Differenz
ATP
α β
-20 -15
-10 -5
0 5
10
ppm
Abb.3.14: DieselbenSignaldatenwieinAbb.3.12mitVARPROangepasst. Als
A-priori-Informationwurden dieungefährenLinienpositionenundLinienbreiten,sowie
dieDublett- bzw.Triplett-StrukturderATP-Linienangegeben.
A-priori-Informationen werden aber einzelne Linien der VARPRO-Abschätzung
nichtdurchzweiLiniendesModellspektrumsgeschätzt,unddieAufspaltungund
relativenIntensitätender Multiplettsentsprechen den physikalischen
Erwartun-gen.
Tab.3.3: Ergebnisse des VARPRO-Fits: Die Amplituden (Zeitdomäne) sindrelativ zur
AmplitudederPCr-Linieaufgetragen. A-priori-Informationenbeinhalten
Kopp-lung, Linienbreite und Amplitudenverhältnisse der ATP-Linien (Dubletts und
Triplett). Da der Algorithmus eineglobale Phaseerster und zweiter Ordnung
berechnet,werdenfürdieeinzelnenResonanzenkeinePhaseninformationen
an-gegeben(s.Abb.3.14).
Linie Frequenz[ppm] Amplitude[a.u.] Linienbreite[Hz]
PME 6,82 74,7615,44 26,77
P
i
5,17 41,96 8,98 16,55
PDE 3,05 291,0740,80 52,81
PCr 0,22 100,00 4,50 7,93
-ATP1 -2,03 43,34 3,81 14,13
-ATP2 -2,65 43,34 3,81 14,13
-ATP1 -7,07 61,78 6,95 23,97
-ATP2 -7,70 61,78 6,95 23,97
-ATP1 -15,36 19,90 1,91 13,85
-ATP2 -15,98 39,80 3,82 13,85
-ATP3 -16,60 19,90 1,91 13,85
3.6 Segmentierung und Pulsprolkorrektur
Beider Interpretationder Spektrenund insbesondere beider
Absolutquantizie-rungvonMetabolitensignalenistdieZusammensetzungdes jeweiligen mitMRSI
gemessenen Volumens (Voxel) aus grauer Gehirnsubstanz (GM), weiÿer
Gehirn-substanz (WM) und Liquor (CerebroSpinal Fluid, CSF) von Bedeutung.
Ver-schiedene Studien haben gezeigt, dass Metabolitenkonzentrationen in
verschie-denen Gehirnregionen und Gewebetypen (GM und WM) unterschiedlich sind
[Heth01a,Wang98a,Webe00a]. InCSFndetmannursehrgeringe
Metaboliten-konzentrationen. ZusätzlichkannbeipathologischenBefundenwieDAT(Demenz
vomAlzheimerTyp)oderSchizophreniedieZusammensetzungderGewebetypen
inbestimmtenGehirnregionenverändert sein[Nair97a,Sull98a]. Besondersinder
klinischen Anwendung der MRS spielt daher die gewebliche Zusammensetzung
der aufgenommenen Voxel daher wichtige Rolle.
KortikalegraueGehirnsubstanz hat eineDickevon3mmbis6mmundist
inho-mogen im Voxel verteilt. Mit typischen (nominalen) Voxelgröÿen von 1 cm 3
bis
4cm 3
inder 1
H-Spektroskopieund27cm 3
odermehrinder 31
P -Spektroskopie
wer-den in der Regel die Metaboliten-Konzentrationen verschiedener Gehirngewebe
und CSF gemessen. Der interindividuelle Vergleich der gemessenen
Konzentra-tionenwird dadurch erschwert.
Das Programm SPM99 (SPM = Statistical Parametric Mapping) wurde
ur-sprünglichzurAuswertungvonPET-Datenverwendet,undwirdinzwischenauch
zur Datenanalyse in der funktionellen MR-Bildgebung (fMRI) eingesetzt
[Ash-b97a]. SPM99kannunteranderemhochaufgelösteanatomische3D-Datensätzein
GM, WM und CSF segmentieren und verschiedene anatomische Datensätze
ko-registrieren,alsoinräumliche Übereinstimmungbringen. Das Programmbasiert
aufdem Expertensystem MATLAB (Kap.3.2) undder Quellcode istfrei
verfüg-bar. Es wurde daherauf der Basisvon MATLAB einProgrammentwickelt, das
dieSegmentierungund KoregistrierungvonSPMverwendet undfür die
Auswer-tung einerMRSI-Messung nutzbar macht.
Um eine Segmentierung der Voxel einer MRSI-Messung zu erreichen, müssen
verschiedene Arbeitsschritte durchgeführt werden (Abb. 3.15):
Abb.3.15: Schematische Darstellung der verschiedenen Arbeitsschritte zur
Segmentie-rung, Koregistrierungund Korrektur der hochaufgelösten 3D-Bilddaten
[We-be01a].
DieSegmentierung eines hochaufgeösten 3D-Datensatzes inGM, WM und
CSF.
DieKoregistrierungdersegmentiertenDatenzumSpektroskopie-Datensatz.
Korrekturder Daten bezüglichdes Spektroskopie-Aufnahmeverfahrens
un-ter Berücksichtigung des durch die Point-Spread-Funktion beschriebenen
Voxelbleedings (s. Kap. 2); Korrektur bezüglich der durch die chemische
Verschiebung der beobachteten Metaboliten verursachten räumliche
Ver-schiebung des angeregten Volumens; Korrektur bezüglich der
Anregungs-prolebei volumenselektiven Sequenzen.
Insgesamt werden drei verschiedene Datensätze benötigt: (1) Ein
hochaufgelö-ster morphologischer 3D-Bilddatensatz und eine ausreichende Anzahl von (2)
2D-Lokalisierungsbildern,diezusammen mitden (3)MRSI-Daten aufgenommen
werden.
Diehochaufgelösten3D-BilddatenwerdenzuerstmiteinermodiziertenRoutine
vonSPM99 inGM,WM undCSFsegmentiert. Der implementierteAlgorithmus
bewirkteine guteSegmentierung,dieaufdemmaximumlikelihoodmixture
mo-del und zusätzlichem Vergleich mit Referenzbildern (Templates) beruht. Die
Templates wurden durch manuelle Segmentierung und Mittelung einer groÿen
Anzahl von Probanden erstellt und sind Teil von SPM99 [Ashb97a,Wrig95a].
Die Segmentierungsroutine erstellt drei 3D-Datensätze mit
Wahrscheinlichkeits-bildernfürGM,WMundCSF,diediegleicheAuösunghabenwieder
ursprüng-liche 3D-Datensatz und für dieweiteren Berechnungen verwendet werden.
In einem zweiten Schritt werden die 3D-Bilddaten mit dem MRSI-Daten
ko-registriert. Dies geschieht ebenfalls mit Hilfe einer modizierten Routine von
SPM99, die die hochaufgelösten 3D-Bilder mit den Lokalisierungsschichten, die
parallelzumSpektroskopie-Datensatzliegenkoregistriert. Dieane
Transforma-tionsmatrix,diedie3D-DatenindenRaumderLokalisierungschichtenüberführt,
wird dann auf jedes der segmentiertenWahrscheinlichkeitsbilderangewandt, die
beider MR-Untersuchung erhalten wurden.
Um die räumliche Lage der MRSI-Daten in den Lokalisierungsbildern zu
be-stimmen, werden die Position, Auösung und Schichtführung sowohl der
Loka-GM: 7.03 % WM: 88.87 % CSF: 4.09 %
B
A C
D
E
Abb.3.16: Koregistrierung der verschiedenen Datensätze und Ergebnisse der
Segmen-tierungskorrektur. A: Die Lokalisierungsschicht parallel zur Mitte der
Spektroskopie-Schicht. DasMRSI-Gitter und dasVOI einerPRESS-Sequenz
sind überlagert. B: Die zur Lokalisierungsschicht korrespondierendeSchicht
durch den koregistrierten hochaufgelösten3D-MRI-Datensatz. Zur
Überprü-fung der Koregistrierung ist ein Konturplot von A überlagert. C:Sagittaler
Schnitt durch den 3D-MRI-Datensatz. Die Position des VOI und der
Loka-lisierungsschicht sind eingezeichnet. D: Die zu B korrespondierend Schicht
durchdiesegmentierten3D-Datensätze. E:Intensitätsbilderder
Gewebeantei-le(GM, WM,CSF)derMRSI-Voxelnach KorrekturderDatenbezüglich der
VOI-Fehllokalisation durch chemische Verschiebung (2,02 ppm, NAA) sowie
derHF-PulsproleundPSF.
lisierungsbilder, als auch der MRSI-Daten aus den Rohdaten gelesen und
a-ne 44-Transformationsmatrizen erstellt. Eine weitere Matrix wird aus den im
Spektroskopie-Rohdatensatz enthaltenen Informationen über das angeregte
Vo-lumen (Volume Of Interest, VOI) beivolumenselektiven PRESS- oder
STEAM-Sequenzen (Kap. 3.4) erstellt.
Dadurch liegt ein Satz von Transformationsmatrizen vor, durch den Punkte im
VOIdes Spektroskopie-Datensatzesindensegmentiertenundkoregistrierten
3D-Daten dargestellt werden können und umgekehrt. Abb. 3.16 A-D zeigt die
Ko-registrierungder verschiedenen Datensätze.
Bevor dieGewebeanteile der MRSI-Voxel bestimmtwerden können, müssen
ver-schiedene Korrekturen anden segmentierten Daten durchgeführt werden:
Für 2D-MRSI Messungen muss in Abhängigkeit der chemischen Verschiebung
der gemessenen Metaboliten dieFehllokalisationder Schicht bzw. dem VOI (bei
PRESS-oder STEAM-Sequenzen) korrigiertwerden. DazuwerdendieMatrizen,
diediePosition desVOIund derMRSI-Schicht denieren,entsprechend der
che-mischen Verschiebung desbetrachtetenMetabolitenkorrigiert. DieWerte fürdie
Verschiebung hängen von den verwendeten Gradienten abund sind in Einheiten
von mm/ppmimSpektroskopie-Rohdatensatz enthalten.
Dabeischicht-und volumenselektivenMRSI-Sequenzen dieIntensitätsverteilung
imangeregten Volumenin der Regel kein perfektes rechteck-förmiges Prol hat,
wurden die Pulsprole der verwendeten Sequenzen gemessen. Hierzu wurde ein
Bildgebungssequenz geschrieben, die die selektiven Pulse einer
volumenselekti-ven MRSI-Sequenz mit dem hochauösenden Akquisitionsschema einer
Bildge-bungssequenz verbindet. Die Anregung des VOI bzw. das Schichtprol (bei
2D-Sequenzen ohne Volumenselektion) wurden in einem Wasserphantom mit einer
Auösungvon1mm 2
gemessenundProledurchdasZentrumdesVOIextrahiert
(Abb. 3.17 A-C).
DiegemessenenPulsprolewerdenjeweilsandietatsächlicheGröÿeundPosition
des VOI bzw. der Schicht im gemessenen Datensatz angepasst. Zur Korrektur
desPulsprolsinSchichtselektionsrichtungwerdenübereinenBereichvon40mm
senkrecht zur Spektroskopie-Schicht in Abständen von 1 mm Schichten aus den