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slice profile [mm]

Im Dokument Ch Cr (Seite 101-112)

A

D E F

S α

z [mm] y [mm] x [mm]

Abb.3.17: Gemessene Schichtprole einer PRESS-Volumenselektion und Korrektur der

Bilddaten. A: Signalintensität als Funktion von z nach 180°-Anregung in

Schichtselektionsrichtung. B: Signalintensität als Funktion von y nach

180°-Anregung in Phasenkodierrichtung. C: Signalintensität als Funktion von x

nach 90°-Anregung in Ausleserichtung. D: Zentrale Schicht durch den

3D-Datensatzkorrespondierend zurSpektroskopie-Schicht undmit dem

PRESS-VOIüberlagert. E:VOI-Prolbild,dasausdenProlenvonBundCberechnet

wurdeunddasaufdietatsächlicheGröÿedesaktuellenDatensatzesangepasst

wurde. F:KorrigiertesBild durch ÜberlagerungvonDundE.

drei segmentierten 3D-Datensätzen parallel zum Spektroskopie-Datensatz

extra-hiert, mitdem Schichtprol normiertund gemittelt.

In Phasen- und Ausleserichtung wird einProlbild erstellt,das die

Signalvertei-lunginnerhalbdesVOIdarstellt. Diedrei(GM,WM,CSF)mitdemSchichtprol

gewichteten Mittelwertbilderwerden mit dem Prolbild überlagert. Das

Ergeb-nissind dreihochaufgelöste Bilder(1mm 2

inderBildebene), diedietatsächliche

räumlicheIntensitätsverteilungder BeiträgevonGM,WMundCSF zum

gemes-senen Signal widerspiegeln(Abb. 3.17 D-F).

Zuletzt müssen die segmentierten Bilddaten an das Aufnahmeverfahrenq der

MRSI-Sequenzangepasstwerden. InAbhängigkeitvonder Auösungder

MRSI-Sequenz und der Methode der k-Raum Abtastung verteilt sich das Signal der

Metaboliten eines ausgewählten Spektroskopie-Voxels auf die benachbarten

Vo-xel und in geringerem Ausmaÿ auf den gesamten Datensatz (Voxelbleeding; s.

Kap. 2). Daraus folgt, dass das Metabolitensignal eines Spektroskopie-Voxels

nicht nuraus der Gewebezusammensetzung über dieräumliche Ausdehnung des

Voxels resultiert. Das spezische Muster, mit dem das Signal eines Voxels über

diegesamte Schicht verteilt ist, wird durch die Point-Spread-Funktion

beschrie-ben,dieeineFolgederdiskretenFouriertransformationist. DieFormderPSF ist

vonder Auösung, der Abtastungsmethode des k-Raums,der räumlichen

Filter-funktion und von der Verteilung der Metaboliten innerhalb der Voxel abhängig.

Somitmuss die PSF der MRSI-Messung bestimmt und mitden hochaufgelösten

MRI-Bildern gefaltet werden, um den tatsächlichen Beitrag der

Metabolitensi-gnaleaus GM,WM und CSF bestimmen zu können.

A

B C

D

Abb.3.18: Korrektur der Point-Spread-Funktion: A: Gemitteltes und

prolkorrigier-tes GM-Bild; B und C: Real- und Imaginärteil des berechneten

k-Raum-Bildes(sphärischesAufnahmeverfahrenmitüberlagerterFilterfunktion[Gauss,

50%]). D: PSF-korrigiertes GM-Bild in Auösung des MRSI-Datensatzes

durchFouriertransformationvonBundC.

Der Einuss der Point-Spread-Funktion wird berechnet, indem das

Aufnahme-schemader Spektroskopie-Sequenz(orthogonalePhasenkdoiergradienten) aufdie

drei segmentierten hochaufgelösten Datensätze angewendet wird. Im Falle von

zweidimensionalen MRSI-Sequenzen werden die mit den Pulsprolen

korrigier-ten und über die Schicht gemittelten Datensätze verwendet. Diese Abtastung

der hochaufgelösten Daten gewährleistet die Erfassung von Veränderungen in

derPoint-Spread-FunktiondurchasymmetrischeMetabolitenverteilunginnerhalb

der MRSI-Voxel durch gewebeabhängige Konzentrationsunterschiede [Marc91a].

Durch Berechnung der Auswirkung jedes Phasenkodiergradienten der

Spektros-kopie-Sequenz auf die segmentierten, hochaufgelösten Mittelwertbilder wird ein

komplexes k-Raum-Bild erstellt, das die Signale der Gewebetypen in der

Spek-troskopie-Messung repräsentiert.

DurchdenEinussderPhasenkodiergradienten währenddes Kodierungsschrittes

(m;n), erhalten Spins (bzw. das Signal in den hochaufgelösten segmentierten

Bildern) an der Position (x;y) eine Phasenverschiebung von

'

DerEinussderGradientenwirddurchM NPhasenkodierschritteder

Spektros-kopie-Sequenz und dieMatrixgröÿe X,Y der hochaufgelösten Daten dargestellt.

Die allgemeine Form der Signalmatrixan der Position (m;n) imk-Raum ist

S(k

wobei (x;y)die Spindichtean der Position (x;y) ist. Verwendet die

Spektros-kopie-Sequenz ein Standardabtastverfahren, dann ergibt sich die

korrespondie-rende k-Matrixaus den Summen

S

wobei die Spindichte

xy

nun der Signalintensität eines Punktes an der

Po-siton (x;y) in den segmentierten Bildern entspricht. Wird für die

Spektros-kopie-Sequenz ein sphärisches Aufnahmeverfahren verwendet, werden nur solche

S

mn

berechnet, für die die Bedingung m 2

+ n 2

M

2

zutrit (Abb. 3.18 B,

C) [Maud94a]. Die anderen Werte von S werden gleich Null gesetzt. Die

be-rechnete k-MatrixSwirdmitder räumlichen Filterfunktionüberlagert,dieauch

aufdie MRSI-Daten vorFouriertransformation angewendet wurde. Zuletztwird

die k-Matrix entsprechend den MRSI Daten mit Nullen aufgefüllt und F

ourier-transformiert (Abb. 3.18 D).

Die entstandenen drei Bilder haben die gleiche räumliche Auösung wie die

MRSI-Daten. Die Gewebezusammensetzung eines MRSI-Voxels aus GM, WM

undCSFkann direktabgelesen werden. Jeder Punkt dieserBilderbeschreibtdie

BeiträgeallerPunkteindenhochaufgelöstenBildernzumbetrachteten

Spektros-kopie-Voxel durch diePoint-Spread-Funktion.

DasProgrammönetzweiGraphikfenster, um dieBerechnungen zu steuern und

zu überprüfen. Das erste Fenster (Abb. 3.16 A) zeigt eine der gemessenen

Lo-kalisierungsschichten mit dem MRSI-Gitter und dem angeregten Volumen bei

Verwendung räumlich selektiver Pulse (VOI). In diesem Fenster können durch

MausaktionendieBerechnungengestartet unddieErgebnissefüreinzelne

MRSI-Voxelgezeigt werden.

Das zweite Fenster (Abb. 3.16 B-E) zeigt zur Überprüfungder Koregistrierung,

einen der Lokalisierungsschicht entsprechenden Schnitt durch den

hochaufgelö-sten 3D-Datensatz (Abb. 3.16 B). Das Bild istmit einer Konturgraphikder

Lo-kalisierungsschicht überlagert. Zusätzlich wird ein sagittaler Schnitt durch die

hochaufgelösten 3D-Datenmitdem Verlaufder Lokalisierungschicht,der

Mittel-liniederMRSI-Schichtunddes VOIgezeigt(Abb. 3.16C).DiePositiondes VOI

und der Spektroskopie-Schicht inden Abb. 3.16 A und 3.16 C ist entsprechend

der chemischen Verschiebung des gewählten Metaboliten korrigiert.

Die drei Bilder in Abb. 3.16 D zeigen der Lokalisierungsschicht entsprechende

Schnitte durch die segmentierten Datensätze für GM, WM und CSF. Nach

Be-endigung der Berechnungen zur Korrektur der Anregungsprole und der PSF

wird ein drittes Fenster geönet, in dem die korrigierten Gewebeanteile jedes

MRSI-Voxels direkt abgelesen werden können (Abb. 3.16 E).

3.7 Sequenzsimulation mit GAMMA

Für dieSimulationvonPolarisationstransfer-Experimenten,sowie zurErstellung

der A-priori-Datenbanken des FITT-Programms wird die Umgebung GAMMA

verwendet [Smit99a]. GAMMA ist eine Sammlung von C++-Bibliotheken, mit

denen die Berechnung von NMR-Experiment-Simulationen vereinfacht werden

kann. Es wird eine Reihe von Typen und Klassen zur Verfügung gestellt,die es

erlauben,dieinKap.1beschriebenenDichtematritzenfürkomplizierte

Spinsyste-menumerischzu berechnen. WeiterhinkönnendieAuswirkungenvonHF-Pulsen

und dieZeitentwicklungdes Systems imMagnetfelddurchentsprechende

Opera-toren simuliert werden.

Die Möglichkeiten von GAMMA werden im Folgenden an einem einfachen

Bei-spiel - die Auswirkungen eines 90°-Pulses auf ein gekoppeltes aus zwei Kernen

bestehenden Spinsystems - beschrieben.

Das Spinsystem wird in einer separaten Textdatei deniert:

fSysName (2) : Spinsystem

NSpins (0) : 2 - Anzahl der Kerne

Iso(0) (2) : 1H - Typ des 1. Kerns

Iso(1) (2) : 31P - Typ des 2. Kerns

PPM(0) (1) : 2.2 - Chemische Verschiebung 1. Kern

PPM(1) (1) : 18 - Chemische Verschiebung 2. Kern

J(0,1) (1) : 21.0 - Kopplungskonstante

Omega (1) : 65 - B0-Feldstärke inMHz (Protonen)

DasSimulationsprogrammfüreinen90°-PulsaufbeidenFrequenzenmit

anschlie-ÿender Datenakquisitionhat die Form

#include <gamma.h> // Gammabibliotheken

int main ()

{

const int t2pts = 2048; // Punkte im FID

double t2dt = 0.0005; // Abstand der Punkte (SW 2000 Hz)

string innames[1]; // Name des Spinsystems

string infiles[1];

innames[0] = "Spinsystem";

infiles[0] = "Spinsystem.sys";

string fname2; // Dateiname für Ausgabedatei

int k; // Zähler

FILE *fp; // Zeiger für Ausgabedatei

spin_system sys; // Variable für Spinsystem

row_vector data(t2pts); // Variable für FID/Spectrum

sys.read(infiles[0]); // Einlesen des Spinsystems

gen_op sigma0 = sigma_eq(sys); // Dichtematrix im thermischen Gleichgewicht

gen_op H = Hcs(sys)+HJ(sys); // Hamiltonoperator

string IsoD="31P";

gen_op detect = Fp(sys,IsoD); // Detektionsoperator

gen_op p31_90y=Iypuls_U(sys," 31P" ,90. 0);

// Operator für 90°-Puls auf Phosphorfrequenz

gen_op h1_90y=Iypuls_U(sys,"1 H",9 0.0) ;

// Operator für 90°-Puls auf Protonenfrequenz

gen_op sigma; // Variable für veränd. Dichtematrix

// Sequenz:

sigma =evolve(sigma0, p31_90y); // 90°-Puls auf Phosphor

sigma =evolve(sigma, h1_90y); // 90°-Puls auf Protonen

FID(sigma,detect,H,t2dt,t2 pts ,dat a); // Erstellung des FID bei Akquisition

exponential_multiply(data) ; // Apodisierung des FID

acquire1D ACQ(detect,H); // Erstellung der Resonanztabelle

cout << "31P: \n "<< ACQ.table(sigma); // Ausgabe der Dichtematrix

const TTable1D ptrans = ACQ.table(sigma); // Tabelle mit Resonanzen

fname2=innames[0]+string(" _fi d.tx t"); //Ausgabe des FID

cout << "Writing "<< fname2 <<"\n";

fflush(stdout);

fp=fopen(fname2.c_str()," wt" );

for (k=0;k < data.size();k++) {

fprintf(fp,"%8.5f \t",(data.getRe(k))); // Realteil des FID

fprintf(fp,"%8.5f \n",(data.getIm(k))); // Imaginärteil des FID

}

fclose(fp);

MATLAB("Spinsystem.m","SS ys" ,dat a); // Ausgabe in MATLAB-Datei

data = FFT(data); // Fouriertransformation des FID

GP_1D("spec.asc",data,0,1 000 ,-10 00); // Ausgabe für Gnuplot

GP_1Dplot("spec.gnu", "spec.asc"); // Darstellung des Spektrums

// mit Gnuplot

}

Das Programm berechnet zuerst die Dichtematrix für das eingelesene System

imGleichgewichts-Zustand (sigma0). Danach werden dieAuswirkungen der

HF-PulseaufdasSystemdurchMultiplikationmitdenentsprechenddenierten

Ope-ratoren (p31_90y, h1_90y) simuliert, und das Zeitsignal unter Einuss des

Ha-miltonoperatorsberechnet und ineine Text-Datei ausgegeben. Weiterhingibt es

die Möglichkeit zur Ausgabe der Daten in ein MATLAB-lesbares Format oder

der DarstellungderErgebnisse mitGNU-Plot,einemfreierhältlichen Programm

zur graphischenDarstellungvonDaten. DieerhaltenenText-Dateienwerdenmit

anderen Programmen weiterverarbeitet.

Die Ergebnisse des Beispiel-Programmessind inAbb. 3.19 dargestellt.

t [ms] ppm

[a.u.] [a.u.]

31 P-Signal

A B

Abb.3.19: Ergebnisse desGAMMA-Beispielprogrammsfüreine 90°-HF-Anregungan

ei-nemauszweiKernenbestehenden Spinsystems. A: DasvonGAMMA

ausge-gebeneZeitsignal der 31

P-Resonanz. B: Das simulierte Spektrum nach

Fou-riertransformationvonA.

Messungen und Ergebnisse

4.1 Heteronuklearer Polarisationstransfe r am

Flüs-sigkeitsphantom

In diesemAbschnittwird dieAbhängigkeitderSignalverstärkung beim

Polarisa-tionstransfer vondenSequenzparametern untersucht. Dazuwurden verschiedene

Substanzen imFlüssigkeitsphantom mitINEPTund RINEPT gemessen unddie

Ergebnisse mit Modellrechnungen verglichen. Ziele der Messungen und

Simula-tionen waren:

ˆ Feststellung der Möglichkeiten für Polarisationstransfer am klinischen T

o-mographen bei den Einschränkungen des verfügbaren zweiten HF-Kanals

(zeitliche Unbestimmtheit der HF-Pulse (s. Kap. 3.1.2), fragliche

Phasie-rung).

ˆ Bestimmung der optimalenEchozeiten TE1und TE2fürmaximalen

Polari-sationstransfer bei unterschiedlichen Kopplungskonstanten und

Spinkon-gurationen.

ˆ Vergleich mit Modellrechnungen der verwendeten Sequenzen für die

un-tersuchten Substanzen zur Überprüfung der Theorie und Vorhersage der

optimalenSequenzparameter auchbei komplexeren Molekülen.

ˆ Vergleich des Polarisationstransfers mit konventionellen

Aufnahmemetho-den (1-Puls-Sequenzen) der NMR-Spektroskopie unter optimalen

Bedin-gungen. Bestimmung der optimalen Verstärkung unter Einbeziehung von

Relaxationseekten.

Die Substanzen wurden in dem in Kap. 3.3 beschriebenen Phantom mit

nicht-lokalisiertenSequenzen gemessen. Zuerst wurden die optimalenEchozeiten TE1

und TE2 bestimmt und die Messergebnisse wurden mit Modellrechnungen

ver-glichen. In einem weiteren Schritt wurde der Einuss von

Relaxationsparame-ternbestimmt. AllePhantommessungenwurdenamklinischenTomographendes

DKFZ in Heidelberg mit einer doppelresonanten gekreuzten Helmholtzspule (s.

Kap.3.1.3) durchgeführt.

4.1.1 MDPA: Messergebnisse

Um die Anwendbarkeit am klinischen Tomographen zu prüfen wurden

zu-erstPhantommessungen anMethylendiphosphonsäure (MDPA: CH

2

(PO(OH)

2 )

2 )

durchgeführt. ImGegensatz zu den In-vivo-detektierbaren Metaboliten, diesehr

schwache skalare Kopplungen zwischen 31

P und Protonen aufweisen, hat MDPA

eine wesentlich gröÿere Kopplungskonstante und eine einfachere Struktur.

C

P P

OH

O OH OH O

OH H

J AK H J AK

J AK J AK

Abb.4.1: Chemische Struktur von MDPA. Die skalaren Kopplungskonstanten betragen

J

AK

=21Hz.

WieanderStrukturdesMDPA-Molekülserkennbarist,liegendiemiteinander

ge-koppeltenKernezweiBindungslängenauseinander. Durchdiesymmetrische

ska-lare KopplungvonvierKernen entstehtsowohlim H- alsauchim P-Spektrum

einTriplettmiteiner Kopplungskonstante von 21Hz.

Hz

1 H 31 P

ppm

21 Hz 21 Hz

Abb.4.2:

1

H-und 31

P-SpektrumvonMDPA. DasTriplettmitZentrumbei2,2ppm( 1

H )

entstehtdurchdieKopplungderbeidenProtonenmitdenPhosphor-Kernendes

Moleküls (Abb.4.1). DieKopplungskonstantebeträgt21Hz.

Das 1

H-Spektrum in Abb. 4.2 wurde mit einer STEAM-Sequenz (Kap. 3.4) bei

einer Echozeit von TE = 20 ms gemessen. Das angeregte Volumen (VOI) der

STEAM-Sequenz wurde so positioniert, dass nurdie innere, mitMDPA gefüllte

Flasche erfasst wurde. Zur Wassersignalunterdrückung wurden CHESS-Pulse

verwendet (Kap. 3.4). Das 31

P -Spektrum wurdemiteiner 90°-HF-Anregungund

anschliessenderDatenaufnahmemitTR=5sund 2Akquisitionenaufgenommen.

INEPT und RINEPT bei MDPA

UmdieoptimalenParameter desINEPT- undRINEPT-Experiments zu

bestim-men, wurde das mit80 mM MDPA gefüllte Phantom zuerst ineinem einfachen

Experiment mit direkter 1-Puls-Anregung und dann mit INEPT und RINEPT

bei Variation der Messparameter untersucht. Abb. 4.3 zeigt die verwendeten

Sequenzen. Alle Messungen wurden mit einer Repetitionszeit TR =5 s und 2

Akquisitionenaufgenommen.

1 H RF

2 2 2 2

31 P RF 90° x

180° y

180° x

180° y 90° y

90° y 180° x

Waltz-4

90°-Anregung

Im Dokument Ch Cr (Seite 101-112)