Das besondere Rauschverhalten kleiner Empfangsspulen für die

DAS BESONDERE RAUSCHVERHALTEN KLEINER EMPFANGSSPULEN FÜR DIE HOCHAUFLÖSENDE MRT
A. Liffers 1, H. Ermert 1, V.H. v. Diepenbroick 2, L. Heuser 2, S. El Gammal 3
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Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik, Ruhr-Universität Bochum
Institut für Radiologie und Nuklearmedizin, Universitätsklinik der Ruhr-Universität Bochum
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Dermatologische Klinik, Krankenhaus Bethesda, 57258 Freudenberg
[email protected]
EINLEITUNG
Nichtinvasive Techniken wie die hochauflösende
(high resolution) Magnetresonanztomographie (HRMR) zur Abbildung mikroskopischer Strukturen, aus
denen diagnostische Informationen im Sinne einer Gewebecharakterisierung abgeleitet werden können, sind
von großem Bedarf für die Diagnostik [1]. In der Dermatologie besteht ein großes Interesse an Methoden zur
Abbildung und Charakterisierung der verschiedenen
Hautgewebe mit dem Ziel der Früherkennung maligner
Melanome und der Differenzierung von anderen Tumorarten bei Hautkrebs [2]. In der Orthopädie interessiert die Abbildung von Fingergelenken zur Diagnose
der Gelenkspalte, Sehnen und Bänder sowie zur Diagnose von Osteoporose [3]. U.a. im Mund-, Kiefer- und
Gesichtsbereich ist man an der Feststellung der Infiltration von Tumoren in Knochengewebe interessiert.
Um ein ausreichendes Signalrauschverhältnis (SNR) bei
der Auflösung mikroskopischer Strukturen zu erhalten,
werden u.a. kleine Empfangsspulen eingesetzt. Da sich
das zu berücksichtigende Rauschen kleiner Spulen von
dem Rauschen konventioneller großer Spulen unterscheidet, ergeben sich weitere Ansätze zur Erhöhung
des SNR.
MATERALIEN UND METHODEN
Die HR-MR wurde für kommerzielle MRGanzkörpertomographen (u.a. Siemens Magnetom Vision, 1,5 Tesla, maximale Gradientenstärke 23 mT/m)
entwickelt. Durch Kombination zweier Ansätze sind
Volumenelemente von <10-3 mm3 auflösbar. Zum einen
ermöglichen modifizierte dreidimensionale Gradientenechosequenzen (3D-FISP Sequenzen) Messungen in
einem Bildfenster (Field of View) von 40 mm x 40 mm
mit einer Matrix von 512 x 1024 Pixeln bei 800 µm
Schichtdicke. Dies entspricht einer Voxelgröße von
80 µm x 40 µm x 800 µm. In jeder Messung wurden in
15 Minuten 26 Schichten akquiriert. Die Echozeit TE
betrug 10,5 ms, die Repetitionszeit TR 67 ms, der Flipwinkel 20°.
Zum anderen gewährleisten rauscharme Hochfrequenzempfangsspulen mit kleinem Empfangsvolumen ein
ausreichendes SNR:
Mit Hilfe von Simulationen wurden zunächst das zu
erwartende SNR und der Sensitivitätsbereich verschiedener Spulengeometrien berechnet und so die Spulen-
geometrie optimiert. Dabei wurde das thermische Rauschen des Spulenmaterials berücksichtigt, welches bei
kleinen Spulen die gleiche Größenordnung aufweist wie
das von der Spule erfasste thermische Rauschen des
„Messobjektes“ (Gewebe). Dabei ergibt neben der Verringerung des Spulenradius eine Erhöhung der Windungszahl ein höheres SNR. Eine kreisförmige Empfangsspule mit zwei Windungen und einem Durchmesser von 15 mm erzielt unter Berücksichtigung des erforderten Empfangsbereichs ein optimales SNR. Die Spule
ist bei der Lamorfrequenz (f = 63,6 MHz) auf 50 Ω
angepasst und hat eine kurze Leitungslänge (ca. 30 cm)
zum ersten Vorverstärker. Die Spule wird auf das abzubildende Gebiet aufgelegt. Der Empfangsbereich entspricht ca. einer Halbkugel mit dem Radius 7,5 mm.
Mit der HR-MR wurden Messungen an gesunder Haut
und subkutanen, malignen Melanomen sowie an gesunden Fingerknochen und Fingergelenken durchgeführt.
ERGEBNISSE
Die 3D-FISP Sequenz führt im allgemeinen zu T1gewichteten Kontrasten. Abbildung 1 zeigt eine von 26
Schichten der HR-MR Aufnahme gesunder Haut am
Schienbein. Aufgrund der kurzen T2-Zeit der Haut [2]
zeigen die Abbildungen einen T2-T1-Mischkontrast.
Mit der erzielten Auflösung und dem erreichten SNR
kann man Schweißdrüsen an den Haarfollikeln (1), die
Grenze zwischen Hypodermis und subkutanem Fett (2)
und ein Blutgefäß (3) erkennen. Fett gibt aufgrund seiner langen T1-Zeit ein hohes MR-Signal. Die Epidermis
(4) ist aufgrund ihres geringen Wasser- (also
H1 Protonen)-Gehaltes kaum sichtbar.
Abbildung 1: Gesunde Haut am Schienbein
Abbildung 2 zeigt eine HR-MR Abbildung eines malignen Melanoms (1), eingebettet in subkutanem Fett auf
der Innenseite des Unterarms. Der Tumor liegt direkt an
einem Blutgefäß (2) und hat einen Durchmesser von ca.
4 mm.
chenstruktur gut abbildet. Des weiteren ist der Übergang
von Knochen zu Weichteilgewebe gut differenzierbar.
Ein Beitrag aus dem Kompetenzzentrum Medizintechnik Ruhr (KMR), Bochum.
LITERATURHINWEISE
[1] A. Liffers, M. Vogt, H. Ermert , C. Müller, A. Falk,
L. Heuser, S. El Gammal, “High Resolution in Vivo
Magnetic Resonance Imaging of the Skin and Comparison to High Frequency Ultrasound”, Proceedings
ISMRM 8th meeting, Denver, 2000, p. 1400
[2] El Gammal, S., Hartwig, R., Aygen, S., Bauermann,
T., El Gammal, C., Altmeyer, P, J., “Improved Resoluton of Magnetic resonance Microscopy in Examination
of Skin Tumors“, Invest. Dermatol., 1287-1292, 1996
Abbildung 2: Malignes Melanom
Abbildung 3 zeigt das Gelenk zwischen der distalen (1)
und mittleren (2) Phalanx des linken Zeigefingers. Die
Knochen mit ihrem schwammartigen Knochenmark und
der Gelenkspalt (3) sind deutlich zu erkennen.
Abbildung 3: Fingergelenk
SCHLUSSFOLGERUNGEN UND AUSBLICK
Mit den hier entwickelten rauscharmen Empfangsspulen
und Sequenzen ist ein ausreichendes SNR bei der erforderlichen hohen Auflösung gewährleistet.
HR-MR ist aufgrund der dreidimensionalen und tief
reichenden Abbildung gut für die Darstellung von Tumoren und anderen Strukturen im subkutanen Fettgewebe bis hin zum Muskel geeignet. Aber auch feine
Strukturen in der Dermis wie Haarfollikel und
Schweißdrüsen sind mit HR-MR abzubilden.
Die Ergebnisse der Messungen an Fingern zeigen, dass
HR-MR die Morphologie des Gelenkes und die Kno-
[3] Barkmann, R., Timm, W., Sakata, S., Scheffczyk,
R., Heller, M., Glüer, C., “Evaluation quantitativer
Ultraschallverfahren zur Bestimmung der Knocheneigenschaften menschlicher Phalangen mit Hilfe von
hochauflösender Magnetresonanzbildgebung, Mikro
Computertomographie und Schallausbreitungssimulation“, Biomedizinische Technik, Band 45 Ergänzungsband 1, 42-43, 2000