Boesiger, P.

Duc, C. O.

Faas, H. M.

Meier, D.

Pruessmann, K. P.

Weber, O. M.

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Lokalisierung in der ^-MR-SpektroskopieH. M. Faas, O. M.Weber, C. O. Duc, K. P. Pruessmann,D. Meier, P. BoesigerInstitut für Biomedizinische Technik und Medizinische InformatikUniversität und Zürich, CH-8044 Zürich, SchweizEINLEITUNGDie volumenselektive Magnetresonanzspektroskopie(MRS) ermöglicht die nichtinvasive Beobachtung vonmetabolischen Prozessen in vivo. Dadurch sollenErkenntnisse über neurologische Zusammenhänge undStörungen gewonnen werden. Auf den klinischenGanzkörpertomographen bestimmt die Pulssequenz dasMessvolumen. Für die Interpretation der Messdaten istdie Kenntnis der Lokalisiemngsqualität von grosserBedeutung.Bei der Doppelspinecho-Sequenz PRESS wird dieVolumenselektion durch drei RF-Pulse mit parallelgeschalteten, zueinander orthogonalen Gradientenerreicht. Da die schmalbandigen RF-Pulse keine perfekteSchichtselektion bewirken, ergibt sich im Randbereichdes Messvolumens eine breite Flipwinkelverteilung, diedas MRS-Signal stark beeinflussen kann. Dastatsächliche Anregungsprofil im Zielvolumen wird vonder Form der RF-Pulse bestimmt. Zur Beurteilung derLokalisierungsqualität dienen in erster Linie die Effizienzder Lokalisierung sowie die Kontamination des Signalsdurch Spins ausserhalb des Nominalvolumens.Ziel dieser Untersuchung war es, für klinisch relevanteMetaboliten die Güte der Lokalisierung zu bestimmenund im Fall von Substanzen mit Kopplungen dieEinflüsse des Pulsprofils auf das MR-Spektrum zubetrachten. Dazu wurden numerische Simulationen undexperimentelle Phantommessungen durchgeführt und dieErgebnisse verglichen. Da pathologische Erscheinungenhäufig auf sehr kleine Geweberegionen beschränkt sind[1], wurde bei den Messungen insbesondere auch der Fallgeringer Volumina (> l ml) betrachtet.SIMULATIONEin Simulationsprogramm [4] erlaubt die Darstellung dermakroskopischen Magnetisierung unter dem Einfluss derRF-Pulse und Gradienten. Die Berechnung derMagnetisierung erfolgt dabei durch die numerischeLösung der Blochgleichungen. Zunächst wurden einzelnePulse, dann die gesamte Sequenz simuliert. Während der90°-Anregungspuls eine gute Schichtdefinition aufweist,wird die Lokalisierung vor allem durch die Form der180°-Refokussierpulse limitiert (Bild 7). Dadurch ergibtsich nur in eine Raumrichtung eine recht scharfeVolumenbegrenzung, hingegen resultieren deutlicheAbweichungen in den durch die Refokussiergradientenfestgelegten Richtungen. Die Simulation der ganzenSequenz zeigt, dass nur etwa 50 % des VolumensFlipwinkel im Bereich des Nominalwinkels (± 5 %Abweichung) aufweisen (Bild 2).0.0Bild 1: Betrag der transversalen Magnetisierungnach einem optimierten ]80°-Puls in der Simulation.Bei Veränderung der Schichtdicke durch Anpassen derGradientenstärke bleibt das Verhältnis von Randbereichzu Kernzonenausdehnung konstant. Dies bedeutet, dassdie Flanken des Anregungsprofils bei einerVergrösserung des Volumens proportional flacherwerden.EXPERIMENTEDie Experimente wurden mit einem klinischen 1.5 TGanzkörpertomographen (Philips Gyroscan ACS/NT)durchgeführt. Als Sender und Empfanger diente einePhilips-Standard-Kopfspule. Zur Unterdrückung desWassersignals wurden frequenzselektive Pulse undSpoilergradienten der PRESS-Sequenz vorgeschaltet(CHESS).Zur experimentellen Beurteilung der Lokalisierungwurde ein Zweikomponentenphantom erstellt. Ein Kubus(15 mm Kantenlänge) wurde in einem äusserenKompartiment mit einer Referenzlösung aufgehängt. DasMessvolumen wurde um das innere Kompartimentzentriert und in der Grosse variiert. Die wässrige Lösungim Innern des Würfels bestand aus 33.3 mM N-Acetyl-aspartat (NAA) und 50 mM Laktat bei pH 7 (zusätzlichNiCli zur Senkung der Relaxationszeiten). Im äusserenVolumen befanden sich als Referenzlösung 33.3 mMKreatin und 10 mM Valin bei pH 7 (ausserdem NiCli).Um mögliche Suszeptibilitätsartefakte bei kleinenVolumina auszuschliessen, wurde ein sphärischesKompartiment mit 4 cm Durchmesser in einem 5-Liter-224 Biomedizinische Technik · Band 41 · Ergänzungsband 1 · 1996Gefäss verwendet. So konnten die Kontamination undEffizienz der Lokalisierung bestimmt werden, indem dasMessvolumen soweit verkleinert wurde, bis es mit demKubus gerade übereinstimmte.Bild 2: Betrag der transversalen Magnetisierungnach der ganzen PRESS-Sequenz in der Simulation.Dargestellt ist die Ebene, die durch dieRefokussiergradienten gewählt wird. Dabei entsprechendie hellen Bildteile den nominalen Flipwinkeln. DerKernzone (heller Bereich in der Mitte) steht einRandbereich (dunkler Teil) von etwa derselbenAusdehnung gegenüber.Kubisches Phantom TE=30 msAussenkantedes Kubus10 15 20VOJ Grosse [mm]Bild 3: relative Signalstärke aufgetragen überVolumengrösse (VOI, Volume ofinterest) in der PRESS-Sequenz bei einer Echozeit TE = 30 ms.ERGEBNISSEFür das Signal ungekoppelter Protonen ist die Effizienzim wesentlichen durch die Fraktion der Kernzone imMessvolumen gegeben. Die Kontamination von aussenkann mit einer, durch das Rauschen bedingten, oberenSchranke von 5 % beziffert werden. Die Effizienz derLokalisierung beträgt nur etwa 50 %, was inÜbereinstimmung mit der Simulation steht (Bild 3).Die Messungen zeigen, dass 95 % des Signals von denSpins innerhalb des Nominalvolumens stammen, dasnominale Messvolumen also wesentlich grösser als dasZielvolumen ist. Das bedeutet eine äusserst geringeKontamination von aussen.Für gekoppelte Spins sind die Signaleinflüsse durch dieVolumenselektion komplizierter. Die breite Flip-winkelverteilung im Randbereich des Messvolumens hatverschiedene Effekte zur Folge, die gleichzeitig auftretenund deshalb schwer voneinander zu trennen sind. DerPolarisationstransfer sorgt für eine Modulation desLaktatsignals in Abhängigkeit von der Echozeit [2].Dieser entsteht in den Bereichen, in denen der Flipwinkelvom Nominalwert 180° abweicht. Die Signal-schwankungen können in einer asymetrischen PRESS-Sequenz mit optimierten Sinc-Pulsen bis zu 10 %ausmachen. Aufgrund der Volumenverschiebung durchden Chemical Shift treten im Randbereich des VolumensGebiete auf, in denen die J-Kopplung nicht refokussiertwird [3]. Gegenüber ungekoppelten Spins tretenSignalunterschiede in Abhängigkeit von derGradientenstärke auf. Für kleine Volumina, also starkeGradienten, verschwindet der Signalunterschied, da hierdie Volumenverschiebung durch den Chemical Shiftgering ist.SCHLUSSFOLGERUNGUm eine geringe Kontamination zu erreichen, muss einestarke Abnahme der Lokalisierungseffizienz in Kaufgenommen werden. In den Randbereichen desMessvolumens treten vor allem für gekoppelte Spinskomplizierte Effekte im Spektrum auf. Die Effizienz derLokalisierung und die Kontamination des Signals durchSpins ausserhalb des nominalen Messvolumens konntenexperimentell in Übereinstimmung mit der Simulationbestimmt werden.LITERATUR[1] Th. Ernst, J. Hennig, D. Ott und H. Friedburg,NMR Biomed. 2:216-224; 1989[ 2] M. Bunse, W. Jung. O. Lutz, K. Küper und G.Dietze, J. Magn. Reson. A 114:230-237; 1995[ 3] G. McKinnon und P. Bösiger, Magn. Reson.Med. Biol. IV: 101-111; 1990[ 4] K. Priissmann, Beitrag BMT 1996Biomedizinische Technik · Band 41 · Ergänzungsband 1 · 1996 225

Lokalisierung in der 1H-MR-Spektroskopie

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