E101 - Institut für Analysis und Scientific Computing
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Datum (veröffentlicht):
2011
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Umfang:
73
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Keywords:
Gehirn/phase/R2*/SWI
de
brain/phase/R2*/SWI
en
Abstract:
Eines der erfolgreichsten Werkzeuge zur modernen Bildgebung ist die Mag netresonanztomographie (MRT). Mit der MRT sehen wir dem Gehirn beim Denken, dem Herz beim Schlagen, den Tumoren beim Wachsen zu. Ein wesentlicher Grund für den Erfolg der MRT ist die Tatsache, dass man neue Methoden entwickeln kann, ohne die Hardware des Scanners verändern zu müssen. Man kann also allein durch geschicktes Manipulieren der Atomkerne mit Magnetfeldern neue Wege der Bildgebung beschreiten.<br />Ein neuer Weg ist die suszeptibiltätsgewichtigte Bildgebung (SWI) welches einen verstärkten Kontrast anhand Suszeptibilitätsunterschiede zwischen Substanzen produziert. Die Suszeptibilität ist die magnetische Antwort einer Substanz (z.B. Eisen) die innerhalb eines magnetischen Feldes plaziert wird. SWI verwendet im Unterschied zu konventionelle MRT Methoden zusätzlich die gewonnen MRT Phasenbilder. Phasen geben wichtige Aufschlüsse über den Gewebestruktur und chemische Zusammensetzung. Durch das limitierte Intervall [-pi,pi] der Phase entstehen Artefakte (Phasensprünge). Diese werden durch angepasste Nachaufbereitung beseitigt.<br />Die vorliegende Arbeit beschreibt die Erweiterung dieser SWI Standardsequenz mit der Aufnahme mehrfacher Echos bei gleichbleibender Akquisitionszeit (ME-SWI). Um diese beiden Sequenzen zu vergleichen wird das Signal zu Rauschen und das Kontrast zu Rausch Verhältnis in verschiedenen Gehirnsubstanzen gemessen. Durch die Messung mehrerer Echos gewinnt man 46% mehr Signal und erreicht 34 bis 80% mehr Kontrast.<br />Mit dieser Sequenz kann gleichzeitig die MRT Phase sowie der Signalverlauf gemessen werden. Um Phasensprünge besser zu eliminieren wurde die Nachaufbereitung adaptiert und bei längeren Echozeiten grössere homodyne Filterung verwendet. Die Signalstärke oder Geweberelaxationszeit R2* konnte aus den Magnitudenbildern mit Korrektur auf Hintergrundfeldinhomogenitäten berechnet werden. Weiters wurde die Veränderungen des Signalverlaufs auf unterschiedliche Voxelgrössen oder räumliche Filterung untersucht. Grössere Voxel ergaben einen niedrigeren Signalverlauf und räumliche Filterung bis zu einem Volumen kleiner 16 mm3 ergaben einen erhöhten Signalverlauf. Die Phase und der Signalverlauf wurden in einem Scan-Rescan Experiment auf ihre Variabilität untersucht. Es wurde gezeigt, dass die Phase signifikant bessere Reproduzierbarkeit gegenüber dem Signalverlauf aufweist. Das Ergebnis dieser MRT Sequenz sind schärfere Bilder, auf denen Venen mit Durchmessern von 0.1 mm sichtbar sind, und Karten des Eisengehaltes im Gehirn von Phase und Signalverlauf innerhalb nur eines Scans.<br />
de
One of the most successful imaging tools is magnetic resonance imaging (MRI). MRI makes movies of the beating heart, it observes mental pro- cesses in the brain or it visualizes the growth of tumours. An important reason for the success of MRI is that new methods can be developed with- out changing the hardware. Clever manipulation of the atomic nuclei with magnetic fields opens various windows into structure and function of biological tissue.<br />One new window is "Susceptibility Weighted Imaging" (SWI) which produces an enhanced contrast based on susceptibility differences between substances. Susceptibility is defined as the magnetic response of substances such as iron placed in an magnetic field. SWI additionally uses the MRI signal's phase in contrast to most other MRI techniques.<br />Phase offers im- portant information about the underlying tissue structure and chemical composition. Due to the phase's limited domain [ -pi, pi] artifacts or phase wraps arise. SWI uses a special post processing routine to get enhanced contrast and also uses the phase as an input.<br />In this master thesis the standard SWI sequence is extended to acquire mul- tiple echoes (ME-SWI). To evaluate the newly developed sequence against the state of the art sequence the signal to noise and contrast to noise are calculated in different brain regions. Using multiple echoes 50% more signal and 34 to 80% more contrast can be achieved. With the ME-SWI method the MRI phase and signal decay is extracted simultaneously. The post processing to eliminate phase wraps is adapted using a greater homodyne filter kernel with increasing echo time. The signal decay or tissue relaxation time R2* is calculated from the magnitude images including a correction for back- ground field inhomogeneities. Signal decay variation due to voxel geometry and spatial smoothing are investigated too. Larger voxel decrease the signal decay, while the decay with spatial smoothing up to an region volume of 16 mm3 increases.<br />A scan-rescan experiment was performed to investigate the variability of the phase and signal decay. The coefficient of variation was calculated for all acquired data types (phase, magnitude, SWI, and R2*) to determine reproducibility. Phase showed a significant better reproducibility than the signal decay. The result of this sequence are sharper images, where venous vessels up to 0.1 mm are visualized and maps in form of the signal decay and MRI phase of brain iron content can be computed within one scan.
