WO2000022450A1 - Measuring device, nuclear magnetic resonance tomograph, a measuring method, and an imaging method - Google Patents

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Stefan Posse
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Definitions

  • Measuring device nuclear magnetic resonance scanner, measuring method and
  • the invention relates to a measuring device with at least one detection means for receiving measurement signals and with a transformer for transforming the measurement signals into digital measurement data.
  • the invention relates in particular to measuring devices with which an imaging method can be carried out.
  • An imaging method is a method in which at least one image is generated from measurement signals.
  • raw data that is usually recorded is converted into desired image information by means of a suitable transformation, in particular a two-dimensional or three-dimensional Fourier transformation.
  • the invention further relates to a method in which
  • Measurement signals are recorded and transformed into digital measurement data and an imaging method.
  • the invention relates to a nuclear magnetic resonance scanner.
  • Nuclear magnetic resonance is used to obtain spectroscopic information about a substance.
  • a combination of nuclear magnetic resonance spectroscopy with techniques of magnetic resonance imaging (MRI) technology gives a spatial picture of the chemical composition of the substance.
  • DOH Deoxyhemoglobin
  • NMR imaging methods create layers or volumes selected, which provide a measurement signal under the appropriate irradiation of high-frequency pulses and the application of magnetic gradient fields, which is digitized and stored in a two- or three-dimensional field in the measuring computer.
  • the desired image information in pixels or voxels is obtained (reconstructed) from the raw data recorded by means of a two- or three-dimensional Fourier transformation.
  • a pixel is a two-dimensional picture element, for example a square.
  • 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 usually only on the order of 1, those of a voxel on the order of 1 nm 2 .
  • 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 somatosensory, acoustic, visual or olfactory stimulus as well as a mental or motor stimulus
  • 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 (sluggish reaction of blood flow to neuronal activation).
  • brain activation can be represented by activation images that were obtained from nuclear spin-omorphic 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 typically 1 to 3 seconds.
  • the invention has for its object to design a generic measuring device so that it is suitable for detecting different measurement signals with the highest possible resolution.
  • this object is achieved in that the detection means and / or the transformation means is designed in such a way that it detects and / or transforms measurement signals with different resolutions at different times and / or at different locations.
  • a particularly effective selection of the measurement data can be achieved in that the measurement device is designed in such a way that it contains at least one control unit for controlling the detection means and / or the transmission means.
  • the control unit can be, for example, a computer or a component of a computer.
  • the term ⁇ Computer is in no way intended to be limiting. This may be be any suitable unit for performing calculations, for example a workstation, a personal computer, a microcomputer or a circuit suitable for performing calculations.
  • a particularly advantageous embodiment of the measuring device is characterized in that it has at least one memory unit, the memory unit containing information for the variable transformation of the measurement signals into the measurement data.
  • storage unit is meant in a general sense. The embodiment of the storage unit is irrelevant, since it is only necessary to store values or non-volatile memories are known.
  • the invention furthermore relates to carrying out a generic method in such a way that measurement signals with different resolutions are acquired and / or transformed differently at different times and / or at different locations.
  • the model describes an actual course of the
  • Measuring signals or an expected course of the measuring signals or a combination of an expected course of the measuring signals and an actual course of the measuring signals is a model function that assigns a measurement signal an extent in which it is in the Measurement data is transformed.
  • a direct calculation of the extent is not necessary since it can also be approximated in a suitable way or replaced by a table corresponding to particularly advantageous values.
  • the model indicates, for example, the extent to which the measurement signals are stored and / or converted into the digital measurement data.
  • the model determines the resolution with which the measurement signals are detected.
  • An advantageous embodiment of the method is characterized in that the model is determined before the measurement.
  • Another, likewise advantageous embodiment of the method according to the invention is characterized in that the model is changed during the measurement.
  • a further improvement in measuring sensitivity can be achieved by changing the model on the basis of a predetermined starting model.
  • the compression factor can vary over the measurement. Such a variation is particularly useful for series of measurements in which activations and rest periods alternate. A higher compression factor can be selected for the rest periods.
  • Particularly useful areas of application of the invention are shown below. They relate in particular to a measuring device that is used in an imaging method.
  • reconstructed slice images or volume data sets are determined from the measurement signals of at least one sample.
  • the imaging method is, for example, a spectroscopic imaging method, in particular nuclear magnetic resonance spectroscopy.
  • the imaging method can also be used in other areas, for example for the graphic display of ultrasound examinations. Since such examinations are generally carried out in vivo, it is expedient that the imaging method is suitable for being carried out in the real measurement time, that is to say in real time.
  • Imaging method realized, the changes in the NMR signal relaxation determined.
  • the spectroscopic imaging method is preferably a spectroscopic echo pianar
  • Imaging method Spatial coding takes place in the shortest possible period of time, which is repeated several times during a signal drop and is usually 10 to 100 ms. By repeating the echo planar coding several times during a signal drop wxro. a course of the signal drop is shown in the sequence of reconstructed individual images.
  • the number of images that are encoded during the signal drop depends on the relaxation time and the Coding time ⁇ t for a single picture.
  • the criterion consists in considering a difference signal between different relaxation states.
  • the difference signal has a maximum in time, which is close to the mean relaxation time for small relaxation changes.
  • FIG. 2 shows a relative, scaled increase in the contrast-to-noise ratio CNR » compared to the contrast-to-noise ratio CNRi of an individual measurement for different evaluation methods as a function of the measurements
  • Fig. 3 in a first partial image A, a detection of
  • the preferred embodiments of the invention provide in particular to detect a difference signal at different times. These points in time lie within a time interval x .
  • 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 ( fMRI signal) in the human brain in a selected image element in the visual cortex during a visual one
  • the difference signal is formed by a difference signal from a relaxation signal during activation and a relaxation signal during a rest state.
  • 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.
  • the measurement is initially carried out with a time interval between the measuring points of approximately 10 to 100, for example 18 milliseconds.
  • the fMRI signals are determined by MRI examinations of the brains of test subjects.
  • a light source in particular a matrix of luminescent diodes (Light Emitting Diode LED), is positioned in the immediate vicinity of the test person's face and excited to signal flashes.
  • the excitation frequency is preferably around 8 Hz.
  • the scanner is a Vision I, 5 Tesla full-body scanner from Siemens Medical Systems, Erlangen, in standard equipment with a magnetic gradient of 25 mT / m. Such a scanner is able to switch gradients elder within approximately 150 ⁇ s.
  • the imaging method is preferably an echo planar imaging method, for example a conventional ⁇ cho planar method - EPI (Echo Planar Imaging).
  • 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.
  • PEPSI Proton-Echo-Planar-Spectroscopic-Imaging
  • the resolution is adapted to the strength of the relaxation signals. If there are several similar signals whose difference signal is to be examined, it is even more advantageous to adapt the resolution to the difference function.
  • the functional relationship between the resolution and the difference function is preferably chosen so that the value for the resolution is higher for a larger signal.
  • T 2 * (a) and T * (b) are relaxation time constants in an activated state (a) and in a basic state (Baseline State - b) and wherein S 0 denotes an output signal entity.
  • T 2 * denotes the relaxation time in the basic state.
  • a preferred embodiment of the invention provides that it is assumed that noise effects are a so-called white, thermal noise with an average close to zero and a standard deviation ⁇ .
  • a first embodiment of a preferred evaluation method provides for summing the measured effect for N times and forming an average signal.
  • the average signal gives a good measure of ⁇ 0 T Z. Assuming constant measurement intervals ⁇ t for each individual measured value recording and the same noise level in each
  • Data evaluation method summation of the individual measurements (summation), exponentially weighted summation (exponentially weighted summation), optimally weighted summation (weighted summation, weighted filter) and for curve fitting (fitting).
  • a maximum Kon as-to-noise ratio can be achieved if the measurements are made up to the time
  • the contrast-to-noise ratio is maximum and, according to the formula:
  • a weighting factor w (t N ) according to formula 15 is preferably used in formula 14.
  • An expected relaxation rate in a sample to be examined is included in the weighting factor w (t N ). This is preferably the average relaxation rate in the sample examined.
  • the increase takes d is S i g na l - R of C h - Ve r h ä lt ni s s s in the multi-point measurement a particular t he s as high as 1, 4 on .
  • the measurement time is in turn 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.
  • s Q e ⁇ 1 denotes the pure signal, g t ⁇ t » ; e i n white noise and h (t influence of physiological interference of the test sample, wherein s i ch preferably are signals having a low frequency.
  • the index r case takes values from 1 to NR and means Anzai i l of W iederholungen the relaxation measurements; the index n takes values from 1 to N and counts the number of echo signals during a relaxation measurement.
  • a s in the general considerations may Ü w assumed here it - ⁇ he is the A rs, ⁇ c-ß ft ctcrr fiMti-.i * * -t ⁇ i is ⁇ the white noise is zero or close to zero.
  • the contrast-to-noise ratio ( CNR) results from ⁇ S divided by the total noise. The difference value is then determined for at least two measurements.
  • a correlation analysis is carried out over several relaxation measurements, which take place one after the other.
  • the correlation analysis is carried out in a known manner, an implementation according to the article by Peter A. Vandettini et al. in: Magnetic
  • the correlation coefficient c.c. exhibits a standard deviation
  • An experimental upper test of the evaluation method according to the invention was carried out using MRI 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 signal flashes.
  • Excitation frequency is 8 Hz.
  • the signal flashes take effect over 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 full-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 150 ⁇ s.
  • TURBO-PEPSI Proton-Echo-Planar-Spectroscopic-Imaging was used as the spectroscopic imaging method.
  • the echoes of each relaxation measurement are averaged and subsequently both for the
  • the experiments showed extensive activation areas of the primary visual cortex (V x ) as well as in adjacent regions 15 (V 2 ) of the visual cortex.
  • the invention has a number of advantages. This includes optimizing the detection sensitivity for quantitative measurement of the relaxation time and the 20 qualitative change in relaxation. This makes it possible, with the highest possible imaging Bandbre i te (shortest time coding) has minimal spatial distortion to use, and by a measurement of an optimum number of codes to signal excitation e i ne
  • the evaluation method can be used in real-time measurements to enable relaxation changes to be analyzed in vivo.
  • One according to the invention is expediently
  • the imaging methods according to the invention are particularly versatile. It has been found useful to have a 35 summation or, more advantageously, a weighted one Use 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.
  • the aid of the invention it is possible to achieve an optimal adjustment of the measuring sensitivity at all measuring field strengths, in particular at measuring field strengths from 0.1 Tesla to 15 Tesla, for example by selecting the number of echo signals as a function of the intrinsic relaxation time, the number N is preferably selected according to formula 12.
  • the gain in sensitivity is particularly advantageous for short-time measurements, in particular real-time measurements, because a change in relaxation can be effectively determined even with a few measured values.
  • optimum sensitivity at any magnetic field strengths is achieved by multi-echo detection of the difference signal.

Abstract

The invention relates to a measuring device which comprises at least one recording means for recording measurement signals, and a transformation means for transforming the measurement signals into digital measurement data. According to the invention, the measuring device is characterized in that the recording means and/or the transformation means are respectively designed such that they record measurement signals with a different resolution at different times and/or at different locations and/or they transform the measurement signals differently.

Description

Beschreibung description
Meßvorrichtung, Kernresonanztomograph, Meßverfahren undMeasuring device, nuclear magnetic resonance scanner, measuring method and
BildgebungsverfahrenImaging technique
Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung mit wenigstens einem Erfassungsmittel für die Aufnahme von Meßsignalen und mit einem Transfor ationsmittel zum Transformieren der Meßsignale in digitale Meßdaten.The invention relates to a measuring device with at least one detection means for receiving measurement signals and with a transformer for transforming the measurement signals into digital measurement data.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Meßvorrichtungen, mit denen sich ein Bildgebungsverfahren durchführen läßt. Bei einem Bildgebungsverfahren handelt es sich um ein Verfahren, bei dem aus Meßsignalen wenigstens ein Bild erzeugt wird. Bei dem Bildgebungsverfahren werden üblicherweise aufgenommene Rohdaten durch eine geeignete Transformation, insbesondere eine zwei- oder dreidimensionale Fourier-Transformation, in eine gewünschte Bildinformation umgewandelt.The invention relates in particular to measuring devices with which an imaging method can be carried out. An imaging method is a method in which at least one image is generated from measurement signals. In the imaging method, raw data that is usually recorded is converted into desired image information by means of a suitable transformation, in particular a two-dimensional or three-dimensional Fourier transformation.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren, bei demThe invention further relates to a method in which
Meßsignale erfaßt und in digitale Meßdaten transformiert werden und ein Bildgebungsverfahren. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Kernresonanztomographen.Measurement signals are recorded and transformed into digital measurement data and an imaging method. In particular, the invention relates to a nuclear magnetic resonance scanner.
Die Kernresonanzspektroskopie (Nuclear Magnetic Resonance - NMR) wird dazu eingesetzt, eine spektroskopische Information über eine Substanz zu erhalten. Eine Kombination der kernmagnetischen Resonanzspektroskopie mit Techniken der Kernresonanz-Bildgebung (Magnetic Resonance Imaging - 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 spectroscopy with techniques of magnetic resonance imaging (MRI) technology gives a spatial picture of the chemical composition of the substance.
Insbesondere in der medizinischen Forschung besteht ein Bedürfnis, Informationen über die Gehirnaktivität oder im weiteren Sinne Informationen über Blutfluß oder Deoxyhämoglobinkonzentrationsänderungen in menschlichen und ti-£xi.sohen Organen zu erlangen. Die neuronale Aktivierung äußert sich in einer Zunahme des Blutflusses in aktivierten -Gehirnarealen, wobei es zu einer Abnahme der Blut- Deoxyhämoglobinkonzentration kommt. Deoxyhämoglobin (DOH) ist ein .paramagnetischer Stoff, welcher die Magnetfeldhomogenität verringert und- damit die T2 *-Signalrelaxation beschleunigt.In medical research in particular there is a need to obtain information about brain activity or, in a broader sense, information about blood flow or To obtain deoxyhemoglobin concentration changes in human and titanium organs. The neuronal activation manifests itself in an increase in blood flow in activated brain areas, with a decrease in the blood deoxyhemoglobin concentration. Deoxyhemoglobin (DOH) is a .paramagnetic substance which reduces the magnetic field homogeneity and thus accelerates the T 2 * signal relaxation.
Angeregt werden in erster Linie die Protonen desThe protons of the
Wasserstoffes im Wasser.Hydrogen in the water.
Eine Lokalisation von Gehirnaktivität wird ermöglicht, indem eine Untersuchung mit funktionalen Bildgebungsmethoden angewendet wird, .welche die Änderung der NMR-Signalrelaxation mit einer Zeitverzögerung (Echozeit) messen. Dies wird auch als sus.zeptibilit.ät-sempfindliche Messung bezeichnet. Der biologische Wirkmechanismus ist in der Literatur unter dem Namen BOLD-E ekt (Blood Oxygen Level Dependent - 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 Bildhelligkeitsmodulationen in aktivierten Hirnregionen. Anstelle des mit dem endogenen Kontrastmittel DOH detektierten Wirkmechanismus können auch andere Wirkmechanismen treten, die mittels exogener Kontrastmittel Suszeptibilitätsänderungen hervorrufen.Localization of brain activity is made possible by using an examination with functional imaging methods that measure the change in NMR signal relaxation 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-E ect (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% image brightness modulations in activated brain regions. Instead of the mechanism of action detected with the endogenous contrast agent DOH, other mechanisms of action can also occur, which cause susceptibility changes by means of exogenous contrast agents.
Eine schnelle Magnetresonanz-Bildgebung (Magnetic Resonance Imagxng - MRI) und Magnetresonanzspektroskopie (Magnetic Resonance Spectroscopy - MRS) machen es möglich, den BOLD- Effekt in vivo in Abhängigkeit von Ak xvierungszuständen des Gehirns zu untersuchen, siehe: S. Posse et. al.: Functional Magnetic Resonance Studies of Brain Activation; Seminars in Clinical Neuropsychiatry, Vol. 1, No 1, 1996; S. 76-88.Fast magnetic resonance imaging (MRI) and magnetic resonance spectroscopy (MRS) make it possible to investigate the BOLD effect in vivo depending on brain activation states, see: S. Posse et. al .: Functional Magnetic Resonance Studies of Brain Activation; Seminars in Clinical Neuropsychiatry, Vol. 1, No 1, 1996; Pp. 76-88.
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.NMR imaging methods create layers or volumes selected, which provide a measurement signal under the appropriate irradiation of high-frequency pulses and the application of magnetic gradient fields, which is digitized and stored in a two- or three-dimensional field in the measuring computer.
Aus den au genommenen Rohdaten wird durch eine zwei- oder dreidimensionale Fourier-Transformation die gewünschte Bildinformation in Pixeln, beziehungsweise Voxeln, gewonnen (rekonstruiert) . Ein rekonstruiertes Schichtbild besteht aus Pixeln (= picture element = Bildelement), ein Volumendatensatz aus Voxeln (= volume element = Volumenelement). Ein Pixel ist ein zweidimensionales Bildelement, beispielsweise ein Quadrat.The desired image information in pixels or voxels is obtained (reconstructed) from the raw data recorded by means of a two- or three-dimensional 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.
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 üblicherweise in der Größenordnung von 1 nur, die eines Voxels in der Größenordnung von 1 nm2. Die Geometrien und Ausdehnungen können variabel sein.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 usually only on the order of 1, those of a voxel on the order of 1 nm 2 . The geometries and dimensions can be variable.
Durch Vergleich des mittels funktionaler Bildgebung 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 somatosensorischer, akustischer, visueller oder olfaktorischer Reiz sowie eine mentale oder motorischeBy comparing the signal curve measured by means of functional imaging in each pixel with the temporal curve of a model function, a stimulus-specific neuronal activation can be detected and spatially localized. A stimulus can be, for example, a somatosensory, acoustic, visual or olfactory stimulus as well as a mental or motor stimulus
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 dem Paradigma des jeweiligen Experimentes abgeleitet werden. Wesentlich ist, eine zeitliche Verzögerung der Modellfunktion gegenüber dem Paradigma zu berücksichtigen ( träge Reaktion des Blutflusses auf neuronale Aktivierung) .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 (sluggish reaction of blood flow to neuronal activation).
Es ist bereits bekannt , wie Gehirnaktivierung durch .Aktivierungsbilder dargestellt werden kann, die aus kernspint omo raphischen 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 typischerweise 1 bis 3 Sekunden .It is already known how brain activation can be represented by activation images that were obtained from nuclear spin-omorphic 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 typically 1 to 3 seconds.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , eine gattungs gemäße Meßvorrichtung so auszugestalten, daß sie sich zur Erfassung von verschiedenen Meßsignalen mit einer möglichst hohen Auflösung eignet .The invention has for its object to design a generic measuring device so that it is suitable for detecting different measurement signals with the highest possible resolution.
Erfindungs gemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Erfassungsmittel und/oder das Trans formationsmittel so gestaltet ist , daß es zu verschiedenen Zeiten und/oder an verschiedenen Orten Meßsignale mit einer unterschiedlichen Auflösung erfaßt und/oder unters chiedlich transformiert .According to the invention, this object is achieved in that the detection means and / or the transformation means is designed in such a way that it detects and / or transforms measurement signals with different resolutions at different times and / or at different locations.
Eine besonders wirksame Auswahl der Meßdaten läßt sich dadurch erzielen, daß die Meßvorrichtung so ausgestaltet ist, daß sie mindestens eine Steuereinheit zur Steuerung des Erfassungsmittels und/oder des Transiormationsmittels enthält .A particularly effective selection of the measurement data can be achieved in that the measurement device is designed in such a way that it contains at least one control unit for controlling the detection means and / or the transmission means.
Bei der Steuereinheit kann es sich beispielsweise um einen Computer oder um ein Bestandteil eines Computers handeln. Der Begriff ^Computer" ist in keiner Weise einschränkend zu verstehen. Es kann sich hierbei um eine beliebige zur Durchführung von Berechnungen geeignete Einheit handeln, beispielsweise eine Workstation, einen Personalcomputer, einen Mikrocomputer oder eine zur Durchführung von Berechnungen geeignete Schaltung.The control unit can be, for example, a computer or a component of a computer. The term ^ Computer "is in no way intended to be limiting. This may be be any suitable unit for performing calculations, for example a workstation, a personal computer, a microcomputer or a circuit suitable for performing calculations.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Meßvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß sie mindestens eine Speichereinheit aufweist, wobei die Speichereinheit nfαrmationen zur veränderlichen Trans ormation der Meßsignale in die Meßdaten enthält.A particularly advantageous embodiment of the measuring device is characterized in that it has at least one memory unit, the memory unit containing information for the variable transformation of the measurement signals into the measurement data.
Der Begriff „Speichereinheit" ist in einer allgemeinen Bedeutung gemeint. Es kommt nicht auf die Ausführungsform der Speichereinheit an, da es lediglich erforderlich ist, Werte zu speichern. Beispielsweise weist die Speichereinheit geeignete Speicherzellen auf, wie sie vorzugsweise aus der Halbleitertechnologie als statische, dynamische oder nichtfluchtige Speicher bekannt sind.The term “storage unit” is meant in a general sense. The embodiment of the storage unit is irrelevant, since it is only necessary to store values or non-volatile memories are known.
Gegenstand der Erfindung ist ferner, ein gattungsgemäßes Verfahren so durchzuführen, daß zu verschiedenen Zeiten und/oder an verschiedenen Orten Meßsignale mit einer unterschiedlichen Auflösung erfaßt werden und/oder unterschiedlich transformiert werden.The invention furthermore relates to carrying out a generic method in such a way that measurement signals with different resolutions are acquired and / or transformed differently at different times and / or at different locations.
Es ist besonders vorteilhaft, das Verfahren so durchzuführen, daß die Meßsignale in einem Ausmaß, das mindestens einem Modell entspricht, unterschiedlich erfaßt und/oder unterschiedlich transformiert werden.It is particularly advantageous to carry out the method in such a way that the measurement signals are detected differently and / or transformed differently to an extent that corresponds to at least one model.
Das Modell beschreibt einen tatsächlichen Verlauf derThe model describes an actual course of the
Meßsignale oder einen erwarteten Verlauf der Meßsignale oder eine Kombination aus einem erwarteten Verlauf der Meßsignale und einem tatsächlichen Verlauf der Meßsignale . Beispielsweise handelt es sich um eine Modellfunktion, die einem Meßsignal ein Ausmaß zuordnet, in dem es in die Meßdaten transformiert wird. Eine direkte Berechnung des Ausmaßes ist jedoch nicht erforderlich, da es auch auf eine geeignete Weise approximiert oder durch eine, besonders .vorteilhaften Werten entsprechende 'Tabelle ersetzt werden kann.Measuring signals or an expected course of the measuring signals or a combination of an expected course of the measuring signals and an actual course of the measuring signals. For example, it is a model function that assigns a measurement signal an extent in which it is in the Measurement data is transformed. However, a direct calculation of the extent is not necessary since it can also be approximated in a suitable way or replaced by a table corresponding to particularly advantageous values.
Das Modell gibt beispielsweise das Ausmaß an, in dem die Meßsignale gespeichert und/oder in die digitalen Meßdaten umgewandelt werden.The model indicates, for example, the extent to which the measurement signals are stored and / or converted into the digital measurement data.
Es ist gleichfalls zweckmäßig, daß das Modell die Auflösung bestimmt, mit denen die Meßsignaie erfaßt werden.It is also expedient that the model determines the resolution with which the measurement signals are detected.
Eine zweckmäßige Ausführungsform des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß das Modell vor der Messung festgelegt wird.An advantageous embodiment of the method is characterized in that the model is determined before the measurement.
Eine andere, gleichfalls vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß das Modell während der Messung verändert wird.Another, likewise advantageous embodiment of the method according to the invention is characterized in that the model is changed during the measurement.
Eine weitere Verbesserung der Meßempfindlichkeit läßt sich dadurch erzielen, daß das Modell ausgehend von einem vorher festgelegten Startmodell verändert wird.A further improvement in measuring sensitivity can be achieved by changing the model on the basis of a predetermined starting model.
Dies erfolgt beispielsweise dadurch, daß die Auflösung , mit der Signale erfaßt und/oder umgewandelt werden, zeitlich und/oder örtlich variiert.This takes place, for example, in that the resolution with which signals are acquired and / or converted varies in time and / or location.
Besonders vorteilhaft ist es, eine Kompression der Meßsignale und/oder der Meßdaten durchzuführen. Der Ko pressionsfaktor kann über die Messung variieren. Eine derartige Variation ist insbesondere bei Meßreihen zweckmäßig, bei denen Aktivierungen und Ruhezeiten abwechseln. Für die Ruhezeiten kann ein höherer Kompressionsfaktor gewählt werden. Besonders zweckmäßige Einsatzgebiete der Erfindung sind nachfolgend dargestellt. Sie beziehen sich insbesondere auf eine MeßVorrichtung, die in einem Bildgebungsverfahren eingesetzt wird.It is particularly advantageous to compress the measurement signals and / or the measurement data. The compression factor can vary over the measurement. Such a variation is particularly useful for series of measurements in which activations and rest periods alternate. A higher compression factor can be selected for the rest periods. Particularly useful areas of application of the invention are shown below. They relate in particular to a measuring device that is used in an imaging method.
Mit Hilfe der Meßvorrichtung werden rekonstruierte Schichtbilder oder Volumendatensätze aus den Meßsignalen von wenigstens einer Probe ermittelt.With the aid of the measuring device, reconstructed slice images or volume data sets are determined from the measurement signals of at least one sample.
Bei dem Bildgebungsverfahren handelt es sich beispielsweise um ein spektroskopisches Bildgebungsverfahren, insbesondere um kernmagnetische Resonanzspektroskopie . Ein Einsatz des Bildgebungsverfahrens in anderen Gebieten, beispielsweise zur graphischen Darstellung von Ultraschalluntersuchungen, ist jedoch gleichfalls möglich. Da derartige Untersuchungen in der Regel in vivo erfolgen, ist es zweckmäßig, daß das Bildgebungsverfahren für eine Durchführung in der realen Meßzeit, das heißt in Echtzeit, geeignet ist.The imaging method is, for example, a spectroscopic imaging method, in particular nuclear magnetic resonance spectroscopy. However, the imaging method can also be used in other areas, for example for the graphic display of ultrasound examinations. Since such examinations are generally carried out in vivo, it is expedient that the imaging method is suitable for being carried out in the real measurement time, that is to say in real time.
Insbesondere wird eine schnelle spektroskopxscheIn particular, a fast spectroscopic
Bildgebungsmethode realisiert, die Änderungen der NMR- Signalrelaxation ermittelt.Imaging method realized, the changes in the NMR signal relaxation determined.
Bei der spektroskopischen Bildgebungsmethode handelt es sich vorzugsweise um eine spektroskopische Echo-Pianar-The spectroscopic imaging method is preferably a spectroscopic echo pianar
Bildgebungsmethode . Eine räumliche Kodierung erfolgt in einem möglichst kurzen Zeitraum, welcher während eines Signalabfalls mehrfach wiederholt wird und üblicherweise 10 bis 100 ms beträgt. Durch die mehrfache Wiederholung der Echo-Planar-Kodierung während eines Signalabfalls wxro. ein Verlauf des Signalabfalls in der Abfolge von rekonstruierten Einzelbildern dargestellt.Imaging method. Spatial coding takes place in the shortest possible period of time, which is repeated several times during a signal drop and is usually 10 to 100 ms. By repeating the echo planar coding several times during a signal drop wxro. a course of the signal drop is shown in the sequence of reconstructed individual images.
Die Anzahl der Bilder, welche während des Signalabfalls kodiert werden, ist abhängig von der Relaxationszeit und der Kodierungszeit Δt für ein Einzelbild.The number of images that are encoded during the signal drop depends on the relaxation time and the Coding time Δt for a single picture.
Um Änderungen der Relaxation mit höchstmöglicher Empfindlichkeit zu detektieren, wurde ein Kriterium für eine optimale Wahl des Meßzeitfensters in Abhängigkeit von der Relaxationszeitkonstanten, von der Kodierungszeit für ein Einzelbild und von der Art der Datennachverarbeitung gefunden.In order to detect changes in relaxation with the highest possible sensitivity, a criterion for an optimal choice of the measurement time window depending on the relaxation time constant, the coding time for a single image and the type of data post-processing was found.
Das Kriterium besteht in der Betrachtung eines Unterschiedssignals zwischen verschiedenen Relaxationszuständen.The criterion consists in considering a difference signal between different relaxation states.
Das Unterschiedssignal hat ein zeitliches Maximum, welches bei kleinen Relaxationsänderungen nahe 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 Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Beispielsrechnungen und Zeichnungen.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 and drawings.
Von den Zeichnungen zeigt:From the drawings shows:
Fig. 1 ein experimentelles Unterschiedssignal einer funktionalen Relaxationszeitänderung in einem ausgewählten Bildelement in Abhängigkeit von dε2 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 dε2 measuring time after signal excitation,
Fig. 2 eine relative, skalierte Erhöhung des Kontrast- Rausch-Verhältnisses CNR» gegenüber dem Kontrast- Rausch-Verhältnis CNRi einer Einzelmessung für verschiedene Auswertemethoden in Abhängigkeit von den Messungen, Fig. 3 in einem ersten Teilbild A eine Detektion von2 shows a relative, scaled increase in the contrast-to-noise ratio CNR » compared to the contrast-to-noise ratio CNRi of an individual measurement for different evaluation methods as a function of the measurements, Fig. 3 in a first partial image A, a detection of
Hirnaktivierung in vier Schritten mittels einer konventionellen Bildgebungsmethode und in Teilbild _B eine DeteJction von Hirnaktivierung mit Hilfe eines erfindungsgemäßen 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,
Die bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung sehen insbesondere vor, ein Unterschiedssignal zu verschiedenen Zeitpunkten zu detektieren. Diese Zeitpunkte liegen innerhalb eines Zeitintervalls x.The preferred embodiments of the invention provide in particular to detect a difference signal at different times. These points in time lie within a time interval x .
Insbesondere handelt es sich um ein ünterschiedssignal 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 ein Ünterschiedssignal (vertikale Achse) zwischen einer funktionalen RelaxationsZeitänderung (fMRI- Signai) im menschlichen Gehirn in einem ausgewählten Bildelement im visuellen Kortex während einer visuellenAn example is a difference signal (vertical axis ) between a functional relaxation time change ( fMRI signal) in the human brain in a selected image element in the visual cortex during a visual one
Stimulation mit einem oszillierender. Licht in Abhängigkeit von der Meßzεit nach Signalanregung (horizontale Achse) gemessen mittels schneller spektroskopischer Bildgebung in Fig. I dargestellt.Stimulation with an oscillating. Light as a function of the measuring time after signal excitation (horizontal axis ) measured by means of fast spectroscopic imaging is shown in FIG.
Hierbei handelt es sich um einen besonders einfachen Fall, bei dem das Unterschiedssignal durch ein Dif erenzsignal aus einem Relaxationssignal während einer Aktivierung und einem Relaxationssignal während eines Ruhezustands gebildet wird. Der Begriff „Unterschiedssignal" ist jedoch in keiner Weise auf Differenzsignale beschränlct, sondern beinhaltet ebenso wie der Begriff „Unterschiedsfunktion" alle Fälle, in denen Unterschiede zwischen Meßkurven erfaßt oder ausgewertet werden. Die Messung erfolgt zunächst mit einem zeitlichen Abstand der Meßpunkte von etwa 10 bis 100 , beispielsweise 18 Millisekunden . Die fMRI-Signale werden durch kernspintomographische Untersuchungen des Gehirns von Versuchspersonen ermittelt . In unmittelbarer Nähe des Gesichts der Versuchspersonen wird eine Lichtguelle, insbesondere eine Matrix von Lumineszenzdioden (Light Emitting Diode LED) , positioniert und zu Signalblitzen angeregt . Die Anregungsfreguenz liegt vorzugsweise bei etwa 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 gleich langes Ruheintervall anschließt . Bei dem Scanner handelt es sich um einen Vision I, 5 Tesla Ganzkörperscanner der Siemens Medical Systems , Erlangen, in Standardausrüstung mit einem Magnet eldgradienten von 25 mT/m. Ein derartiger Scanner ist in der Lage , Gradienten elder innerhalb von etwa 150 μs umzuschalten.This is a particularly simple case in which the difference signal is formed by a difference signal from a relaxation signal during activation and a relaxation signal during a rest 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. The measurement is initially carried out with a time interval between the measuring points of approximately 10 to 100, for example 18 milliseconds. The fMRI signals are determined by MRI examinations of the brains of test subjects. A light source, in particular a matrix of luminescent diodes (Light Emitting Diode LED), is positioned in the immediate vicinity of the test person's face and excited to signal flashes. The excitation frequency is preferably around 8 Hz. An action of the lightning signal via a signal synchronized with 'a carrier signal of a scanner time interval of several seconds, for example 5 seconds, followed by an approximately equally long rest period followed. The scanner is a Vision I, 5 Tesla full-body scanner from Siemens Medical Systems, Erlangen, in standard equipment with a magnetic gradient of 25 mT / m. Such a scanner is able to switch gradients elder within approximately 150 μs.
Bei der Bildgebungsmethode handelt es sich vorzugsweise um eine Echo-Planar-Bildgebungsmethode , beispielsweis e eine konventionelle Ξcho-Planar-Methode - EPI ( Echo-Planar- Imaging) .The imaging method is preferably an echo planar imaging method, for example a conventional Ξcho planar method - EPI (Echo Planar Imaging).
Diese beinhaltet beispielsweise eine wiederholte Anwendung einer zweidimensionalen Echo-Planar-Bildkodierung . 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 . Eine derartige , gleichfalls vorteilhafte Implementierung der erfindungs gemäßen Methode erfolgt vorzugsweise mit PEPSI ( Proton-Echo-Planar-Spectroscopic-Imaging) . Bei einer zweckmäßigen Durchführungsform des Verfahrens wird die Auflösung an die Stärke der RelaxationsSignale angepaßt. Bei dem Vorliegen von mehreren, ähnlichen Signalen, deren Differenzsignal untersucht werden soll, ist es jedoch noch vorteilhafter, die Auflösung an die Differenzfunktion anzupassen. Der funktionale Zusammenhang zwischen der Auflösung und der Differenzfunktion wird dabei vorzugsweise so gewählt, daß bei einem größeren Signal der Wert für die Auflösung höher ist.This includes, for example, repeated use of 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. Such an equally advantageous implementation of the method according to the invention is preferably carried out using PEPSI (Proton-Echo-Planar-Spectroscopic-Imaging). In an expedient embodiment of the method, the resolution is adapted to the strength of the relaxation signals. If there are several similar signals whose difference signal is to be examined, it is even more advantageous to adapt the resolution to the difference function. The functional relationship between the resolution and the difference function is preferably chosen so that the value for the resolution is higher for a larger signal.
Unter der Annahme eines exponentiellen Abfalls der Relaxations urven ergibt sich für das in Fig. 1 dargestellteAssuming an exponential drop in the relaxation curves, the result shown in FIG. 1 results
Unterschiedssignal ΔS(t) :Difference signal ΔS (t):
AS(t) = S0(e-"τ> a) - e-" m) w AS (t) = S 0 (e- "τ> a) - e-" m ) w
wobei T2 *(a) und T*(b) Relaxationszeitkonstanten in einem aktivierten Zustand (a) und in einem Grundzustand (Baseline State - b) sind und wobei S0 eine Ausgangssignalin ensität bezeichnet .where T 2 * (a) and T * (b) are relaxation time constants in an activated state (a) and in a basic state (Baseline State - b) and wherein S 0 denotes an output signal entity.
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:
Figure imgf000013_0001
(2)
Figure imgf000013_0001
(2)
wobei T2* die Relaxations zeit im Basiszustand bezeichnet .where T 2 * denotes the relaxation time in the basic state.
Es entsteht eine im wesentlichen glockenförmige Kurve, die ein Maximum bei t=T2 * hat. Bei einer bevorzugten Meßfeldstärke von ungefähr 1,5 Tesla nimmt t einen typischen Wert von ungefähr 70 ms ein.There is an essentially bell-shaped curve, the has a maximum at t = T 2 * . In a preferred measurement field of about 1.5 Tesla ärke t t assumes a typical value of about 70 ms.
Das Maximum beträgt:The maximum is:
ATAT
10.3710.37
TT
(3)(3)
Eine bevorzugte Aus führungsform der Erfindung sieht vor, davon auszugehen, daß es sich bei Rauscheffekten um ein sogenanntes weißes , thermisches Rauschen mit einem nahe Null liegenden Mittelwert und einer Standardabweichung σ handelt .A preferred embodiment of the invention provides that it is assumed that noise effects are a so-called white, thermal noise with an average close to zero and a standard deviation σ.
Durch geeignete Dur chführungs formen des Auswerteverfahrens wird gegenüber einer Einzelpunktmessung ein erhöhtes Signal - Rausch-Verhältnis erzielt . Während bei einer Einzelmessung das Kontrast -Rausch-Verhältnis ( Contrast Noise Ratio CNR) der FormelBy means of suitable implementation forms of the evaluation method, an increased signal-to-noise ratio is achieved compared to a single point measurement. While in a single measurement the contrast-noise ratio (Contrast Noise Ratio CNR ) of the formula
Figure imgf000014_0001
Figure imgf000014_0001
entspricht, kann bei den hier dargestelltencan correspond to those shown here
Darchführungsformen des Auswerteverfahrens ein erhöhtes Kontrast-Rausch-Verhältnis erzielt werden.Implementation forms of the evaluation method an increased contrast-to-noise ratio can be achieved.
Eine erste Ausführungsform eines bevorzugten Auswerteverfahrens sieht vor, für N Zeitpunkte den gemessenen Effekt zu summieren und ein Durchschnittssignal zu bilden. Das Durchschnittssignal ergibt ein gutes Maß für Ξ0TZ . Unter der Annahme von äguidistanten Meßintervallen Δt für jede einzelne Meßwertaufnahme und gleiche Rauschstärke in j edemA first embodiment of a preferred evaluation method provides for summing the measured effect for N times and forming an average signal. The average signal gives a good measure of Ξ 0 T Z. Assuming constant measurement intervals Δt for each individual measured value recording and the same noise level in each
Punkt gilt für das auf summierte Signal ( t = i X Δt ) :Point applies to the summed signal (t = i X Δt):
Figure imgf000015_0001
Figure imgf000015_0001
(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 Tz , 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 z , 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:
(B)
Figure imgf000015_0002
(B)
Figure imgf000015_0002
wobei x wie folgt definiert wird:where x is defined as follows:
Λ Γ Λ + V -LΛt x — —Λ Γ Λ + V -LΛt x - -
( 9)(9)
Die Rauscheffekte in dem auf summierten Signal nach Formel 8 haben die Standardabweichung:The noise effects in the summed signal according to formula 8 have the standard deviation:
2Nσ (10) Das Kontrast-Rausch-Verhältnis ergibt sich wie folgt:2Nσ (10) The contrast-to-noise ratio is as follows:
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000016_0001
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-Verhältnis CNR in Abhängigkeit von der Länge der Meßzeit nach Signalanregung , der Relaxationsrate R2 = 1/Υ∑' und einer Kodierzeit Δt für verschiedeneAs can be seen, for example, from FIG. 2, the contrast-to-noise ratio has a maximum at x = 3.2. 2, the contrast-to-noise ratio CNR is a function of the length of the measurement time after signal excitation, the relaxation rate R2 = 1 / Υ∑ ' and a coding time Δt for various
Datenauswertungsverfahren: Summierung der Einzelmessungen (Summation) , exponentiell gewichtete Summation (Exponentially Weighted Summation) , optimal gewichtete Summierung (Weighted Summation, Weighted Filter) sowie für eine Kurvenanpassung (Fitting) dargestellt.Data evaluation method: summation of the individual measurements (summation), exponentially weighted summation (exponentially weighted summation), optimally weighted summation (weighted summation, weighted filter) and for curve fitting (fitting).
Ein maximales Kon as -Rausch-Verhältnis läßt sich erzielen, wenn die Messungen bis zu der ZeitA maximum Kon as-to-noise ratio can be achieved if the measurements are made up to the time
Tnas = NΔt= 3.2T2 ' (12) durchgeführt werden.T nas = NΔt = 3.2T 2 ' (12).
Für ein entsprechend gewähltes N ist das Kontras -Rausch- Verhältnis maximal und beträgt gemäß der Formel:For an appropriately chosen N, the contrast-to-noise ratio is maximum and, according to the formula:
(13>
Figure imgf000016_0002
(13 >
Figure imgf000016_0002
maximal 0 , 6.maximum 0, 6.
Zu einer weiteren Erhöhung des Kontrast-Rausch-Verhältnisses ist es zweckmäßig, eine gewichtete Summation des Signals gemäß Gleichung 14 vorzunehmen.To further increase the contrast-to-noise ratio it is expedient to carry out a weighted summation of the signal according to equation 14.
Figure imgf000017_0001
Figure imgf000017_0001
Vorzugsweise wird in Formel 14 ein Wichtungsfaktor w(tN) gemäß Formel 15 eingesetzt.A weighting factor w (t N ) according to formula 15 is preferably used in formula 14.
-Rl-t w(tn) = R2in ' e n (15)-Rl-t w (t n ) = R2i n 'en (15)
Hierbei geht in den Wichtungsf aktor w ( tN) eine erwartete Relaxationsrate in einer zu untersuchenden Probe ein. Dabei handelt es sich vorzugsweise um die mittlere Relaxationsrate in der untersuchten Probe .An expected relaxation rate in a sample to be examined is included in the weighting factor w (t N ). This is preferably the average relaxation rate in the sample examined.
Für das Kontrast-Rausch-Verhältnis ergibt sich die nachfolgende Formel :The following formula results for the contrast-to-noise ratio:
Figure imgf000017_0002
Figure imgf000017_0002
Bei dieser Variante des Auswerteverfahrens nimmt die Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses bei der Mehrpunktmessung einen besonders hohen Wert von 1 , 4 ein . Die Meßzeit beträgt wiederum vorzugsweise 3.2 T2\ Durch eine derartige gewichtete Summation ist es somit möglich, ein noch besseres Resultat für das Kontrastverhältnis zu erzielen als bei einer konventionellen Summation. Bereits in dem einfachen Fall, daß innerhalb der in Fig. 1 argestellten jΞloc-kenkurve die Auflösung um einen Faktor 2 höher ist als in anderen Zeitbereichen, wird eine Erniedrigung des Rauschens um den Faktor l/v2 festgestellt.At d ies e r V a rian te de s evaluation method, the increase takes d is S i g na l - R of C h - Ve r h ä lt ni s s s in the multi-point measurement a particular t he s as high as 1, 4 on . The measurement time is in turn preferably 3.2 T 2 \ By such a weighted summation, it is possible, an even better R e s u LTAT f or s a r a Cont stverhältnis to achieve than with a conventional summation. Even in the simple case that within the jΞloc curve shown in FIG. 1 the resolution is higher by a factor of 2 than in other time ranges, the noise is reduced by a factor of l / v2.
Eine weitere Variante des Auswerteverfahrens besteht 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 erfindungsgemäßen Auswertemethode anhand einer Betrachtung zur Theorie der Rauscheffekte und anhand von Experimenten dargestellt.Hereinafter, the V orteilhaftigkeit the evaluation method according to the invention from a consideration of the theory of noise effects and on the basis of experiments shown.
Das Gesamtsignal Sr(t ergibt sich wie folgt:The total signal S r (t results as follows:
Sr(tn) = Sne K tn + gr{tn) +hr{tn)S r (t n ) = S n e K tn + g r {t n ) + h r {t n )
\J\ J
_P7 * _P7 *
Hierbei bezeichnet sQe }1 das reine Signal, gtι; ein weißes Rauschen und h,(t einen Einfluß von physiologischen Störsignalen der zu untersuchenden Probe, wobei es sich vorzugsweise um Signale mit einer niedrigen Frequenz handelt.Here s Q e } 1 denotes the pure signal, g t ι t » ; e i n white noise and h (t influence of physiological interference of the test sample, wherein s i ch preferably are signals having a low frequency.
Der Index r nimmt dabei Werte von 1 bis NR an und bedeutet die Anzaiil der Wiederholungen der Relaxationsmessungen; der Index n nimmt Werte von 1 bis N an und zählt die Anzahl der Echosignale während einer Relaxationsmessung.The index r case takes values from 1 to NR and means Anzai i l of W iederholungen the relaxation measurements; the index n takes values from 1 to N and counts the number of echo signals during a relaxation measurement.
Um aus diesem gemessenen Signal eine Änderung der Relaxation in Abhängigkeit von einer Gehirnaktivierung zu extrahieren, sind verschiedene, anhand der nachfolgenden Formeln erläuterte, Ansätze möglich: Bei einer Summation über die Echosignale ergibt sichIn order to extract a change in relaxation as a function of brain activation from this measured signal, various approaches, explained using the following formulas, are possible: With a summation over the echo signals, i results
Figure imgf000019_0001
Figure imgf000019_0001
während 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 " (20) . - R2 * tw (t n \ = R2t n 'e "( 20 ).
Ein weiteres Verfahren ist ein Fit-Verfahren, wie es anhand der nachfolgenden Formel dargestellt ist :Another V is experienced a fit procedure, as is shown by the following formula:
?- = !.?"- 2r ) <= S(tn) ~ Sn€ "~ "n (21)? - =!.? " - 2 r ) <= S (t n ) ~ Sn € " ~ "n (21)
~r {"Or 7r J 0~ r { " Or 7 - r J 0
Wie bei den allgemeinen Überlegungen kann auch hier davon ausgegangen w -^erAdenrs, πc-ßft ctcrr fiMti-.i*-tβi *^ des weißen Rauschens gleich Null ist oder nahe Null liegt. Das Kontrast-Rausch- Verhältnis (Contrast-to-Noise Ratio-CNR) ergibt sich aus ΔS dividiert durch das Gesamtrauschen. Im Anschluß erfolgt eine Ermittlung des Unterschiedswertes für mindestens zwei Messungen. A s in the general considerations may Ü w assumed here it - ^ he is the A rs, πc-ß ft ctcrr fiMti-.i * * -tβi is ^ 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 Ausführungsform der Erfindung wird für jedes einzelne Echosignal eine Korrelationsanalyse über mehrere, zeitl-Lch na_±-einander erfolgende, Relaxationsmessungen durchgeführt. Die Korrelationsanalyse .erfolgt auf bekannte Weise, wobei eine Durchführung gemäß des Artikels von Peter A. Vandettini et al. in: MagneticAccording to another preferred embodiment of the invention For each individual echo signal, a correlation analysis is carried out over several relaxation measurements, which take place one after the other. The correlation analysis is carried out in a known manner, an implementation according to the article by Peter A. Vandettini et al. in: Magnetic
Resonance in Medecine, Bd. 30, S. 161-173, 1993, auf den vollinhaltlich Bezug genommen wird, besonders zweckmäßig ist.Resonance in Medecine, vol. 30, pp. 161-173, 1993, to which full reference is made, is particularly expedient.
Der Erwartungswert für den Korrelationskoeffizienten (correlation coefficient c.c.) beträgtThe expected value for the correlation coefficient (c.c.) is
(σ.c.) = c.c0 1- (22) , wobei(σ.c.) = cc 0 1- (22), where
2AS2 2AS 2
Figure imgf000020_0001
Figure imgf000020_0001
Der Korrelationskoeffizient c.c. weist eine StandardabweichungThe correlation coefficient c.c. exhibits a standard deviation
Figure imgf000020_0002
Figure imgf000020_0002
auf.on.
Daran anschließend erfolgt eine Kombination der Korrelationskoeffizienten, beispielsweise durch eine Mittelung.This is followed by a combination of the correlation coefficients, for example by averaging.
Eine experimentelle Oberprüfung des erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens erfolgte anhand von kernspintomographischen Untersuchungen des Gehirns von Versuchspersonen. En .unmittelbarer Nahe des Gesichts der Versuchspersonen wurde eine Lichtquelle, insbesondere eine Matrix von Lumineszenzdioden (Light E itting Diode LED) positioniert und zu Signalblitzen angeregt. DieAn experimental upper test of the evaluation method according to the invention was carried out using MRI 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 signal flashes. The
Anregungsf equenz 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 gleich langes Ruheintervall anschließt. Bei dem Scanner handelt es sich um einen Vision 1, 5 Tesla GanzkörperScanner der Siemens Medical Systems, Erlangen, in Standardausrüstung mit einem Magne feldgradienten von 25 mT/m. Ein derartiger Scanner ist in der Lage, Gradientenfelder innerhalb von etwa 150 μs umzuschalten.Excitation frequency is 8 Hz. The signal flashes take effect over 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 full-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 150 μs.
Als spektroskopische Bildgebungsmethode wurde TURBO-PEPSI (Proton-Echo-Planar-Spectroscopic-Imaging) eingesetzt .TURBO-PEPSI (Proton-Echo-Planar-Spectroscopic-Imaging) was used as the spectroscopic imaging method.
Eine Datenanpassung erfolgt gemäß der Exponentialfunktion:Data is adjusted according to the exponential function:
Figure imgf000021_0001
Figure imgf000021_0001
wobei ein nicht linearer Least-square-Fit eingesetzt wird.using a non-linear least-square fit.
Von Voxeln, in denen die Signalintensität beim ersten 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 Daten und den gefitteten Daten 0,95 überschritt, wurden parametrischeCorrelation coefficient between the measured data and the fitted data exceeded 0.95, were parametric
Bilder von T2 *, der Ausgangssignalamplitude Ξ0 und von χ2 gebildet . 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.Images of T 2 * , the output signal amplitude Ξ 0 and of χ 2 are formed. 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 dieAlternatively, the echoes of each relaxation measurement are averaged and subsequently both for the
10 parametrischen Bilder als auch für die gemittelten Bilder eine Korrelationsanalyse durchgeführt.10 parametric images as well as a correlation analysis for the averaged images.
Die Experimente zeigten ausgedehnte Aktivierungsbereiche des primären visuellen Kortex (Vx) sowie in angrenzenden Regionen 15 (V2) des visuellen Kortex.The experiments showed extensive activation areas of the primary visual cortex (V x ) as well as in adjacent regions 15 (V 2 ) of the visual cortex.
Die Erfindung ist mit einer Vielzahl von Vorteilen verbunden. Hierzu gehört eine Optimierung der Meßempfindlichkeit für eine quantitative Messung der Relaxationszeit und der 20 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 eineThe invention has a number of advantages. This includes optimizing the detection sensitivity for quantitative measurement of the relaxation time and the 20 qualitative change in relaxation. This makes it possible, with the highest possible imaging Bandbre i te (shortest time coding) has minimal spatial distortion to use, and by a measurement of an optimum number of codes to signal excitation e i ne
? c maximale Meßempfindlichkeit zu erzielen.? c to achieve maximum sensitivity.
Das Ausx^erteverfahren kann in Echtzeitmessungen eingesetzt werden, um eine Analyse von Relaxationsänderungen in vivo zu ermöglichen. Zweckmäßigerweise wird eine erfindungsgemäßeThe evaluation method can be used in real-time measurements to enable relaxation changes to be analyzed in vivo. One according to the invention is expediently
-?n Meßvorrichtung so ausgestaltet, daß sie das Auswerteverfahren durchführt .-? n measuring device designed so that it carries out the evaluation process.
Die erfindungsgemäßen Bildgebungsverfahren sind besonders vielseitig. Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, eine 35 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 haben den Vorteil, daß sie ein besonders robustes Auswerteverfahren darstellen.The imaging methods according to the invention are particularly versatile. It has been found useful to have a 35 summation or, more advantageously, a weighted one Use 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.
Außerdem ist es mit Hilfe der Erfindung möglich, bei allen Meßfeidstärken, insbesondere bei Meßfeidstärken von 0,1 Tesla bis 15 Tesla, eine optimale Anpassung der Meßempfindlichkeit zu erzielen, indem beispielsweise die Anzahl der Echosignale in Abhängigkeit der intrinsischen Relaxationszeit gewählt wird, wobei die Anzahl N vorzugsweise gemäß Formel 12 gewählt wird.In addition, with the aid of the invention it is possible to achieve an optimal adjustment of the measuring sensitivity at all measuring field strengths, in particular at measuring field strengths from 0.1 Tesla to 15 Tesla, for example by selecting the number of echo signals as a function of the intrinsic relaxation time, the number N is preferably selected according to formula 12.
Bei allen Versuchspersonen zeigte sich eine starke Aktivierung im primären visuellen Kortex (Vx) und in benachbarten Bereichen. Die beobachteten Änderungen im mit TTJRBO-PEPSI gemessenen funktionalen Signal reichten von 3 bis 20 % abhängig von der Echozeit, der Lage und von der jeweiligen Versuchsperson. Die Anregung hat ein Maximum in der Nähe von TE = T2 *. Bei einem Vergleich von ΞPI und TURBO- PEPSI-Biidern mit TE = 72,5 ms wurden sehr ähnliche Aktivierungsbilder ermittelt.All subjects showed strong activation in the primary visual cortex (V x ) and in neighboring areas. The observed changes in the functional signal measured with TTJRBO-PEPSI ranged from 3 to 20% depending on the echo time, the location and the respective test subject. The excitation has a maximum near TE = T 2 * . When comparing ΞPI and TURBO-PEPSI images with TE = 72.5 ms, very similar activation images were determined.
Bei einem Einsatz einer Korrelationsgrenze von 0,4 konnten auch kleinere Signaiänderungen bei Echozeiten von beispielsweise 12,5 ms bis 228 ms detektiert werden. Eine Mittelwertbildung der Korrelationsbilder reduziert die Intensität von Rauscheffekten im Vergleich zu EPI . Die räumliche Ausdehnung der Aktivierungszone und die Anzahl der erhöhten Korrelationskoeffizienten im visuellen Kortex vergrößern sich mit der Anzahl der aufsummierten Echos. Bei Experimenten mit längerer Anregungsdauer (7 bis 12 Sekunden) werden größere Korrelationskoeffizienten als in Messungen mit kürzeren Anregungsdauern (beispielsweise 3 Sekunden) erhalten. Es zeigt sich, daß ein besonders hoher Empfindlichkeitsgewinn durch eine Summierung der ersten, vorzugsweise der ersten 6 bis 10, insbesondere der ersten 8 Echosignale entsprechend dem Plateau der CNR-Kurve in Fig. 2, erzielt werden kann.When 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 number of increased correlation coefficients in the visual cortex increase with the number of echoes added up. Experiments with a longer excitation time (7 to 12 seconds) show larger correlation coefficients than in measurements with shorter excitation times (e.g. 3 seconds ) receive. It can be seen that a particularly high gain in sensitivity can be 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 in FIG. 2.
Der Empfindlichkeitsgewinn ist besonders für KurzZeitmessungen, insbesondere Echtzeitmessungen vorteilhaft, weil auch bei wenigen Meßwerten eine Änderung der Relaxation wirksam ermittelt werden kann. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß durch Multi-Echo-Erfassung des Unterschiedssignals eine optimale Empfindlichkeit bei beliebigen Magnetfeldstärken erzielt wird.The gain in sensitivity is particularly advantageous for short-time measurements, in particular 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 optimum sensitivity at any magnetic field strengths is achieved by multi-echo detection of the difference signal.
Die dargestellten Beispiele erläutern die Meßvorrichtung sowie das Bildgebungsverfahren anhand von NMR-Messungen am menschlichen Gehirn. Selbstverständlich können sowohl die Meßvorrichtung als auch das Auswerteverfahren zur Untersuchung von anderen Proben lebenden oder nicht lebenden Materials eingesetzt werden. The examples shown explain the measuring device and the imaging method using NMR measurements on the human brain. Of course, both the measuring device and the evaluation method can be used to examine other samples of living or non-living material.

Claims

Patentansprüche claims
1. Meßvorrichtung mit wenigstens einem Erfassungsmittel für die Aufnahme von MeßSignalen, mit einem1. Measuring device with at least one detection means for recording measurement signals, with a
Transformationsmittel zum Transformieren der Meßsignale in digitale Meßdaten, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t, daß das Erfassungsmittel und/oder das Transformationsmittel so gestaltet ist, daß es zu verschiedenen Zeiten und/oder an verschxedenen Orten Meßsignale mit einer unterschiedlichen Auflösung erfaßt und/oder unterschiedlich transformiert.Transformation means for transforming the measurement signals to digital measurement data, dadurchge ¬ indicates that the detection means and / or the transformation means is designed so that it is detected at different times and / or on verschxedenen locations measuring signals having a different resolution and / or transformed different.
2. Meßvorrichtung 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 es mindestens eine Steuereinheit zur Steuerung des Erfassungsmittels und/oder des Transformationsmittels enthält.2. Measuring device 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 at least one control unit for controlling the detection means and / or the transformation means.
3. MeßVorrichtung 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 es mindestens eine Speichereinheit aufweist, wobei die Speichereinheit Informationen zur veränderlichen Transformation der Meßsignale in die Meßdaten enthält.3. Measuring V orrichtung according to any one of claims 1 or 2, dadurchgekennzeich - net that it comprises at least a memory unit, wherein the storage unit contains information about the variable transformation of the measurement signals in the measurement data.
4. 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 eine Meßvorrichtunσ nach einem der Ansprüche 1 bis 3 enthält.4. Nuclear magnetic resonance scanner, so that it contains at least one measuring device according to one of claims 1 to 3.
Meßverfahren, bei dem Meßsignale erfaßt 'und in digitale Meßdaten transformiert werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zu verschiedenen Zeiten und/oder an verschiedenen Orten Meßsignale mit einer unterschiedlichen Auflösung erfaßt werden und/oder unterschiedlich transformiert werden.Measuring method in which measuring signals are recorded and transformed into digital measuring data, characterized in that measuring signals are recorded with different resolutions at different times and / or at different locations are and / or transformed differently.
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 die Meßsignale in einem Ausmaß, das mindestens einem Modell entspricht, unterschiedlich erfaßt und/oder unterschiedlich transformiert werden.6. The method according to claim 5, that the measurement signals are detected differently and / or transformed differently to an extent that corresponds to at least one model.
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 das Modell vor der Messung festgelegt wird.7. The method of claim 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the model is determined before the measurement.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h - n e t, daß das Modell während der Messung verändert wird.8. The method according to any one of claims 5 or 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h - n e t that the model is changed during the measurement.
9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Modell ausgehend von einem vorher festgelegten Startmodell verändert wird.9. The method of claim 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the model is changed starting from a predetermined start model.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h - n e t, daß eine Kompression der Meßsignale und/oder der Meßdaten erfolgt .10. The method according to any one of claims 5 to 9, so that the compression of the measurement signals and / or the measurement data takes place.
11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d c h g e k e n e i c n e t, daß die Kompression der Meßsignale und/oder der Meßdaten für zu verschiedenen Zeiten und/oder an verschiedenen Orten gemessene Signale variiert.11. The method according to claim 10, d a d c h g e k e n e i c n e t that the compression of the measurement signals and / or the measurement data for signals measured at different times and / or at different locations varies.
12. Bildgebungsverfahren, bei dem aus Meßsignalen wenigstens ein Bild erzeugt wird, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t, daß das Verfahren entsprechend einem der Ansprüche 5 bis 11 durchgeführt wird. 12. Imaging method in which at least one image is generated from measurement signals, thereby indicates that the method is carried out according to one of claims 5 to 11.
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