the errors in all values are defined as a standard deviation.
Tabelle 1Table 1
ROI ξ σ(ΔT2 *)/T2(%) σ(g)/S0 (%) vc(20) - 0.62 ± 0.21 4.3 ± 0.1 0.75 ± 0.05 mc(20) -0.11 ± 0.14 0.26 ± 0.16 0.79 ± 0.05 wm(21) -0.009 ± 0.19 -0.001 ± 51 0.93 ± 0.07 out (21) -0.19 ± 0.11 not fitted 0.66 ± 0.01 vc(28) 0.67 ± 0.12 3.6 ± 0.1 0.42 ± 0.07 mc(32) -0.22 ± 0.14 0.6 ± 0.8 0.72 ± 0.06 wm(32) -0.29 ± 0.06 0.4 ± 1.2 0.64 ± 0.06 j out(38) -0.12 ± 0.25 not fitted 0.45 ± 0.01ROI ξ σ (ΔT 2 * ) / T 2 (%) σ (g) / S 0 (%) vc (20) - 0.62 ± 0.21 4.3 ± 0.1 0.75 ± 0.05 mc (20) -0.11 ± 0.14 0.26 ± 0.16 0.79 ± 0.05 wm (21) -0.009 ± 0.19 -0.001 ± 51 0.93 ± 0.07 out (21) -0.19 ± 0.11 not fitted 0.66 ± 0.01 vc (28) 0.67 ± 0.12 3.6 ± 0.1 0.42 ± 0.07 mc (32) -0.22 ± 0.14 0.6 ± 0.8 0.72 ± 0.06 wm (32) -0.29 ± 0.06 0.4 ± 1.2 0.64 ± 0.06 j out (38) -0.12 ± 0.25 not fitted 0.45 ± 0.01
Bei allen Personen war der Wert von σ(ΔT2 *)/T2 * in den aktivierten Voxeln signifikant erhöht, wogegen es in den nicht-aktivierten Voxeln zu keiner signifikanten Abweichung von 0 kam. Daher ist dieser Wert deterministisch mit einer vernachlässigbaren stochastischen Komponente.The value of σ (ΔT 2 * ) / T 2 * was significantly increased in the activated voxels in all persons, whereas there was no significant deviation from 0 in the non-activated voxels. Therefore, this value is deterministic with a negligible stochastic component.
Folglich kann σ(ΔT2 *)/T2 * ebenso gut als Indikator für regionale Gehirnaktivität benutzt werden wie Korrelationskoeffizienten einer konventionellen Korrelationsanalyse. Im Gegensatz zu letzter, zeigt σ(ΔT2 *)/T2 * aber für jeden beliebigen Stimulationsverlauf Gehirnaktivität an, so daß eine Kenntnis eines Paradigmas nicht erforderlich ist. Die geringe Variabilität dieses Wertes über die ROIs läßt vermuten, daß die Ergebnisse für individuelle Voxel ähnlich zu den hier präsentierten sind. Dies erlaubt die Erstellung von σ (ΔT2 *) /T2 *-Maps . Das Niveau des TE-unabhängigen weißen Rauschens liegt sehr niedrig, was vermuten läßt, daß es von der Hardware herrührt. Das So- Rauschen ist so klein, daß eine genauere Untersuchung des So-Rauschens wegen vorhandenem weißen Rauschen schwierig ist.Consequently, σ (ΔT 2 * ) / T 2 * can be used as an indicator of regional brain activity as well as the correlation coefficients of a conventional correlation analysis. In contrast to the latter, σ (ΔT 2 * ) / T 2 * indicates brain activity for any stimulation course, so that knowledge of a paradigm is not necessary. The small variability of this value over the ROIs suggests that the results for individual voxels are similar to those presented here. This allows the creation of σ (ΔT 2 * ) / T 2 * maps. The level of the T E -independent white noise is very low, which suggests that it stems from the hardware. The So noise is so small that a closer examination of the So noise is difficult due to the presence of white noise.
Die Erfindung sieht eine Methode zur Unterscheidung zwischen einer Aktivierung, insbesondere einer Hirnaktivierung, und Rauschen vor, wobei keine Korrelationsanalyse erforderlich ist. Selbstverständlich kann die Erfindung auch in Kombination mit einer Korrelationsanalyse, wie beispielsweise einer Berechnung von Korrelationskoeffizienten, Z-Scores, oder einer Anwendung des t-Tests, eingesetzt werden, um auf diese Weise aufgefundene Ergebnisse zu überprüfen. Eine Korrelationsanalyse mit zwei verschiedenen Messungen, von denen eine mit Stimulation und die andere ohne Stimulation erfolgt, ist jedoch nicht erforderlich. Eine Einbeziehung einer Korrelationsanalyse, bei der Korrelationskoeffizienten zwischen dem Zeitverlauf der Stimulation („Referenzvektor") und Signaländerungen in Pixeln des Bildes ermittelt werden, kann jedoch zu Vergleichszwecken herangezogen werden.The invention provides a method for distinguishing between activation, in particular brain activation, and noise, with no correlation analysis being required. Of course, the invention can also be used in combination with a correlation analysis, such as for example a calculation of correlation coefficients, Z-scores, or an application of the t-test, in order to check the results found in this way. However, a correlation analysis with two different measurements, one with stimulation and the other without stimulation, is not necessary. The inclusion of a correlation analysis, in which correlation coefficients are determined between the time course of the stimulation (“reference vector”) and signal changes in pixels of the image, can, however, be used for comparison purposes.
Hierbei aufgefundene hohe Werte des Korrelationskoeffizienten können als Aktivitätsindikator betrachtet und beispielsweise bei einer graphischen Wiedergabe der Meßdaten in Schichtbildern oder Volumenbildern als zusätzliche Information wiedergegeben werden.High values of the correlation coefficient found in this way can be viewed as an activity indicator and, for example, can be reproduced as additional information in a graphical representation of the measurement data in slice images or volume images.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für Einsätze in Gebieten, in denen komplizierte Aktivierungen erfolgen. Deshalb ist das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Computer insbesondere zur Analyse von höheren kognitiven Gehirnfunktionen wie Emotionen, Gedächtnis und Imagination geeignet. Die Erfindung ist mit einer Vielzahl von Vorteilen verbunden. Hierzu gehört eine Optimierung der Meßempfindlichkeit für eine quantitative Messung der Relaxationszeit und der qualitativen Relaxationszeitänderung. Hierdurch ist es möglich, eine Bildgebung mit höchstmöglicher Bandbreite (kürzester Kodierungszeit) für geringstmögliche räumliche Verzerrung zu verwenden und durch eine Messung einer optimalen Zahl von Kodierungen nach Signalanregung eine maximale Meßempfindlichkeit zu erzielen.The invention is particularly suitable for use in areas in which complicated activations take place. Therefore, the method and the computer according to the invention are particularly suitable for analyzing higher cognitive brain functions such as emotions, memory and imagination. 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, um die Relaxationsänderungen unmittelbar zu analysieren.The evaluation method can be used in real-time measurements in order to analyze the relaxation changes immediately.
Die erfindungsgemäßen Auswertungsverfahren sind ferner 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 Meßempfindlichkeit erfolgen kann. Eine Summation, beziehungsweise eine gewichtete Summation, hat den Vorteil, daß sie ein besonders robustes Auswerteverfahren darstellt.The evaluation methods according to the invention are also 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, or a weighted summation, has the advantage that it represents a particularly robust evaluation method.
Bei allen Versuchspersonen zeigte sich eine starke Aktivierung im primären visuellen Kortex (Vx) und in benachbarten Bereichen. Die beobachteten Änderungen im mit TURBO-PEPSI gemessenen funktionalen Signal betragen bis zu 10 %, abhängig von der Relaxationszeit T2 *, der Lage und von der jeweiligen Versuchsperson.All subjects showed strong activation in the primary visual cortex (Vx) and in neighboring areas. The observed changes in the functional signal measured with TURBO-PEPSI are up to 10%, depending on the relaxation time T 2 * , the position and the respective test subject.
Die Anregung hat ein Maximum in der Nähe von TE = T2 *. Bei einem Vergleich von EPI und TURBO-PEPSI-Bildern mit TE = 72,5 ms wurden sehr ähnliche Aktivierungsbilder ermittelt.The excitation has a maximum near TE = T 2 * . at A comparison of EPI and TURBO-PEPSI images with TE = 72.5 ms revealed very similar activation images.
Der Empfindlichkeitsgewinn ist insbesondere für Echtzeitmessungen vorteilhaft, weil auch bei wenigenThe gain in sensitivity is particularly advantageous for real-time measurements, because even with a few
Meßwerten eine Änderung der Relaxation wirksam ermittelt werden kann. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß durch Multiecho-Erfassung des Unterschiedssignals eine optimale Empfindlichkeit bei verschiedenen Magnetfeldstärken erzielt wird.Measured values a change in relaxation can be determined effectively. In summary, it can be said that an optimal sensitivity at different magnetic field strengths is achieved by multi-echo detection of the difference signal.
Außerdem ist die Erfindung sowohl bei Echo-Planar-Bildgebung (Echo-Planar-Imaging EPI) , bei phasenkodierten Bildgebungsmethoden als auch bei spektroskopischen Bildgebungsmethoden einsetzbar.In addition, the invention can be used both in echo planar imaging (echo planar imaging EPI), in phase-coded imaging methods and in spectroscopic imaging methods.
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 dasThe 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 can also be used
Auswerteverfahren auch zur Untersuchung von anderen Proben lebenden oder nicht lebenden Materials eingesetzt werden. Evaluation methods can also be used to examine other samples of living or non-living material.

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Computer zur Auswertung von Daten aus kernmagnetischer Resonanz, wobei die Daten wenigstens ein1. Computer for evaluating data from nuclear magnetic resonance, the data being at least one
Relaxationssignal 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 die Daten in wenigstens zwei Anteile mit einer voneinander verschiedenen Abhängigkeit von einer Echozeit TE separiert.Contain relaxation signal of a sample, characterized in that the computer works with at least one evaluation means that separates the data into at least two parts with a mutually different dependence on an echo time T E.
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 das Auswertemittel die Daten in wenigstens einen Anteil separiert, der von einer Echozeit TE abhängt und in wenigstens einen anderen Bestandteil, der nicht von der Echozeit TE abhängt und wobei das Auswertemittel die Signale, die von der Echozeit TE abhängen, als Aktivierungssignale erfaßt.2. Computer according to claim 1, characterized in that the evaluation means separates the data into at least one component which depends on an echo time T E and into at least one other component which does not depend on the echo time T E and wherein the evaluation means the signals depend on the echo time T E , detected as activation signals.
3 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 oder 2 enthält.3 Nuclear resonance tomograph, so that it contains at least one computer according to one of claims 1 or 2.
4. Verfahren zur Auswertung von Daten aus der kernmagnetischer Resonanz, wobei wenigstens ein Relaxationssignal einer Probe ermittelt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h - n e t, daß die Daten in wenigstens zwei Anteile mit einer voneinander verschiedenen Abhängigkeit von einer Echozeit TE separiert werden. 4. Method for evaluating data from nuclear magnetic resonance, whereby at least one relaxation signal of a sample is determined, characterized in that the data are separated into at least two parts with a mutually different dependence on an echo time T E.
5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß Intensitätswerte der gemessenen Daten erfaßt und in wenigstens zwei voneinander verschiedene Abhängigkeiten von der Echozeit TE separiert werden.5. The method according to claim 4, characterized in that intensity values of the measured data are recorded and separated into at least two mutually different dependencies on the echo time T E.
6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein Ausmaß einer statistischen Variation der Intensitäten erfaßt wird.6. The method according to claim 5, characterized in that an extent of a statistical variation in the intensities is recorded.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Standardabweichung der Intensitäten ermittelt wird.7. The method according to claim 6, characterized in that a standard deviation of the intensities is determined.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Relaxationssignal in wenigstens einen Anteil, der von der Echozeit TE abhängt und in wenigstens einen Anteil, der nicht von der Echozeit TE abhängt, aufgeteilt wird.8. The method according to one of claims 4 to 7, characterized in that the relaxation signal is divided into at least one portion which depends on the echo time T E and into at least one portion which does not depend on the echo time T E.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß wenigstens ein Signal ermittelt wird, das proportional zu TE exp (-TE/T2 *) , ist.9. The method according to any one of claims 4 to 8, characterized in that at least one signal is determined which is proportional to T E exp (-T E /T 2 * ).
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 T2 * mittels der Formel S = S0 exp (-TE/T2 *) +g ermittelt wird.10. The method according to claim 9, characterized in that T 2 * is determined using the formula S = S 0 exp (-T E /T 2 * ) +g.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 10, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t, daß statistische Schwankungen von ΔT2 * ermittelt werden.11. The method according to one or more of claims 4 to 10, characterized - shows that statistical fluctuations of ΔT 2 * are determined.
12. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine12. The method according to claim 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that a
Standardabweichung σ(ΔT2 *) ermittelt wird.Standard deviation σ(ΔT 2 * ) is determined.
13. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein Quotient σ(ΔT2 *)/T2 * gebildet und als Maßstab für eine Aktivität erfaßt wird.13. The method according to claim 12, characterized in that a quotient σ(ΔT 2 * )/T 2 * is formed and recorded as a benchmark for an activity.
1 . Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 13, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t, daß eine statistische Abweichung einer Startintensität S0 ermittelt wird.1 . Method according to one or more of claims 4 to 13, characterized in that a statistical deviation of a starting intensity S 0 is determined.
15. Verfahren nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Standardabweichung σ(ΔS0) ermittelt wird.15. The method according to claim 14, characterized in that a standard deviation σ (ΔS 0 ) is determined.
16. Verfahren nach Anspruch 15, d a d r c h g e e n n z e i c h n e t, daß ein Quotient σ(ΔS0)/S0 ermittelt wird.16. The method according to claim 15, characterized in that a quotient σ(ΔS 0 )/S 0 is determined.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine statistische Schwankung von einem Rauschsignal g ermittelt wird.17. The method according to one or more of claims 4 to 16, so that a statistical fluctuation of a noise signal g is determined.
18. Verfahren nach Anspruch 17, d a d r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Standardabweichung σ(g) von g gebildet wird,18. The method according to claim 17, characterized in that a Standard deviation σ(g) of g is formed,
19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die aufgenommenen Daten in einem wenigstens zweidimensionalen Feld erfaßt werden, wobei eine Feldachse (DTE) Echozeiten TE erfaßt und wobei eine andere Feldachse (DTR) Wiederholungen von Anregungen in einem zeitlichen Abstand von TR wiedergibt.19. The method according to one or more of claims 4 to 18, characterized in that the recorded data are recorded in an at least two-dimensional field, with one field axis (DTE) recording echo times T E and another field axis (DTR) recording repetitions of excitations in one time distance from T R represents.
20. Verfahren nach Anspruch 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß σ(ΔT*' und σ(g) durch nachfolgende Schritte bestimmt werden: (i) Anpassen von über DTR gemittelten Signalen an einen exponentiellen Zerfall in Abhängigkeit von DTE und20. The method according to claim 19, characterized in that σ (ΔT * ' and σ (g) are determined by the following steps: (i) adapting signals averaged over DTR to an exponential decay as a function of DTE and
Bestimmung von S0 und T2 *; (ii) Berechnung von σ(ΔT2 *' und σ(g) für mehrere Voxel und verschiedene TE mit anschließender Mittelung dieser Werte über wenigstens eine zu untersuchendeDetermination of S 0 and T 2 * ; (ii) Calculation of σ(ΔT 2 * ' and σ(g) for several voxels and different T E with subsequent averaging of these values over at least one to be examined
Region (ROI); (iii) Anpassen vonregion (ROI); (iii) Customize
σ(AS)σ(AS)
und Ermittlung von σ(ΔS/So) als Funktion von TE.and determining σ(ΔS/So) as a function of T E .
21. Verfahren nach Anspruch 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß bei Anpassen von σ(ΔS)/S0 der Ausdruck <ΔS0ΔT2 *> = 0 gesetzt wird. 21. The method according to claim 20, characterized in that when adjusting σ (ΔS) / S 0 , the expression <ΔS 0 ΔT 2 * > = 0 is set.
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