Parallele Datenakquisition zur Beschleunigung Diffusionsgewichteter Kernspintomographie mit Stimulierten Echos

Abstract

Kernspintomographie-Experimente können durch den Einsatz von Magnetfeld-Gradienten für die thermische Translationsdynamik von (Wasser-) Molekülen sensibilisiert werden. Der dabei beobachtete Signalabfall ist die Datenbasis für eine Quantifizierung der Brownschen Bewegung mit Hilfe von Diffusionskoeffizienten. In linear strukturiertem biologischen Gewebe, wie es in der weißen Hirnsubstanz zu finden ist, wo die Zellwände von Nervenfaserbündeln die freie Ausbreitung be- und verhindern, ist eine Abhängigkeit der Ergebnisse von der Orientierung der Gradienten zu verzeichnen. Die höchste Diffusivität misst man dabei parallel zur Vorzugsrichtung. Auf der im Vergleich zu zellulären Maßstäben groben Skala, die durch die Auflösung der Kernspintomographie vorgegeben ist, lassen sich einige Aspekte der molekularen Dynamik in anisotropen Geometrien erfolgreich mit Hilfe eines mittleren Diffusionstensors charakterisieren, dessen erste Hauptachse mit der Faserrichtung übereinstimmt. Zur robusten Bestimmung der Modellparameter muß eine erhebliche Anzahl von Datensätzen aufgenommen werden. Die Tatsache, daß die Berechnung auf dem lokalen Vergleich von Signalintensitäten beruht, macht das zeitaufwendige Experiment anfällig für Bewegungsartefakte in in-vivo Untersuchungen.Zur Zeit beruhen die schnellsten Diffusionsmessungen mit Kernspintomographie auf Puls-Sequenzen, die unter Verzerrungsartefakten leiden, welche unter anderem auf den verwendeten Signalmechanismus, Gradienten-Echos, zurückzuführen sind. Im Gegensatz dazu basiert das in der vorliegenden Arbeit eingesetzte Verfahren auf einer langsameren Bildgebungsvariante mit stimulierten Echos, SSSTEAM (Single-Shot Stimulated Echo Acquisition Mode), das aber die Anatomie geometrisch wirklichkeitsgetreu wiedergibt. Um den zeitlichen Randbedingungen besser gerecht zu werden, wird hier eine Datenraum-Reduktionsstrategie, parallele Bildgebung, verfolgt. Diese Methode macht sich die Informationsredundanz in den simultan von mehreren Signalempfängern aufgenommenen Daten zunutze. Die Anwendung des Verfahrens auf SSSTEAM erfordert eine Neuverteilung der verfügbaren signalgenerierenden Magnetisierung auf den Datenraum über die Modulation der Anregungsstärke, um die Punkt-Transfer Funktion (PSF: Point Spread Function) der Aufnahme zu kontrollieren und damit die nominelle Auflösung zu erhalten. In der vorliegenden Arbeit wird ein exakter Zugang zu diesem Problem vorgestellt, der einen zuvor publizierten genäherten Ansatz verallgemeinert, beliebige PSFs zuläßt und eine erweiterte Klasse von Datenraum-Abtastungsstrategien unterstützt.Es wird demonstriert, daß die Datenqualität gemessen am Signal-zu-Rausch Verhältnis (SNR: Signal-to-Noise Ratio) durch die Kombination von diffusionsgewichteten SSSTEAM-Messungen mit paralleler Bildgebung bei Wahl des minimalen Reduktionsfaktors im Vergleich zu einer Referenzsequenz nicht beeinträchtigt wird, obwohl sich die Meßzeit um 45% gegenüber dem nicht beschleunigten Experiment verringert. Theoretische Überlegungen lassen sogar einen zukünftigen SNR-Gewinn bei höheren Beschleunigungsfaktoren plausibel erscheinen.Zur Untersuchung der Bildqualität ist im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein Computerprogramm entwickelt worden, inbesondere auch um die Meßdaten auf ihr Potential hin zu überprüfen, mittels Traktographie auf den berechneten Hauptdiffusionsrichtungen zur Aufklärung der Nervenarchitektur des menschlichen Gehirns beizutragen. Über die bisher publizierten, mit Diffusionstensor-Bildgebung isolierten Faserverbindungen hinaus, ermöglicht es die unverzerrte Wiedergabe der Anatomie durch SSTEAM, Rekonstruktionen der weißen Hirnsubstanz auch in Regionen vorzunehmen, die für Gradienten-Echo-Sequenzen schwer zugänglich sind, wie z.B. der Hirnstamm und die Region um den Nervus opticus, der zusammen mit den ihn umschließenden Augenmuskeln ebenfalls abgebildet werden kann. Darüberhinaus legen hier vorgestellte Resultate einer Traktographie-basierten Segmentierung der vorderen Capsula interna nahe, daß der in der Literatur beschriebene Verlauf der sie durchdringenden Bahnen möglicherweise einer Revision bedarf.