WO2013104755A1 - Method and system for a spatially resolved representation of elastic properties of soft biological matter - Google Patents
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Definitions
- the invention is directed to a method for visually perceptible, pictorial representation of elastic, in particular viscoelastic, properties of soft biological matter, in particular a biological system, preferably the soft Gehimmasse a human brain.
- the invention is directed to a system for the visually perceptible visualization of elastic, in particular viscoelastic, properties of soft biological matter, in particular a biological system, preferably the soft brain mass of a human brain, comprising a magnetic resonance tomograph with an MRI coil and a soft biological Matter carrying and disposable in the MRI coil device.
- Elastography is used to represent the properties of the tissue of a body, for example, the brain or (or) the Gehimmasse.
- This technique always involves a periodic mechanical excitation (frequency about 50 Hz) and the imaging of the wave propagation generated in the brain by means of a nuclear spin method, for example by means of magnetic resonance tomography, also known as nuclear spin tomography.
- the matching devices are called Magnetic Resonance Imaging (MRI) or Magnetic Resonance Imaging.
- Two known methods for determining the elastic properties of tissue are the theological measurement and the magnetic resonance clastography. These two methods can also be used to determine the vi skoelasti properties of the brain.
- Magnetic resonance elastography is so far the only method to examine the brain in vivo in terms of elastic properties, so that elastic properties of the brain tissue can be represented.
- Shear waves in the brain are excited at a frequency of 20 Hz to 500 Hz via an external generator.
- To generate the mechanical waves there are different methods (electromechanical excitation, piezoelectric system, pneumatic excitation by a speaker).
- the stimulation usually takes place via a bite plate or a vibration plate under the head.
- the propagation of shear waves in the brain is recorded by means of an MRI and subsequently evaluated. From the propagation speed, the elastic properties can be derived.
- the invention is based on the object to provide a solution which makes it possible to minimize or even eliminate disadvantages described above, and also to provide a means to examine viscoelastic properties of the human brain in vivo and the spatial distribution of the viscoelastic properties of the human brain.
- the object of the generic method is inventively achieved in that the soft biological matter with a defined, at any time in all six degrees of freedom known and / or detected movement is moved to generate acceleration with simultaneous use of magnetic resonance imaging method and the movement of the soft biological Matter is detected by means of the magnetic resonance imaging method in at least one defined and / or detected layer / plane of the biological system and an image of the magnetic resonance imaging method using a motion-sensitive sequence and the movement of the soft biological matter is synchronized with the motion-sensitive sequence or recording frequency.
- the device is designed as a lifting and lowering device on which the soft biological matter is fixed in position fixable and positionable in the MRI coil positionable, wherein the lifting and Lowering device a positioning element, which can be arranged fixed in the coordinate system of the spatial coding of the MRI scanner, and a movement element, which is able to follow the possibility of being able to follow gravity in free fall, is movably arranged on the positioning element and on which the soft biological matter can be arranged, includes.
- the invention makes use of the advantages of the methods of rheological measurement and magnetic resonance elastography (MRE) and tries to combine the advantages of the two methods mentioned above.
- MRE magnetic resonance elastography
- It does not meet the previously described disadvantageous limits. It is possible to examine soft biological matter, in particular a biological system, preferably a soft brain tissue of a human brain, and thus the body or body parts, such as the human brain.
- Soft biological matter is understood to mean biological material, human or animal tissue, fluid or other non-hard matter that is MRI-like.
- a biological system is understood in the context of the present invention to mean every living being that is separated from the environment by its body. Simplified, every body of a living being thus represents a biological system.
- the term biological system is not limited to living beings, but can also include dead living beings.
- a very important aspect of the invention is the human, or the human body as a biological system, in particular the soft brain mass in the human head. But also animals and especially mammals fall under the concept of the biological system.
- the advantage here is that the knowledge of the elastic properties of the brain and their spatial distribution in the brain or in the soft brain mass for medical diagnosis of great benefit. So it is possible that, for example, the early detection, diagnosis and observation of dementias, hydrocephalus, brain tumors and Benefit from multiple sclerosis or make this possible.
- the method is also medically safe, non-invasive and free of ionizing radiation.
- elastic properties or relationships or structures of the human brain can be examined and displayed non-invasively, so that an invasive procedure is not necessary. Furthermore, the spatial distribution of the elastic properties, in particular of the viscoelastic properties, of the human brain can be examined and represented.
- the human brain also includes the soft brain tissue.
- Necessary is a minimal but sufficient acceleration of the brain or soft brain mass while performing a magnetic resonance imaging imaging procedure with the head in the scanned area of the magnetic resonance imaging apparatus. Furthermore, the invention can also be carried out on other parts of the body or even the entire body of a person according to previous explanations.
- the system according to the invention and the method according to the invention thus also make possible the in vivo representation of elastic properties of the human brain.
- the system includes a magnetic resonance tomograph and is operated synchronously to the acquisition sequence.
- the head is preferably raised in the supine position pneumatically by means of a device and lowered again.
- a motion-sensitive recording sequence allows the representation of the relaxation of the brain after lowering into the rest position.
- an internal excitation in the form of a creeping process is to be achieved by an externally controlled free fall of the head.
- the metrological advantage of free fall In particular, the measurements at the beginning of free fall, is that the measurements are relatively independent of the mechanical vibrations in the scanner and especially from the patient bed.
- the skull As the system to examine, one can think of the skull as a hard shell and the brain as a soft core with viscoelastic properties.
- the special construction of the head in particular of the human head, is used as a hard shell and interpreted as a rigid container, and with the brain suspended resiliently and dampened therein, or in a suspended and dampened suspended state.
- Each volume of elements of the brain or brain mass is elastically coupled and subcritically subdued.
- the brain can be described using the classical theological models of Maxwell, Kelvin and Ringham.
- the cranial bone follows the falling motion instantaneously and thus at exactly the same moment as the brain crawls.
- the resulting movements of the various tissue segments are dependent on the viscoelastic properties and the couplings of the segments with each other.
- the characteristic motion behavior of the tissue segments is measured in a spatially resolved manner in vivo.
- the method according to the invention provides that the spatial distribution of the elastic, in particular viscoelastic, properties of the soft biological matter in the biological system is evaluated and imaged using the magnetic resonance imaging method.
- the biological system is preferably a human body
- the inventive method provides that a head is moved as part of the biological system with a brain therein with acceleration of the Gehimmasse as the soft biological matter of the biological system.
- the examination on the human head is thereby performed preferably because the human head has a rigid shape in which the soft human brain exists.
- soft human body parts such as legs with a movable surface, these body parts are packed so dimensionally stable due to the movement so that they are lowered rigidly and without deformation.
- the method according to the invention provides that the soft biological matter, in particular the soft brain mass, is moved and displayed in vivo.
- the acceleration of the soft biological matter preferably takes place under the influence of gravity of the earth. This realizes a freefall.
- the body is thus accelerated in free fall.
- it is possible that the head with brain is actively accelerated from a rest position and then actively decelerated, whereby the deceleration of the head with brain undergoes a negative acceleration. This can be carried out, for example, by means of a mechanical, electronic or a combination of the two. For example, an elevation of the head from the rest position to a certain higher level is possible during which the method according to the invention is carried out.
- the inventive method provides that the soft biological matter, in particular the soft Gehimmasse, fixed dimensionally stable during the measurement or the outer shape is known at any time of the measurement.
- the measurement is preferably a measurement series or a measurement period.
- a dimensionally stable fixation means for example, a dimensionally stable packing of soft biological matter. Due to the dimensionally stable fixation errors can be avoided during the measurement.
- the method according to the invention provides, in a further embodiment, for the motion-sensitive sequence to have at least one 90 ° pulse and at least one 180 ° pulse and at least one field gradient, preferably two graded fields.
- the measured signal is spatially resolved, individual small regions, to be assigned to so-called voxels. This is done by clever switching of magnetic field gradients, which are superimposed on the static field of the magnetic resonance tomograph.
- the field gradient is preferably switched in the direction of the movement of the soft biological matter. Thereby, a representation of the viscoelastic properties in the brain according to the invention is possible.
- the inventive method provides that the soft biological matter, in particular the Gehimmasse, and at least a part of the biological system, in particular the head having the brain mass, before generating the acceleration by a distance from a rest position in the direction against gravity is raised to a moving position and held there.
- a movement position is a position in which the matter is positioned at a standstill before the subsequent movement. From this position, a movement is started under the influence of acceleration to return to the rest position.
- a movement position is also referred to as an acceleration position.
- the head is raised by a distance between 0.5 mm and 4 mm, preferably between 1 mm and 3 mm.
- the inventive method provides that the soft biological matter is moved in the free fall of gravity from the movement position to the rest position, the brain reaches this rest position with a time delay relative to the head.
- the time of lowering of the soft Gehimmasse head having been selected so that the head is lowered during or after the first field gradient back to the rest position, the head and the Gehimmass after lowering with the second field gradients are applied.
- the time of lowering the head having the soft brain mass is selected so that the head is lowered back to the rest position before the first field gradient, wherein the head and the soft brain mass after lowering with the first and second field gradients are applied.
- the head When the head is lowered after the 180 ° pulse according to the first alternative, other properties are measurable than the second alternative.
- the head in addition to the soft brain mass of a human brain, the head is also moved with a defined movement known and / or detected at all times in all six degrees of freedom to generate an acceleration with the simultaneous use of an imaging nuclear spin tomography method.
- at least one container in particular at least one tube, is used, by means of which the measured images of the soft biological matter, in particular the soft brain mass, are synchronized. This makes it possible that the container acts as a phase standard and the phase zero point for the layer to be examined pretends.
- the positioning element has at least one support and at least one half-ring and that the movement element has at least one shell, wherein the soft biological matter can be fixed in a dimensionally stable manner on the shell.
- the shell is movable by means of the half-ring in the system, wherein the shell is movably arranged on the half-ring.
- the soft biological matter for example, the human brain with the soft brain, must be fixed in the system in the coordinate system of the magnetic resonance tomograph, so that no further degree of freedom arises in the direction of movement and pure vertical guidance parallel to the direction of movement is possible ,
- the fixed fixation must thus be positioned so that it is fixed in position to the (resonance) magnet, but is still movable for the lowering movement.
- the shell By means of the shell, it is possible to position the head of the person so that it is arranged centrally, for example by arranging the tip of the nose, inside the device or the measuring device. Furthermore, it is possible to fix the head in such a shell that no rotation of the head during free fall occurs in the context of the movement. Furthermore, the head can be positioned in the shell so that after movement of the head, it remains in the shell.
- At least one field gradient is connected at least in the direction of movement of the movement element.
- the lifting and lowering device has a pneumatic, by means of which the moving element, preferably the shell, can be raised and lowered.
- the pneumatic is switched from pressure to vacuum, so that a free fall of the soft biological matter from the raised position, in which there is pressure in the pneumatic, to the rest position is possible.
- the shell has a mass of about 10% of the head weight (including the Gehinimasse) of a human.
- the moving element preferably the shell, between 0.5 mm and 4 mm, preferably between 1 mm and 3 mm, can be raised and lowered. It is possible to use a folding mechanism or a linear movement device.
- the support and the half-ring consist of polyoxymethyl s. Furthermore, it is particularly advantageous and expedient for the structural design of the system if the shell has at least one aramid.
- the lifting and lowering device is therefore made lightweight, but stiff, since polyoxymethylene and aramid are used.
- the system comprises a movement measuring device, in particular an optical monitoring, by means of which
- Movement of the lifting and lowering device is measurable.
- the optical monitoring has at least one light-emitting diode, preferably three light-emitting diodes, at least one light guide, preferably three light guides, and at least one light detector, preferably at least one photodiode, in particular three photodiodes.
- the measuring unit preferably comprises at least one RF antenna or at least one control signal from the control computer of the MRT, at least one Leuclit diode, at least one light guide and at least one Lichtdeketor, preferably at least one photodiode.
- the system comprises at least one container, in particular at least one tube, with a signal-generating content, preferably with a hydrogen content, in particular hydrogel, comprising water and agar, or preferably with glass wool or wool, wherein by means of the container and the filling of which is the phase normal for the displayed layer of soft biological matter can be determined.
- a signal generating content generates a signal during the measurement.
- a hydrogen content is a content that generates a signal due to the hydrogen content.
- the agar has an agar concentration of 4 g of agar / 1 liter of water to 6 g of agar / 1 liter of water, preferably 5 g of agar / 1 liter of water.
- FIG. 1 shows a schematic section of a device according to the invention and a method according to the invention
- FIG. 3 shows a structural image and two phase images
- FIG. 4 shows the principle of the contrast in the phase image
- FIG. 6 shows an overview image for the rotation of the magentization vector
- FIG. 6.3 shows a spin-echo representation
- FIG. 6.4 shows a visual stimulus as a graphic
- FIG. 6.5 shows a spin echo sequence
- FIG. 6.6 shows a simplified scheme of a motion-sensitive EPI sequence
- FIG. 6.7 shows several rheological models
- FIG. 7.2 shows an alternative principle of a device according to the invention and a method according to the invention in detail
- FIG. 8.2 shows a support, a half-ring and a shell according to the invention
- FIG. 8.3 shows phase normals in a system according to the invention
- FIG. 9.1 shows a phase image without movement
- FIG. 9.3 shows a gray scale representation
- FIG. 9.5 a phase image to the layer from FIG. 9.4, FIG.
- Fig. 9.9 Representation of four phase norma, 10 shows a support, a half-ring and a shell according to the invention
- a magnetic resonance tomograph comprises, for example, a vacuum container, a cold shield, a cold head, a compressor, a superconducting shim coil, a superconducting field coil, an iron brain, a gradient coil set, a transmission filter, an RF coil, a local coil, has a transceiver and a patient bed.
- the gradient coils are used for slice selection and spatial encoding.
- a sequence is used, which is a combination of high-frequency pulses and gastric gradient fields, the sequences being switched on and off many times in a predetermined order every second.
- Sending and receiving the High-frequency pulses for example, by means of coils, such as a head coil.
- the applied principle is based for example on the spin echo sequence,
- a 90 ° pulse is emitted by means of the MRT, whereby the magnetization generated by the MRT is deflected by 90 ° transversely to the external magnetic field.
- the magnetization begins to revolve around the original axis.
- the resulting high-frequency signal can be measured outside the body.
- the signal may also depend on the so-called Tl relaxation time (spin-lattice relaxation), which is a measure of the rate at which the original longitudinal orientation of the spins reverts to the external magnetic field.
- Tl relaxation time spin-lattice relaxation
- An MRI examination generally always includes Tl- and T2-weighted image series in at least two spatial planes.
- a spatial coding is generated using linearly spatially dependent magnetic fields (gradient fields). It is exploited that for a given particle, the Larmor frequency depends on the magnetic flux density (the stronger the field component perpendicular to the direction of the particle rotation pulse, the higher the Larmor frequency). In a measuring coil, an alternating voltage is induced by the rotating Transversalmagentmaschine whose frequency is the Lamorfrequenz.
- the gradients together thus cause a coding of the signal in three spatial levels.
- the received signal for example by means of a coil in the MRI, belongs to a specific layer of the body and contains a combination of frequency and phase coding, which the computer can convert into a two-dimensional image with a Fourier transformation.
- the brain G in the hard cranial bone can be regarded as a strongly damped harmonic oscillator, each segment or each considered and defined volume part (brain) of the brain G being represented as an inert mass (model) by a cuboid), which is coupled with an elastic spring 1 (elastic spring) and a damper 2 (darnper).
- an elastic spring 1 elastic spring
- a damper 2 damper 2
- the speed V of Gehimterrorism and the time until the idle state is reached depend on the spring constant (elastic spring 1) and the damping 2, as shown by the partial image c) in Fig. 1.
- the head K is first raised by a distance d (partial image a) of FIG. 1) by means of a pneumatically actuated head laying device 6, wherein the position is determined by a fast optical measuring device, preferably on the head support device 6 is arranged, is displayed.
- the head K After reaching the upper start and rest position shown in the sub-figure a) of Fig. 1, the head K by the distance d in the embodiment down to the horizontal position, as shown in the partial image b) of Fig. 1, in the sense dropping rapidly by this small distance d.
- the imaging process of the magnetic resonance tomography apparatus in whose bi-loading part the head K is arranged and placed at this time, also runs during this movement.
- the "fall time” and the “fall angle” or “drop height” are adjustable and are preferably provided with a diffusion sensitive / motion sensitive, single shot (EPI) (eefao planar imaging) Synchronized sequence of the current magnetic resonance imaging method.
- EPI diffusion sensitive / motion sensitive, single shot
- the motion of the brain G or the particular brain segment or volume of matter considered is represented as encrypted gray-scale in phase images during the presence and presence of the diffusion-sensitive / motion-sensitive sequence / acquisition sequence (partial image c) of FIG. 1).
- the measuring principle according to the invention is further explained with reference to FIG. 2, wherein the representations in the upper partial image (partial images a) to c) of FIG. 2 at the times ti, t 2 and t 3 are respectively the partial images a) to c) of FIG 1 correspond.
- the measuring principle shows a variant of the measurement according to the invention.
- the device folds down, the skull bone follows the movement instantaneously (blue curve 3).
- the downward movement of the brain is delayed (red curve 4).
- Each element 5 of the brain G moves with a different time constant corresponding to the elastic coupling 1 and damping 2.
- This delayed movement of the brain can be represented by means of a motion-sensitive sequence as an image contrast in the MRI system (magnetic resonance tomography system).
- the acceleration of the head K is shown below.
- a pneumatically controlled device is installed for moving the head into the head coil in the magnetic resonance tomograph (MRT, Magnctresonan / .tomographen). It must be ensured that the device is fitted without play in the head coil.
- the pneumatics must be designed in such a way that the movement of the head takes place only over large-area actuators in order to avoid vibrations and deformation of the entire device.
- the head K is fixed on an exactly adapted to the shape of the head pad of the head-laying device 6 shown in FIG. 2, which is rigidly connected to a moving device.
- the head K is raised (measured above the vertex) by approximately 3 mm, the joint 7 is located in the region of the lumbar spine according to partial image a) to FIG. 2.
- the position of the folding device is measured optically in real time.
- a modulated light signal is conducted via a glass fiber to the measuring position.
- There the beam cross-section is widened over a trapezoidal light guide.
- the light signal is caught behind a 2 mm wide air gap and guided with a second optical fiber into the control area of the MRI (magnetic resonance tomograph).
- MRI magnetic resonance tomograph
- the movement of the folding device of the head-elevating device 6 takes place via rapidly switchable, electrodynamic pneumatic valves. Via throttle valves, the time constants for raising and lowering the head can be set individually.
- the movement of the head K is synchronized with the acquisition sequence of the magnetic resonance tomograph or nuclear magnetic resonance tomograph.
- the time of lowering is adjustable (accuracy 0.5 ms), the lower rest position (time t 2 ) - must be reached before the 90 ° pulse 8a in this perennialsheispiel.
- the image is recorded with the help of a motion-sensitive sequence (for example, spin-echo, EPI, etc.), wherein the two vertical chitulose, muscle growth factor, muscle growth factor, etc.
- a motion-sensitive sequence for example, spin-echo, EPI, etc.
- the image contrast generating quantity ⁇ h determines the image contrast and the information in the phase image.
- Fig. 4 shows the underlying calculation formula.
- the parameters of the movement stroke of the head K: 3 mm, reaching the lower position 3 ms before the 90 ° pulse 8a and 15 ms before the first motion-sensitive gradient 9a.
- the measurements were carried out on a 66-year-old male volunteer.
- FIG. 3 on the left side show a transverse structure image (amplitude image) of the transverse plane examined.
- a phase image of the same layer / plane is shown, which was recorded without preceding movement. Structures within the head K are not recognizable.
- the Gehimmasse / brain G is shown as a homogeneous gray field due to the failure to move during the concern of the motion-sensitive sequence / gradient.
- a phase image with preceding movement of the same layer / plane of the head K is shown.
- the structures visible there are recognizable on the structure picture. In particular, dark areas of the brain are recognizable in the right part of the brain.
- the contrast stems from the differences or changes in the elastic properties of the individual brain areas made visible by the method according to the invention.
- the method according to the invention for visualizing elastic properties of the human brain by means of or based on a material science method is thus simple to perform, non-invasive and not uncomfortable for the patient.
- the visual contrast or contrast difference depends on the combination of elasticity (elastic spring) and the damping constant of the respective brain area.
- the curve 3 shows the decay curve of the head K, i. the hard head shell
- the curve 4 the corresponding curve for the brain G is shown.
- the first 1-hole req uen / .pul s 8a of the MRI defines the respective measurement plane / measurement layer (transverse plane) in the brain G.
- the 90 ° pulse 8a is followed in the usual way by a 180 ° pulse 8b.
- the acceleration of the head K in the direction of distance d can be achieved not only by pivoting the head rest according to FIG. 2, but also by displacing the head rest.
- the head K to be examined rests in a mechanical lifting / lowering device 22 according to FIG. 5, which pneumatically raises and lowers the head K.
- the current position is optically measured in three places.
- the device is controlled by an electronic system that switches the pneumatics synchronously to the recording sequence.
- the mechanics are designed to be used in a standard Head Spool 39 (Siemens Medical Solutions) within a 1.5 T MRT, for example within a Siemens Magnetom Avanto Tomographs, can be operated.
- a head coil 39 for example, the imaging sequences are received in the MRT.
- the mechanics is divided into two parts.
- the lower, a part consists of a thin support 23, which is fitted into the round opening shape of the head coil 39. Attached to it is a half-ring 24, which defines both the position in the longitudinal direction, as well as connections 20a, 20b for the later-described pneumatic 40 and the optical monitoring 41 includes.
- the half ring 24 forms the other, second part.
- the mechanism is shown by way of example in FIG. 5, FIG. 8.1, FIG. 8.2, FIG. 8.3, FIG. 10 to FIG.
- On the support 23 are shown in Figure 8.1, two rubber tubes 21 a, 21 b, which can be filled or evacuated via the pneumatic ports 20a, 20b with air. At both
- the half-ring 24 and the support 23 are made of polyoxymethylene (POM) (POM is also known under the trade name TECAFORM AH natur, Ensinger).
- POM polyoxymethylene
- the shell 26 was made by hand as a sandwich laminate of aramid-reinforced plastic.
- the sandwich consists of a 3-millimeter-thick aramid honeycomb (Kevlar® honeycomb) sandwiched between two approximately one-millimeter-thick laminates of aramid fabric (Kevlar® fabric, trade name Style 284 from ECC) and epoxy resin (trade name Epoxy Resin L and Hardener L from R & G Faserverbundtechnik GmbH) is located.
- the entire sandwich was produced in one operation in an aluminum mold.
- the shell 26 according to FIG. 8.2 serves as a support for the head K.
- the shell 26 is supported on the shell 26 by means of a vacuum pad (not shown in FIG. 8.2) (MR (gastric resonance)).
- stops 28a, 28b made of POM, which limit the stroke of the shell 26 adjustable to a maximum of 3 mm.
- These stops 28a, 28b are designed as an angle that protrude over the support.
- On half ring 24 (front stops) are according to Figure 8.2 and Figure 12 through this angle from above Nylon screws 29a, 29b used. They form the actual stop, which is adjustable thereby.
- the stop on the support (rear stop) can be adjusted by different thickness POM pieces.
- the lifting and lowering device 22 is pneumatically driven.
- a membrane pump 1 1 vacuum pump 1 (vacuubrand MZ 2T) in two pressure vessels 12 a, 12 b generates a super-negative pressure (20 kPa or -25 kPa with respect to the ambient pressure).
- Underpressure and overpressure are set by means of mechanical pressure control valves 13a, 13b (own structures) and can be read on two pressure gauges according to FIG.
- Pressure and suction side are connected to manually adjustable throttle valves 15a, 15b via a common supply line 16 to the lifting / lowering device 22.
- the suction side is additionally provided with an electromotive switching valve 14 (Leybold). By default, this valve 14 is closed, so that the lifting / lowering device 22 is under pressure and the shell 26 is in the upper position. If the switching valve 14 is opened, the device 22 is vented and the shell 26 decreases.
- the excitation J JF signals of the MRI 19 are received with an RF antenna 35 in the scanner room 17.
- the anti-Semitic signal is amplified (EG & G ORTEC Model AN302 / NL) and the MRI's FIF pulses are detected in a De-ay-Trigger (Delay Trigger DT 104, Paul Scherrer Institute) and a control pulse is generated via an electronic relay (Power supply via Triple Power Supply EA-PS 3332-03) the switching valve 14 of Pneumatic opens synchronously to the recording sequence.
- Antenna signal and control signal are checked with oscilloscope 32 (Tektronix TDS 5034).
- optical monitoring will be described below.
- the mechanism is equipped with an optical display.
- the light of three commercially available LEDs 30a, 30b, 30c (AVAGO Technologies I ILMP HG35- I W0DD) using coated plastic optical fibers 31a, 31b, 31c (outer diameter 2.2 mm, core diameter 1 mm ) to the mechanics.
- the optical fibers are widened into a wedge. The light emerges from the wedge and is collected after 2 mm by a second, also widened light guide. In the gap, an aperture moves with the head shell, which dimmers the incoming light depending on the position.
- the collected light is passed back into the control room 18, the respective light signal with a photodiode 33a, 33b, 33c (Burr-Brown OPT101) detected and displayed on the oscilloscope 32.
- There speed and the stroke of the head shell 26 can be tracked temporally resolved.
- the light-emitting diodes 30a, 30b, 30c, the light guides 31a, 31b, 31c and the photodiodes 33a, 33b, 33c are part of the optical monitoring 41.
- the light-emitting diodes 30a, 30b, 30c are connected to a function generator 34 (Voltcraft FG-506). operated at a frequency of 30 kHz.
- the measurements are performed on an MRT 19, here a Siemens Magnetom Avanto MRT, with a grand field strength of 1, 5 Tesla.
- MRT 19 a Siemens Magnetom Avanto MRT, with a grand field strength of 1, 5 Tesla.
- SE diffusion-sensitive spin-echo sequence
- EPI diffusion-sensitive echo-planar imaging sequence
- Fig. 6.1 shows the energy split by the ern-Zeeman effect for a proton in an external magnetic field.
- the occupation of the upper and lower levels in the ground state takes place according to the Boltzmann statistics. If a multi-stakeholder system is considered, one can summarize the magnetic moments of the spin ensemble to a magnetization vector M and go into the classical representation.
- the irradiation of a resonant, electromagnetic wave is then used to spiral the magnetization vector from the / - direction into the xy plane.
- the radiation duration ⁇ determines the angle of rotation u - ⁇ ⁇ ⁇ with respect to the z-axis with B ä equal to the induced by the EM wave alternating field ( Figure 6.2.).
- Achieved ⁇ 90 ° the associated pulse is referred to as a 90 ° pulse.
- a pulse with twice the strength results analogous to a 180 ° pulse.
- the amount of magnetization vector projected onto the xy plane can be thought of as a rotating dipole whose signal can be measured with an antenna perpendicular to it.
- Fig. 6.2 shows rotation of the magnetization vector M due to the irradiated Bi field
- Nuclear magnetic resonance can be used for medical diagnosis, since different types of tissue differ in the relaxation times Tf and T 2 and can thus be differentiated. A detailed description of the relaxation processes is known in the art or in the literature.
- Fig. 6.3 shows in detail a spin echo.
- the 90 ° pulse causes a rotation of the equilibrium magnetization from the z direction into the x-y plane (step A according to FIG. 6.3).
- the spins run at different angular velocities due to inhomogeneities
- step B (Larmor frequencies) apart, they dephase (steps B, C) and the signal decays.
- the irradiated 180 ° pulse after time T E / 2 rotates the spins about the x-axis so that the faster spins are again behind the slow ones (step D).
- the faster spins pick up the slow ones again (step E).
- step F After the time ⁇ ; the spins rephase to the so-called echo (step F).
- the amplitude of the falling signal decreases with the specific relaxation time of the tested sample volume (green curve 45).
- step D By injecting a 1 8 () ° pulse, the spins are rotated 180 ° about the x axis, causing the faster spins to be behind the slower ones (step D) and catching up again (step E). This rephases the spins and provides a measurable signal, called an echo (step F). The signal drop of the echo maximum thus takes place only by the actual relaxation (green curve 45). These can now be used to determine the relaxation time.
- the width of the layer depends on the strength of the gradient and the bandwidth of the radio-frequency pulse.
- phase coding will be described below.
- a gradient Gy ⁇ 3by / öy is applied for a certain time T y .
- Ay describes the distance between them different spin ensembles. If the signal of a layer with N different, known gradients is measured, the N-lines in the y-direction can be assigned their signal contribution.
- the circuit of several RF pulses and gradients for generating an image is called a sequence.
- sequences are presented, which can be used for imaging.
- the spin echo sequence is described below.
- FIG. 6.5 shows the circuit of a spin echo sequence (SE sequence).
- SE sequence spin echo sequence
- sub-image a) thus shows a spin-echo sequence in detail, during which the magnetization collapses into the xy plane during the 90 ° and 180 ° pulses , a gradient is switched in /.- direction to select a layer.
- a gradient in the y-direction is applied before the 180 ° pulse.
- An image with N lines requires N passes with different gradients in the y-direction.
- the frequency is encoded by a gradient in the x direction.
- two additional, so-called motion-sensitive gradients can be switched in the direction of movement (partial image b) of FIG. 6.5).
- the principle is based on the method of the first diffusion measurements.
- these gradients are switched symmetrically around the 180 ° pulse.
- the first like the phase encoding gradients, causes a location-dependent phase change along an axis.
- the 180 ° pulse then rotates the magnetization in the opposite direction.
- the second gradient with the same polarity would completely reverse the dephasing if the examined volume did not move. If, however, the location of the spins changes between the two gradients due to a movement in the examined sample volume, the phase shift is not completely reversed by the second gradient.
- GB describes the gradient strength in the direction of movement, TB its duration.
- Gray values are then assigned to the signal amplitudes and phase positions thus measured and spatially assigned, so that a sectional image (amplitude image) can be generated from the amplitudes, on which the structures of the examined volume can be seen. From the phases, a sectional image (phase image) can be generated, in which the movements are made visible.
- the echo planar imaging (EPI) sequence is one of the fastest pulse sequences available on an MRI and is shown in Figure 6.6. It differs mainly in the echo generation of a spin-echo sequence. She does not rely on a 1 80 ° pulse to rephase the spins, but works with gradient echoes. Via a frequency-encoding gradient in the x-direction, the spins are first dephased, Prephasing called, then rephasing this by a gradient in the opposite direction and thus to produce the desired echo. Due to the double irradiation time of this gradient, the second half again serves for prephasing for a further phase encoding step. With interposed phase encoding gradients in the y direction, a complete, 2-dimensional image can thus be generated from a single excitation, since a whole series of echoes occurs.
- Fig. 6.6 shows in detail a simplified scheme of a motion-sensitive EPI sequence.
- the spins are first pre-pregraded by gradients in the x direction and then rephased in order to produce an echo.
- An intermediate phase encoding gradient in the y direction provides for the complete generation of a two-dimensional image.
- a 180 ° pulse is radiated for the movement sensitivity around which symmetrically distributed two gradients lie in the direction of movement.
- the tissue of the brain is a substance that has both elastic properties of a solid and viscous properties of a liquid. It is called viscoelastic and can be described by different models.
- the science of the behavior of elastic, viscous and plastic bodies is called rheology.
- the viscous properties are described in rheology by an attenuator (FIG. 6.7, partial image a)).
- the damping is due to the viscosity of the fluid.
- FIG. 6.7 Shown in FIG. 6.7 is partial image b) basic combinations of rheology, ie simple standard models of rheology.
- Fig. 7.1 partial image a the principle of the method according to the invention is shown schematically and further elaborated.
- the head K is raised by a few millimeters (upper position). In this condition, the brain G and the skull bone are in balance. Subsequently, the head K is dropped (lower position). This results in a disruption of the balance of forces, viscoelastic stored tissue structures in the brain G move relative to the skull bone. If the hard skull bones down again, it settles much faster than the soft core, the brain G. This creeps depending on the viscoelastic properties.
- Fig. 7.1 sub-picture b) shows the timing.
- the head K is raised and in an equilibrium state. Then it is dropped, with the hard skull bone (blue, curve 3) coming up first and resting relatively quickly (t 2 ).
- the soft brain regions follow the delayed motion, depending on their viscoelastic properties, delayed while synchronously initiating a motion-sensitive sequence. This represents, depending on the time of the additional gradients in the direction of movement (t 3 ), different behavior of different tissue structures in a phase image (green curve 10 and red curve 4).
- FIG. 7.1 thus shows in detail the principle of MR rheology, wherein at the beginning of a measurement according to the preceding embodiments, the head raised is in an equilibrium state. Subsequently, the head is dropped, whereby the skull bone is again relatively quiet after striking because of its hardness and the associated damping. Tissue segments with different viscoelastic properties, represented by two different springs and dampers, follow the fall movement with different lowering behavior.
- Partial image b) thus shows the representation of the time sequence according to the preceding statements.
- the raised head K which is in an equilibrium state (ti) is dropped from a small height (distance d) (t 2 ), the hard skull bone coming up first and resting relatively quickly (blue curve, 3). Delayed a motion-sensitive sequence (eg EPI sequence) is started, which makes the movement Ah of the tissue segments during this period in a phase image visible. Different, viscoelastic properties (red curve 4 / green curve 10) can thus be recognized.
- the necessary additional gradients are switched in the direction of movement.
- FIG. 7.2 which reproduces in Fig. 7.1, upper partial images a) and b), which is why in this respect reference is made to the preceding description for Fig. 7.1.
- the head K is pneumatically lifted and lowered in a time-controlled manner by means of the apparatus or device described in connection with FIGS. 10 to 13.
- the hard skull K follows the movement instantaneously, the Gehini G will crawl for a while.
- the time of lowering is selected such that the cranium is timed before the 9 () ° excitation pulse of the MR sequence (magnetic resonance sequence) in the lower position (time t 2 , middle partial image of the partial image a ) of FIG. 7.1 and curve 3 in FIG. 7.1b) (partial image b) of FIG. 7.1)).
- the subsequent movement-sensitive gradients then record different relaxation behavior of the brain G.
- a spatial encoding occurs through the gradients related to the examined slice / plane of the brain. With the chosen fall time the last part of the relaxation curve is examined.
- the question of "how does the movement end" is illuminated, in which the height difference between the two gradient pulses of each volume element can be represented as image contrast by means of the two vertical gradient financial gradients shown in Figure 7.1
- the spatial resolution is determined by the spatial resolution of the magnetic resonance tomograph , for example, 1, 5 mm resolution, where a measured gray value is the height difference between the two magnetic field gradients, and a constant gray value means that the brain does not move between the two magenta field gradients.
- the fall time is selected such that the lowering point takes place only after the 1 80 ° pulse 8b and after the first gradient 9a (drop of the curve 3 in partial image c) of FIG. 7.2).
- the elastic properties of the brain can be measured and represented, and the synchronization is improved.
- ⁇ br/> ⁇ br/> The technical advantage of the examination at the beginning of free fall is that the measurements are relative are independent of the mechanical vibrations in the tomograph and especially of the patient bed.
- Mitteis the embodiment of FIG. 7.2 it is thus possible to directly absorb the acceleration of the brain at the beginning of the free fall or to look into this.
- FIGS. 7.1 and 7.2 Another spring ⁇ , a further damper 2 ' and a further element 5 ' are shown elsewhere in the head K in FIGS. 7.1 and 7.2.
- the lowering of the head according to FIG. 7.1 and FIG. 7.2 preferably takes place by means of a stroke movement by the distance d.
- the movement is generated pneumatically, applied overpressure corresponds to the upper position, negative pressure corresponding to the lower.
- Through throttle valves, the exact shape of movement can be adjusted in both directions.
- Overpressure and depression are provided by a diaphragm pump 11 (vaeuubrand MZ 2T) according to FIG. 5.
- a diaphragm pump 11 vaeuubrand MZ 2T
- two reservoir 12a, 12b are brought with a volume of approximately 15 liters to an overpressure of 20 kPa or negative pressure of -25 kPa compared to the ambient pressure.
- By mechanical pressure control valves 13a, 13b the pressures are adjustable and can be read on manometers.
- throttle valves 15a, 15b which can be adjusted manually.
- An electro-pneumatic switching valve 14 (Leybold) allows switching from positive to negative. Its electrical control will be explained below.
- a Y splitter in the MRT room 17 according to FIG. 5 divides the common feed line into two tubes 21a, 21b, which can be plugged into the lifting and lowering device 22 (FIGS. 10, 12, 13).
- the device is designed so that it can be accurately placed in the head coil of the tomograph (Siemens Medical Solutions).
- a support 23 serves as a holder for recessed rubber hose 21 a, 21 b, which are connected to the pneumatics.
- half ring 24 is connected to the support 23, ensures a secure fit of all components and includes, in addition to the possibility to connect for the coming of the Y-splitter tubes 20a, 20b, two pistons 25a, 25b , These are also connected to the pneumatic and in them a cone is embedded on the upper side.
- FIG. 13 shows in detail a support 23 and a hollow ring 24 consisting of polyoxymethylene.
- the support 23 is adapted to the head coil of the scanner.
- the associated half-ring 24 serves to fix the support 23 and includes the connections of the pneumatics.
- To these two pistons 25a, 25b are connected in the half-ring 24 to guide the neck-near part of the shell 26.
- the rubber hoses 21a, 21b let into the support 23 are connected to the same pneumatics and can be inflated and evacuated.
- the shell 26 consists of a sandwich laminate of aramid-reinforced plastic.
- aramid honeycomb Kevlar® honeycomb
- aramid fabric Kevlar® fabric
- epoxy resin epoxy resin
- the shell 26 is shown together with the support 23 and the half ring 24 in Fig. 10 and Fig. 1 1 and Fig. 12.
- the fixing elements 27a, 27b are kept secured on the pistons 25a, 25b against slipping off of the pistons 25a, 25b and / or the half-ring 24 and / or the support 23.
- stops 28a, 28b as shown in FIG. 10 are laterally attached to the half-ring 24 and at the head end of the support.
- Stops 28a, 28b on the half ring 24 are mounted in angled form and protrude there right and left on the shell 26.
- An attached nylon screw 29a, 29b is screwed from above against the shell 26 and thus limits the stroke to an adjustable height.
- the stop, which is mounted on the support, is also angular. The stroke is limited here by different, festschraubbare pieces of different thickness.
- Fig. 10 shows in detail an aramid reinforced plastic shell.
- the aramid honeycomb (Kevlar® honeycomb) and a laminate of Kevlar® fabric and epoxy resin form an extremely lightweight but stable, mangetresonan-suitable construct.
- the head is fixed with a vacuum pad, so that unwanted movements can be minimized and the head can be raised and lowered.
- the lifting and lowering device 22 has an optical monitoring.
- the light from three LEDs 30a, 30b, 30c is over
- Optical fiber 31a, 31b, 31c to the lifting and lowering device 22 shown in FIG. 5 passed.
- a light guide goes to the stops on the half-ring 24. There, they are plugged into a holder whose output is connected to a Plexiglas wedge. This expands the light signal so that a larger signal area in the stroke direction is achieved. At a distance of 2 mm there is another wedge that recaptures the light.
- a shutter is mounted, which is mounted so that it protrudes exactly between the two wedges.
- only two light guides are guided past one another on the third stop. Depending on the position of each other, more or less light is transmitted.
- the light collected in the wedges or in the light guide is returned to the.
- Directed control room where the signal strength is made visible by connected to an oscilloscope 32 photodiodes 33a, 33b, 33c.
- the position of the tray 26 can be monitored at each of the three locations.
- the light-emitting diodes 30a to 30c are operated via a frequency generator 34 (Voltcraft FG-506) at a frequency of approximately 30 kHz.
- a frequency generator 34 Voltcraft FG-506
- upstream bandpass unwanted frequencies of other light sources can be filtered out.
- This position monitoring allows a time adjustment of the fall process to a recording sequence, which is explained in the following section.
- the electronics will be described in detail below.
- the previously explained sequences can be repeated as often as desired in a time-adjustable distance TR.
- the timely precise control of the switching valve for coordinating the raising and lowering operation is synchronized with the HF pulses of the tomograph via the electronics presented here.
- the RF pulses are received as shown in FIG. 5 via an RF antenna 35, which is mounted in the MRT room 17, and then in an amplifier (EG & G ORTEC Model AN302 / NL) and converted into a control pulse.
- a delay of any length can be set via a digital delay generator (BNC Model 7020) so that shell 26 and head K arrive shortly before the next 9th ° -puis hit down.
- the delayed control pulse is applied to an electronic relay which opens the switching valve 14.
- the RF pulses will also be made visible on the oscilloscope 32. All these elements / components are part of the "logic” 36, unless they are specifically or explicitly shown in Fig. 5.
- the logic 36 is part of the electrical components 42nd
- the MRI examination is harmless to the human body.
- the magnetic fields acting on the organism are harmless. Since the case takes place perpendicular to the static magnetic field and the gradients are switched only after the free fall, there can be no induction currents in the body.
- the subject has direct access to a safety valve 37 in the pneumatics.
- the built-in stops 28a, 28b are also designed so that they withstand the maximum, prevailing in the pneumatic circuit pressure and thus limit the maximum lifting height.
- the light-emitting diodes (LEDs) 30a, 30b, 30c installed for optical monitoring have only a low power and are thus absolutely harmless, moreover they are located outside the field of vision of the subject.
- phase standard will be described below. Since the phase position is consistent only within one image, two images can not be compared with each other from the outset. So you can not say which phase belongs to which movement. In order to be able to compare images directly with one another, one needs a point that has demonstrably not moved during the sequence in order to be able to normalize to it.
- phase standard has been produced for this purpose, whose construction and construction will be briefly explained below.
- a PVC pipe 38a, 38b of about (about) 15 cm in length and 1.5 mm in diameter as shown in figure 8.3 is used, which is fastened longitudinally next to the head.
- two approaches were followed.
- a hydrogel of water and agar which is also known as a gelling agent.
- the necessary cooking process is known from the prior art.
- the tube was filled with glass wool or (or) cotton wool to prevent internal water movement.
- a holder 40 a, 40 b was built, which can be mounted from the inside to the coil 39.
- the piece was designed so that the tube 38a, 38b can be pinched there.
- the other side with the U-shaped opening are several holes in which a threaded rod pulls this part of the U-piece together and thus clamps on the Kopispule (Fig. 8.3).
- the position of the tube is variable and can be clamped as close to the head.
- Fig. 8.3 shows in detail clamped phase normal A, B in the head coil 39.
- PVC pipes 38a, 38b with phase standards are clamped in a U-shaped holder 40a, 40b. This can be clamped to the coil 39 and placed in any positions close to the head.
- the head K is approximately at the position where the inserted bottle is located.
- the novel contrast is first displayed.
- the simplest classification of the contrast possible with MR rheology is shown in a comparison of an image with a preceding movement and a picture without movement.
- phase image without movement is shown in Fig. 9.1.
- the noise outside the head should not be considered further.
- the phase angle is not quite homogeneous due to the uneven field within the head.
- the influence of this field inhomogeneity on the phase image with motion can be removed by subtracting the phase image without movement from that with motion.
- the editing of phase images is possible with a self-written program (author Marcus Radicke).
- phase angle was also rotated in such a way that there is no direct transition from white to black in the image. These occur because phase angles greater than 359 ° start again at 0 ° and receive a corresponding gray value.
- the image with motion was created at a fall height of one millimeter on a male subject aged 27 years with a motion sensitive EPI sequence.
- the sequence parameters are: TR: 2500 ms; TE: 150 ms; b value: 250; Gradient length: 20 ms; Time between first and second gradient: 60 ms, voxel size 2x2x5 mm.
- Fig. 9.1 thus shows in detail a phase image without motion. Without movement there is almost no contrast.
- the not quite homogeneous gray gradient is due to small magnetic field inhomogeneities according to previous explanations.
- Fig. 9.2 thus shows in detail a phase image with motion.
- the phase image reduced by the inhomogeneous course clearly shows different behavior of inner and outer tissue structures.
- the drawn yellow line 46 indicates the area investigated below.
- FIGS. 9.1 and 9.2 which were taken approximately at half the frontal height, shows qualitatively distinct differences.
- FIG. 9.2 phase image with movement
- FIG. 9.1 phase image without movement
- FIG. 9.3 phase image without movement
- the separation of the two halves of the brain In addition, it can be seen that the tissue inside a half behaves differently than tissue near the skull bone.
- a graph has been created which represents the gray levels on the horizontally drawn line 46 ( Figure 9.3).
- Image J, Version 1.46r using the "Plot Profile" function
- the gray values along the line were read out and plotted against the pixel. Large values reflect dark gray values, small values bright.
- the two valleys left and right have a large difference to the edges and the center. This is a particularly good illustration of the different behavior of inner brain tissue to outer tissue.
- the finer structures will be discussed below.
- Fig. 9.3 thus shows in detail a gray value representation of a section in the x-direction. It can be clearly seen, according to previous statements, the separation of the two halves of the brain and the differentiated behavior of the inner areas. The gross separation between inside and outside are superimposed on more information.
- Each measurement in a layer also includes a structure recording or a so-called amplitude image, as shown in FIG. 9.4.
- amplitude image As shown in FIG. 9.4.
- FIG. 9.4 the internal structures of the human brain can be clearly recognized.
- a previously described, processed phase image, from the same layer as the amplitude image, can be seen in Fig. 9.5. It shows a spatially resolved representation of each examined view.
- Fig. 9.4 thus shows in detail an amplitude image of a selected layer.
- a phase normal B can be seen.
- the yellow line 47 shows the area that is compared with the phase image.
- Fig. 9.5 shows in detail a phase image with motion associated with the layer of Fig. 9.4.
- the phase standard B can be seen left-up.
- the yellow line 48 shows the area that is compared with the amplitude image.
- FIG. 9.6 shows the gray values of the vertical lines 47, 48 from FIGS. 9.4 and 9.5.
- the line 47, 48 lies over the same pixels and runs from top to bottom.
- Fig. 9.6 thus shows in detail the comparison of the gray-level course of the amplitude image and phase image along a vertical line 47, 48.
- the gray values of the amplitude image Ap are shown below, the phase image P above. The exact value plays no role in the comparison. Changes in the phase history seem to change in the
- phase normal as described here, is the result of several experiments and measurements and was pursued by two different approaches.
- both tubes contain a hydrogel with an agar concentration of 7.5 g agar / 1 l water (7.5 g / l).
- the round shape of the tubes 38a, 38b is very distorted to recognize. Not to be seen in FIG. 9.7 are two more phase standards filled with glass wool (highly compressed), water and copper sulphate. These are located further down the side of the bottle.
- the positioning of the hydrogel-filled tubes 38a, 38b adjacent the bottle ( Figure 9.8) shows that there are no more distortions there. This thus seems to be dependent on the position in the head coil 39.
- Fig. 9.9 four phase normal A, B, C, D can be seen.
- These are two hydrogel-filled tubes 38a, 38b, at a concentration of 5 g / l, which were positioned immediately adjacent to the bottle.
- the tube (D) on the top left is covered with a little glass wool and pure water, the tube top right (C) with little cotton wool and pure water. All four give a clear signal and have no flow inside. A slight distortion, however, can be found in both upper tubes (C, D).
- phase normal B with the low agar concentration of 5 g / l can also be seen in FIGS. 9.4 and 9.5. In this case, although they are located further out, they have a much smaller distortion, in contrast to those with a concentration of 7.5 g / 1.
- Fig. 9.7 thus shows in detail the representation of distorted phase normals C, D.
- the phase normals C, D are filled with agar and water hydrogel with an agar concentration of 7.5 g / l according to previous embodiments. They show strong distortions.
- Phase normals filled with water, copper sulphate, and large amounts of glass wool are immediately adjacent to the bottle but are not represented by the EPI sequence. In the middle is the bottle for use in test recordings.
- FIG. 9.8 thus shows a detail of undistorted phase normal A, B in detail according to the preceding embodiments.
- the same phase standards were used as in FIG. 9.7. In the position next to the bottle they are not distorted.
- Fig. 9.9 thus shows in detail in accordance with previous embodiments, a representation of four phase standards A, B, C, D.
- the tube top-left (D) is filled with water and a small amount of glass wool, the top-right (C) with Water and a small amount of cotton wool.
- the two tubes (A, B) next to the bottle are filled with hydrogel of agar and water at a concentration of 5 g / l. In the middle is the bottle used during test recordings.
- the method of MR-rheology is able to show different elastic properties in the brain G, as the above measurements make clear.
- the generated phase images and in particular their gray value representations show the possibilities of Rheology on.
- the different behavior of tissue inside a hemisphere suggests different viscoelastic properties of this region.
- a direct structural comparison of an amplitude image with the associated phase image shows that even small, internal structures can be examined using the method of MR rheology. In order to be able to make quantitative statements about the viscoelastic properties of these structures, it is first necessary to interpret the gray values in order to read them
- the phase angle is homogeneous, so that movements inside are successfully prevented.
- the different measurements from the hydrogel tubes also showed that the distortion that occurs depends on the concentration of the agar. At high concentrations it is stronger, probably due to chemical shift is caused. But since the distortion is also in fillings with pure water and cotton wool or glass wool comes about, albeit much lower, this is not the only reason. It was found that it is also dependent on the position in the opfspuie. Field inhomogeneities appear to be larger in areas farther from the center of the coil, thus providing a distorted appearance. In addition, it is possible that the 4-channel coil has problems in the reconstruction of the outdoor areas.
- the limitations of other methods to study viscoelastic properties in the brain motivate a method in which an internal stimulus takes place.
- the proposed construction allows a free fall of the head K and shell 26 by their separation from the remaining components. After the fall, the use of aa midvanced plastic, the chosen shape of the shell, the centering cones fixed to it in the outer areas and the use of a vacuum pad ensure that the head is always in the same place after each fall. The fall process can therefore be reproduced as often as desired.
- the built-in, optical monitoring allows accurate position monitoring, so that over the used Electro-pneumatics of the lifting and lowering controlled and repeated as often as you like.
- the temporally synchronized, movement-sensitive measurements are able to visualize the movement of the brain in a phase image.
- phase images produced show a clear separation of the two halves of the brain and a different behavior from the brain regions further inwards and those further out.
- a comparison between an amplitude image and the associated phase image makes it clear that changes in the phase image can be assigned to changes in the amplitude image. But this also makes it obvious that more complex, theological models have to be used for a precise description.
- the prepared and tested phase standard can be used for further evaluations. It offers a clue to the phasing of several images can be normalized.
- measurements with different parameters and different layers can be compared with each other via the phase standard.
- the investigation of the exact movement of the brain from the time of impact until the re-adjustment of the balance of power inside is possible. It is also important to further examine the effects of the parameters to be set and to check whether influences such as measurements at different times of the day, the amount of liquid added before the measurements or differences in the sex and age of the subjects play a role. These questions will be dealt with in a planned study soon. Also, further improvements in the design are planned.
- the method thus offers a promising future possibility to study the viscoelastic properties of the human brain in vivo.
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Abstract
Method for a visually perceptible graphic representation of elastic properties of soft biological matter, preferably of soft brain tissue, wherein the soft matter is moved at every point in time in a movement known in all six degrees of freedom, thereby producing acceleration, and a magnetic resonance imaging method is simultaneously used, and the movement of the soft biological matter is detected by means of the magnetic resonance imaging method in at least one layer. For this purpose, a system with a raising and lowering device (22) that can be positioned in an MRI head coil is used.
Description
Verfahren und System zur ortsaufgelösten Darstellung elastischer Eigenschaften weicher biologischer Materie Method and system for the spatially resolved representation of elastic properties of soft biological matter
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur visuell wahrnehmbaren, bildlichen Darstellung elastischer, insbesondere viskoelastischer, Eigenschaften weicher biologischer Materie, insbesondere eines biologischen Systems, vorzugsweise der weichen Gehimmasse eines menschlichen Gehirns. The invention is directed to a method for visually perceptible, pictorial representation of elastic, in particular viscoelastic, properties of soft biological matter, in particular a biological system, preferably the soft Gehimmasse a human brain.
Weiterhin richtet sich die Erfindung auf ein System zur visuell wahrnehmbaren, bildlichen Darstellung elastischer, insbesondere viskoelastischer, Eigenschaften weicher biologischer Materie, insbesondere eines biologischen Systems, vorzugsweise der weichen Gehirnmasse eines menschlichen Gehirns, umfassend einen Magentresonanztomographen mit einer MRT-Spule und einer die weiche biologische Materie tragenden und in der MRT-Spule anordnenbaren Vorrichtung. Furthermore, the invention is directed to a system for the visually perceptible visualization of elastic, in particular viscoelastic, properties of soft biological matter, in particular a biological system, preferably the soft brain mass of a human brain, comprising a magnetic resonance tomograph with an MRI coil and a soft biological Matter carrying and disposable in the MRI coil device.
Schließlich richtet sich die Erfindung auf die Verwendung eines Systems der vorstehend erwähnten Art zur Durchführung eines vorstehend erwähnten Verfahrens. Mittels der Elastographie wird versucht, die Eigenschaften des Gewebes eines Körpers, beispielsweise des Gehirns bzw. (beziehungsweise) der Gehimmasse, darzustellen. Diese Technik umfasst immer eine periodische mechanische Anregung (Frequenz circa 50 Hz) und die Abbildung der im Gehirn erzeugten Wellenausbreitung mittels eines Kemspin- erfahrens, beispielsweise mittels Magnetresonanztomographie, auch bekannt unter dem Begriff Kernspintomographie. Die passenden Geräte heißen Magnetresonanztomographeti (MRT) oder Kernspintomographen. Finally, the invention is directed to the use of a system of the aforementioned kind for carrying out a method mentioned above. Elastography is used to represent the properties of the tissue of a body, for example, the brain or (or) the Gehimmasse. This technique always involves a periodic mechanical excitation (frequency about 50 Hz) and the imaging of the wave propagation generated in the brain by means of a nuclear spin method, for example by means of magnetic resonance tomography, also known as nuclear spin tomography. The matching devices are called Magnetic Resonance Imaging (MRI) or Magnetic Resonance Imaging.
Nachteilig ist, dass aufgrund des starken Anstiegs der Dämpfung (Schwingungsdämpfung) mit steigender Frequenz dabei prinzipiell nur eine Auflösung im Zentimeter Bereich erreicht wird und in dem bilddarstellenden Teil des Kernspingerätes, wenn überhaupt, nur globale Änderungen des Gehirns darstellbar sind. The disadvantage is that due to the strong increase of the attenuation (vibration damping) with increasing frequency while only a resolution in the centimeter range is achieved and in the bilddarstellenden part of the nuclear penis, if any, only global changes in the brain can be represented.
Zwei bekannte Methoden zur Bestimmung elastischer Eigenschaften von Gewebe sind die Theologische Messung und die Magnet- Resonanz-Klastographie. Mittels dieser beiden Methoden lassen sich auch die vi skoelasti sehen Eigenschaften des Gehirns bestimmen. Two known methods for determining the elastic properties of tissue are the theological measurement and the magnetic resonance clastography. These two methods can also be used to determine the vi skoelasti properties of the brain.
Nachteilig bei diesen bekannten Methoden ist, dass ihnen bestimmte Grenzen gesetzt sind, was die Aussagekraft, Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Messungen angeht.
Bei rheologischen Messungen des menschlichen Gehirns wird dieses auf elastische Eigenschaften unter Einwirkung von Scher-, Druck- und Zugbeanspruchung hin untersucht. Aus logischen Gründen ist diese Art von Messung nur an Gehirnen in vitro möglich. In vitro bedeutet in diesem Zusammenhang für eine Messung, dass diese außerhalb eines lebenden Organismus stattfindet. A disadvantage of these known methods is that they are set certain limits, as far as the validity, reproducibility and accuracy of the measurements are concerned. In rheological measurements of the human brain this is examined for elastic properties under the influence of shear, compressive and tensile stress. For logical reasons, this type of measurement is only possible on brains in vitro. In vitro in this context means for a measurement to take place outside of a living organism.
Für eine rheologische Messung werden dazu die unterschiedlichen Gewebesegmente herausgeschnitten und bei den verschiedenen Beanspruchungen untersucht. Dadurch hat man einen direkten Zugriff auf das Gehirn. Diese Art von direkter Untersuchung hat sich in anderen Bereichen schon bewährt. Es hat sich jedoch nachteilig herausgestellt, dass die Messungen sehr von der Vorbereitung des entnommenen Gewebes abhängen. Dadurch, dass das Gehirn nicht mehr durchblutet wird, verhärtet es nach wenigen Stunden. Der Verlust an Wasser- und Temperaturregulierung, wie sie in einem Gehirn in vivo normalerweise stattfinden, wirkt sich ebenfalls auf die elastischen Eigenschaften aus, so dass reproduzierbare Messungen nur bedingt zu erhalten sind und nur noch ungenaue Aussagen über das elastische Verhalten getroffen werden können. Die unter Laborbedingungen gemessenen Daten sind also nur schwer übertragbar auf das natürliche Verhalten eines Gehirns in vivo. In vivo bedeutet dabei, dass Prozesse, am lebendigen Organismus ablaufen und somit am lebenden Organ ablaufen. For a rheological measurement, the different tissue segments are cut out and examined for the different stresses. This gives you direct access to the brain. This type of direct investigation has already proven itself in other areas. However, it has proved disadvantageous that the measurements depend very much on the preparation of the removed tissue. The fact that the brain is no longer supplied with blood hardens after a few hours. The loss of water and temperature regulation, which normally takes place in a brain in vivo, also has an effect on the elastic properties, so that reproducible measurements can only be obtained to a limited extent and only inaccurate statements about the elastic behavior can be made. The data measured under laboratory conditions are thus difficult to transfer to the natural behavior of a brain in vivo. In vivo means that processes take place on the living organism and thus take place on the living organ.
Die Magnet- esonanz-Elastographie (M E) ist die bisher einzige Methode, das Gehirn in vivo in Bezug auf elastische Eigenschaften zu untersuchen, so dass elastische Eigenschaften des Gehirngewebes darstellbar sind. Dabei werden Scherwellen im Gehirn mit einer Frequenz von 20 Hz bis 500 Hz über einen externen Generator angeregt. Zur Erzeugung der mechanischen Wellen gibt es unterschiedliche Methoden (elektromechanische Anregung, piezoelektrisches System, pneumatische Anregung durch einen Lautsprecher). Die Anregung findet meist über eine Bissplatte oder eine Vibrationsplatte unter dem Kopf statt. Die Ausbreitung der Scherwellen im Gehirn wird mit Hilfe eines MRT aufgenommen und anschließend ausgewertet. Aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit können die elastischen Eigenschaften abgeleitet werden. Magnetic resonance elastography (M E) is so far the only method to examine the brain in vivo in terms of elastic properties, so that elastic properties of the brain tissue can be represented. Shear waves in the brain are excited at a frequency of 20 Hz to 500 Hz via an external generator. To generate the mechanical waves, there are different methods (electromechanical excitation, piezoelectric system, pneumatic excitation by a speaker). The stimulation usually takes place via a bite plate or a vibration plate under the head. The propagation of shear waves in the brain is recorded by means of an MRI and subsequently evaluated. From the propagation speed, the elastic properties can be derived.
Mittels MRE ist es möglich, eine geänderte Gewebe-Festigkeit des Gehirns bei an Multiple Sklerose erkrankten Personen festzustellen. Auch bei an Alzheimer erkrankten Patienten konnte eine Veränderung der Festigkeit gemessen werden. Ein diagnostischer Mehrwert durch Kenntnis der viskoelastischen Eigenschaften des Gehirns in vivo ist somit eindeutig festzustellen.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass die effektive Auflösung mit der genutztenBy means of MRE it is possible to detect a changed tissue strength of the brain in persons suffering from multiple sclerosis. Even in Alzheimer's patients a change in strength could be measured. A diagnostic added value through knowledge of the viscoelastic properties of the brain in vivo is thus clearly established. The disadvantage of this method, however, is that the effective resolution is used with the
Frequenz der Wellen steigt, die dann aber stärker gedämpft werden. Somit lässt sich die Auflösung nicht beliebig erhöhen. Da aufgrund des Schädelknochens ein direkter Zugang zum Gehirn verwehrt ist, handelt es sich somit immer um eine langwellige Anregung von außen, eine innere Anregung ist nicht möglich. Frequency of waves increases, but then be attenuated more. Thus, the resolution can not be increased arbitrarily. Because of the skull bone direct access to the brain is denied, it is thus always a long-wave excitation from the outside, an internal excitation is not possible.
Zusammenfassend lässt sich also feststellen, dass beide Methoden eine zufriedenstellendeIn summary, it can be concluded that both methods are satisfactory
Untersuchung des menschlichen Gehirns nicht zulassen. Do not allow investigation of the human brain.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Lösung zu schaffen, die es ermöglicht, oben beschriebene Nachteile zu minimieren oder gar zu beseitigen, und ferner eine Möglichkeit zu schaffen, viskoelastische Eigenschaften des menschlichen Gehirns in vivo zu untersuchen und die räumliche Verteilung der viskoelastischen Eigenschaften des menschlichen Gehirns dazustehen. The invention is based on the object to provide a solution which makes it possible to minimize or even eliminate disadvantages described above, and also to provide a means to examine viscoelastic properties of the human brain in vivo and the spatial distribution of the viscoelastic properties of the human brain.
Die Aufgabe des gattungsgemäßen Verfahrens wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die weiche biologische Materie mit einer definierten, zu jedem Zeitpunkt in allen sechs Freiheitsgraden bekannten und/oder erfassten Bewegung unter Erzeugung einer Beschleunigung bei gleichzeitiger Anwendung eines bildgebenden Kernspintomographieverfahrens bewegt wird und die Bewegung der weichen biologischen Materie mittels des bildgebenden Kernspintomographieverfahrens in mindestens einer definierten und/oder erfassten Schicht/Ebene des biologischen Systems erfasst wird und eine Bildaufnahme des Kernspintomographieverfahrens mit Hilfe einer bewegungssensitiven Sequenz erfolgt und die Bewegung der weichen biologische Materie mit der bewegungssensitiven Sequenz oder Aufnahmefrequenz synchronisiert wird. The object of the generic method is inventively achieved in that the soft biological matter with a defined, at any time in all six degrees of freedom known and / or detected movement is moved to generate acceleration with simultaneous use of magnetic resonance imaging method and the movement of the soft biological Matter is detected by means of the magnetic resonance imaging method in at least one defined and / or detected layer / plane of the biological system and an image of the magnetic resonance imaging method using a motion-sensitive sequence and the movement of the soft biological matter is synchronized with the motion-sensitive sequence or recording frequency.
Bei einem System der Eingangs näher bezeichneten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorrichtung als Hebe- und Senkvorrichtung ausgebildet ist, auf welcher die weiche biologische Materie lagestabil fixierbar und ortsfest in der MRT-Spule positionierbar anordnenbar ist, wobei die Hebe- und Senkvorrichtung ein Positionierungselement, das ortsfest im Koordinatensystem der Ortskodierung des Mangnetresonanztomographen anordnenbar ist, und ein Bewegungselement, das unter Ausbildung der Möglichkeit, im freien Fall der Schwerkraft folgen zu können, beweglich an dem Positionierungselement angeordnet ist und auf welchem die weiche biologische Materie anordnenbar ist, umfasst. In a system of the type described in more detail, the object is achieved in that the device is designed as a lifting and lowering device on which the soft biological matter is fixed in position fixable and positionable in the MRI coil positionable, wherein the lifting and Lowering device a positioning element, which can be arranged fixed in the coordinate system of the spatial coding of the MRI scanner, and a movement element, which is able to follow the possibility of being able to follow gravity in free fall, is movably arranged on the positioning element and on which the soft biological matter can be arranged, includes.
Schließlich wird die Aufgabe noch gelöst durch die Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 1 6 bis 29 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße System werden auch unter dem Begriff MR-Rheologie nachfolgend verwendet. Finally, the object is still achieved by the use of a system according to any one of claims 1 6 to 29 for carrying out the method according to one of claims 1 to 15. The method according to the invention and the system according to the invention are also used below under the term MR rheology.
Vorteilhafte Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Systems sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche, Die Erfindung bedient es sich den Vorteilen von den Methoden der Theologische Messung und der Magnet-Resonanz-Elastographie (MRE) und versucht die Vorteile beider zuvor genannter Methoden zu verbinden, stößt jedoch nicht an deren vorhergehend beschriebenen nachteiligen Grenzen. Es ist dabei möglich weiche biologische Materie, insbesondere eines biologischen Systems, vorzugsweise einer weichen Gehimmasse eines menschlichen Gehirns, und somit den Körper oder Körperteile, wie beispielsweise das menschliche Gehirn, zu untersuchen. The invention makes use of the advantages of the methods of rheological measurement and magnetic resonance elastography (MRE) and tries to combine the advantages of the two methods mentioned above. However, it does not meet the previously described disadvantageous limits. It is possible to examine soft biological matter, in particular a biological system, preferably a soft brain tissue of a human brain, and thus the body or body parts, such as the human brain.
Unter weicher biologischer Materie wird biologisches Material, menschliches oder tierisches Gewebe, Flüssigkeit oder sonstige nicht harte Materie verstanden, die kernspintomographieflihig ist. Soft biological matter is understood to mean biological material, human or animal tissue, fluid or other non-hard matter that is MRI-like.
Unter einem biologischen System wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung entsprechend der Systemtheorie nach Luhmann jedes Lebewesen verstanden, das sich durch seinen Körper von der Umwelt abgrenzt. Vereinfacht stellt jeder Körper eines Lebewesens somit ein biologisches System dar. Hierbei beschränkt sich der Begriff biologischen System aber nicht auf lebende Lebewesen, sondern kann auch tote Lebewesen umfassen. Eine ganz wesentliche Ausrichtung der Erfindung ist aber auf die Menschen, beziehungsweise den menschlichen Körper als ein biologisches System, insbesondere die weiche Gehirnmasse in dem Kopf des Menschen. Aber auch Tiere und hier insbesondere Säugetiere fallen unter den Begriff des biologischen Systems. According to Luhmann's system theory, a biological system is understood in the context of the present invention to mean every living being that is separated from the environment by its body. Simplified, every body of a living being thus represents a biological system. Here, however, the term biological system is not limited to living beings, but can also include dead living beings. However, a very important aspect of the invention is the human, or the human body as a biological system, in particular the soft brain mass in the human head. But also animals and especially mammals fall under the concept of the biological system.
Nachfolgend wird beispielhaft insbesondere die Untersuchung am menschlichen Kopf und menschlichen Gehirn, insbesondere der weichen menschlichen Gehirnmasse, beschrieben. In particular, the investigation on the human head and human brain, in particular the soft human brain mass, will be described by way of example in the following.
Zur Lösung obiger Aufgaben wird gemäß vorhergehenden Ausführungen ein erfindungsgemäßes Verfahren und ein erfindungsgemäßes System entwickelt, die einen neuen Einblick in die viskoelastischen Eigenschaften des Gehirns ermöglichen. In order to achieve the above objects, a method according to the invention and a system according to the invention are developed according to the preceding embodiments, which allow a new insight into the viscoelastic properties of the brain.
Vorteilhaft ist dabei, das die Kenntnis der elastischen Eigenschaften des Gehirns und deren räumliche Verteilung im Gehirn bzw. in der weichen Gehirnmasse für die medizinische Diagnostik von großem Nutzen ist. So ist es möglich, dass beispielsweise die Früherkennung, Diagnose und Beobachtung von Demenzerkrankungen, Hydrocephalus, Hirntumoren und
Multipler Sklerose davon profitieren oder diese erst ermöglichen. Die Methode ist des Weiteren medizinisch unbedenklich, nicht invasiv und frei von ionisierender Strahlung. The advantage here is that the knowledge of the elastic properties of the brain and their spatial distribution in the brain or in the soft brain mass for medical diagnosis of great benefit. So it is possible that, for example, the early detection, diagnosis and observation of dementias, hydrocephalus, brain tumors and Benefit from multiple sclerosis or make this possible. The method is also medically safe, non-invasive and free of ionizing radiation.
Weiterhin vorteilhaft ist, dass erhöhter Blutfluss durch neuronale Aktivität und somit beispielsweise auch Anzeichen von Alzheimer mittels des Systems und des Verfahrens messbar und darstellbar sind. It is furthermore advantageous that increased blood flow through neuronal activity and thus, for example, also signs of Alzheimer's can be measured and represented by means of the system and the method.
Ferner ist es vorteilhaft möglich, innerhalb sehr kurzer Zeit, beispielsweise im Millisekunden oder Sekundenbereich, eine komplette Schicht des Körpers oder Kopfes aufzunehmen, wobei pro Schicht der Körper oder Kopf nur einmal nach unten abgesenkt wird. Möglich ist dies dadurch, dass die Pulse und die Feldgradienten beispielsweise im Millisekundenbereich aufeinanderfolgen. Furthermore, it is advantageously possible to record a complete layer of the body or head within a very short time, for example in milliseconds or seconds, whereby the body or head is only lowered once per layer. This is possible because the pulses and field gradients follow one another, for example in the millisecond range.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und Systems können elastische Eigenschaften oder Verhältnisse oder Strukturen des menschlichen Gehirns nicht invasiv untersucht und dargestellt werden, so dass ein invasiver Eingriff nicht notwendig ist. Ferner ist dadurch die räumliche Verteilung der elastische Eigenschaften, insbesondere der viskoelastischen Eigenschaften, des menschlichen Gehirns untersuchbar und darstellbar. Das menschliche Gehirn umfasst dabei auch das weiche Gehimgewebe. With the aid of the method and system according to the invention, elastic properties or relationships or structures of the human brain can be examined and displayed non-invasively, so that an invasive procedure is not necessary. Furthermore, the spatial distribution of the elastic properties, in particular of the viscoelastic properties, of the human brain can be examined and represented. The human brain also includes the soft brain tissue.
Notwendig ist eine minimale, aber ausreichende Beschleunigung des Gehirns oder der weichen Gehirnmasse während der Durchführung eines bildgebenden Verfahrens mittels Magnetresonanztomographie, wobei sich der Kopf im abgetasteten Bereich des Magnetresonanztomographie-Gerätes befindet. Femer ist die Erfindung auch an anderen Körperteilen oder gar dem ganzen Körper eines Menschen gemäß vorhergehenden Ausführungen durchführbar. Necessary is a minimal but sufficient acceleration of the brain or soft brain mass while performing a magnetic resonance imaging imaging procedure with the head in the scanned area of the magnetic resonance imaging apparatus. Furthermore, the invention can also be carried out on other parts of the body or even the entire body of a person according to previous explanations.
Das erfindungsgemäße System und das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen somit auch die in vivo Darstellung elastischer Eigenschaften des menschlichen Gehirns. Das System umfasst einen Magnetresonanztomographen und wird synchron zur Aufnahmesequenz betrieben. Dabei wird bevorzugt der Kopf in Rückenlage pneumatisch mittels einer Vorrichtung angehoben und wieder abgesenkt. Eine bewegungssensitive Aufnahme- Sequenz ermöglicht die Darstellung der Relaxation des Gehirns nach dem Absenken in die Ruhelage. Dabei soll eine innere Anregung in Form eines Kriechprozesses durch einen von außen gesteuerten freien Fall des Kopfes erreicht werden. Der meßtechnische Vorteil des freien Falles,
insbesondere die Messungen zu Beginn des freien Falles, ist, dass die Messungen relativ unabhängig von den mechanischen Schwingungen im Tomographen und vor allem von der Patientenliege sind. The system according to the invention and the method according to the invention thus also make possible the in vivo representation of elastic properties of the human brain. The system includes a magnetic resonance tomograph and is operated synchronously to the acquisition sequence. In this case, the head is preferably raised in the supine position pneumatically by means of a device and lowered again. A motion-sensitive recording sequence allows the representation of the relaxation of the brain after lowering into the rest position. Here, an internal excitation in the form of a creeping process is to be achieved by an externally controlled free fall of the head. The metrological advantage of free fall, In particular, the measurements at the beginning of free fall, is that the measurements are relatively independent of the mechanical vibrations in the scanner and especially from the patient bed.
Betrachtet man beispielsweise den Kopf als zu untersuchendes System, kann man sich den Schädelknochen als eine harte Schale und das Gehirn als einen weichen Kern mit viskoelastischen Eigenschaften vorstellen. For example, considering the head as the system to examine, one can think of the skull as a hard shell and the brain as a soft core with viscoelastic properties.
Erfindungsgemäß wird dabei die spezielle Konstruktion des Kopfes, insbesondere des menschlichen Kopfes, als eine harte Schale genutzt und interpretiert als starrer Behälter, und mit dem darin federnd und gedämpft aufgehängten Gehirn oder darin federnd und gedämpft aufgehängte Gehimmasse. Jedes Volumen Elementen des Gehirns oder der Gehirnmasse ist elastisch gekoppelt und überkritisch gedämpft. Prinzipiell kann man das Gehirn dabei mit den klassischen Theologischen Modellen nach Maxwell, Kelvin und Ringham beschreiben. According to the invention, the special construction of the head, in particular of the human head, is used as a hard shell and interpreted as a rigid container, and with the brain suspended resiliently and dampened therein, or in a suspended and dampened suspended state. Each volume of elements of the brain or brain mass is elastically coupled and subcritically subdued. In principle, the brain can be described using the classical theological models of Maxwell, Kelvin and Ringham.
Der Schädelknochen folgt der Fallbewegung instantan und somit im genau gleichen Moment, während das Gehirn nachkriecht. Die resultierenden Bewegungen der verschiedenen Gewebesegmente sind abhängig von den viskoelastischen Eigenschaften und den Kopplungen der Segmente untereinander. The cranial bone follows the falling motion instantaneously and thus at exactly the same moment as the brain crawls. The resulting movements of the various tissue segments are dependent on the viscoelastic properties and the couplings of the segments with each other.
Mittels einer bewegungssensitiven Magnet-Resonanz-Sequenz wird das charakteristische Bewegungsverhalten von den Gewebesegmenten in vivo ortsaufgelöst gemessen. Somit ist es beispielsweise möglich, dass Gehirngewebe gemäß vorhergehender Ausführung zu messen. Durch die Analyse dieses Bewegungsverhaltens der verschiedenen Regionen im Gehirn kann auf deren viskoclastisehe Eigenschaften geschlossen werden. By means of a motion-sensitive magnetic resonance sequence, the characteristic motion behavior of the tissue segments is measured in a spatially resolved manner in vivo. Thus, for example, it is possible to measure the brain tissue according to previous execution. By analyzing this movement behavior of the various regions in the brain, it is possible to deduce their viscoclast-like properties.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht in einer Ausgestaltung vor, dass mit dem bildgebenden Kernspintomographieverfahren die räumliche Verteilung der elastischen, insbesondere viskoelastischen, Eigenschaften der weichen biologischen Materie im biologischen System ausgewertet und abgebildet wird. In one embodiment, the method according to the invention provides that the spatial distribution of the elastic, in particular viscoelastic, properties of the soft biological matter in the biological system is evaluated and imaged using the magnetic resonance imaging method.
Das biologische System ist bevorzugt ein menschlicher Körper, The biological system is preferably a human body,
Des Weiteren sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass ein Kopf als Bestandteil des biologischen Systems mit einem darin befindlichen Gehirn unter Beschleunigung der Gehimmasse als der weichen biologischen Materie des biologischen Systems bewegt wird.
Die Untersuchung am menschlichen Kopf wird dadurch bevorzugt durchgeführt, weil der menschliche Kopf eine starre Form aufweist, in der das weiche menschliche Gehirn vorhanden ist. Bei Untersuchungen an weichen menschlichen Körperstellen, beispielsweise Beinen mit beweglicher Oberfläche, werden diese Körperteile aufgrund der Bewegung insoweit formstabil eingepackt, so dass diese starr und ohne Deformation absenkbar sind. Furthermore, the inventive method provides that a head is moved as part of the biological system with a brain therein with acceleration of the Gehimmasse as the soft biological matter of the biological system. The examination on the human head is thereby performed preferably because the human head has a rigid shape in which the soft human brain exists. In investigations on soft human body parts, such as legs with a movable surface, these body parts are packed so dimensionally stable due to the movement so that they are lowered rigidly and without deformation.
In einer weiteren Ausgestaltung sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass die weiche biologische Materie, insbesondere die weiche Gehirnmasse, in vivo bewegt und bildlich dargestellt wird. In a further embodiment, the method according to the invention provides that the soft biological matter, in particular the soft brain mass, is moved and displayed in vivo.
Die Beschleunigung der weichen biologischen Materie, insbesondere der weichen Gehirnmasse, erfolgt bevorzugt unter Einfluss der Schwerkraft der Erde. Dadurch wird ein freier Fall realisiert. Indem die Anhebung der weichen biologischen Materie, beispielsweise des Kopfes mit Gehirn, pneumatisch erfolgt, so dass ein Druck nach dem Anheben in der Pneumatik vorliegt, lässt sich durch Druckabfall und -reduktion. auf Vakuum mittels der Pneumatik ein freier Fall realisieren. Der Körper wird somit im freien Fall beschleunigt. Alternativ ist es möglich, dass der Kopf mit Gehirn aus einer Ruhelage aktiv beschleunigt wird und anschließend aktiv abgebremst wird, wobei durch die Abbremsung der Kopf mit Gehirn eine negative Beschleunigung erfährt. Dieses kann beispielsweise mittels einer mechanisch, elektronisch oder mittels einer Kombination aus beiden durchgeführt werden. Beispielsweise ist eine Anhebung des Kopfes aus der Ruhelage auf ein bestimmtes höheres Niveau möglich, während dessen das Verfahren gemäß der Erfindung durchgeführt wird. The acceleration of the soft biological matter, especially the soft brain mass, preferably takes place under the influence of gravity of the earth. This realizes a freefall. By raising the soft biological matter, such as the head and brain, pneumatically, so that there is pressure after lifting in the pneumatics, pressure drop and reduction can be achieved. to realize a vacuum on vacuum by means of pneumatics. The body is thus accelerated in free fall. Alternatively, it is possible that the head with brain is actively accelerated from a rest position and then actively decelerated, whereby the deceleration of the head with brain undergoes a negative acceleration. This can be carried out, for example, by means of a mechanical, electronic or a combination of the two. For example, an elevation of the head from the rest position to a certain higher level is possible during which the method according to the invention is carried out.
In einer weiteren Ausgestaltung sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass die weiche biologische Materie, insbesondere die weiche Gehimmasse, während der Messung formstabil fixiert oder die äußere Gestalt zu jedem Zeitpunkt der Messung bekannt ist. Die Messung ist bevorzugt eine Messreihe oder eine Messzeit. Eine formstabile Fixierung bedeutet beispielsweise ein formstabiles Einpacken der weichen biologischen Materie. Durch die formstabile Fixierung lassen sich Fehler während der Messung vermeiden. In a further embodiment, the inventive method provides that the soft biological matter, in particular the soft Gehimmasse, fixed dimensionally stable during the measurement or the outer shape is known at any time of the measurement. The measurement is preferably a measurement series or a measurement period. A dimensionally stable fixation means, for example, a dimensionally stable packing of soft biological matter. Due to the dimensionally stable fixation errors can be avoided during the measurement.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht weithin ein einer weiteren Ausgestaltung vor, dass die bewegungssensitive Sequenz zumindest einen 90°-Puls und zumindest einen 180°-Puls und zumindest einen Feldgradienten, vorzugsweise zwei Feld gradierten, aufweist. Dadurch ist es möglich, die Kernspinresonanz für die Medizin als Bildgebungsverfahren nutzen zu können. Dazu iTiuss das gemessene Signal jedoch räumlich aufgelöst, einzelnen kleinen Regionen,
sogenannten Voxeln, zuzuordnen sein. Dies geschieht über geschicktes Schalten von Magnetfeldgradienten, die dem statischen Feld des Kernspintomographen überlagert werden. The method according to the invention provides, in a further embodiment, for the motion-sensitive sequence to have at least one 90 ° pulse and at least one 180 ° pulse and at least one field gradient, preferably two graded fields. This makes it possible to use nuclear magnetic resonance for medicine as an imaging method. For this purpose, however, the measured signal is spatially resolved, individual small regions, to be assigned to so-called voxels. This is done by clever switching of magnetic field gradients, which are superimposed on the static field of the magnetic resonance tomograph.
Bevorzugt wird der Feldgradient in Richtung der Bewegung der weichen biologischen Materie geschaltet. Dadurch ist eine Darstellung der viskoelastischen Eigenschaften beim Gehirn gemäß der Erfindung möglich. The field gradient is preferably switched in the direction of the movement of the soft biological matter. Thereby, a representation of the viscoelastic properties in the brain according to the invention is possible.
In einer weiteren Ausgestaltung sieht das erfmdungsgemäße Verfahren vor, dass die weiche biologische Materie, insbesondere die Gehimmasse, und zumindest ein Teil des biologischen Systems, insbesondere der die Gehirnmasse aufweisende Kopf, vor Erzeugung der Beschleunigung um eine Distanz aus einer Ruheposition in Richtung gegen die Schwerkraft in eine Bewegungsposition angehoben und dort gehalten wird. Eine Bewegungsposition ist eine Position, in der die Materie vor der nachfolgenden Bewegung im Stillstand positioniert ist. Aus dieser Position wird eine Bewegung unter Einfluss einer Beschleunigung gestartet, um in die Ruheposition zurückzugelangen. Somit wird eine Bewegungsposition auch als Beschleunigungsposition bezeichnet. In a further embodiment, the inventive method provides that the soft biological matter, in particular the Gehimmasse, and at least a part of the biological system, in particular the head having the brain mass, before generating the acceleration by a distance from a rest position in the direction against gravity is raised to a moving position and held there. A movement position is a position in which the matter is positioned at a standstill before the subsequent movement. From this position, a movement is started under the influence of acceleration to return to the rest position. Thus, a movement position is also referred to as an acceleration position.
Bevorzugt wird der Kopf um eine Distanz zwischen 0,5 mm und 4 mm, vorzugsweise zwischen 1 mm und 3 mm, angehoben wird. Preferably, the head is raised by a distance between 0.5 mm and 4 mm, preferably between 1 mm and 3 mm.
In einer weiteren Ausgestaltung sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass die weiche biologische Materie im freien Fall der Schwerkraft folgend aus der Bewegungsposition in die Ruheposition bewegt wird, wobei das Gehirn zeitlich verzögert gegenüber dem Kopf diese Ruhelage erreicht. In a further embodiment, the inventive method provides that the soft biological matter is moved in the free fall of gravity from the movement position to the rest position, the brain reaches this rest position with a time delay relative to the head.
Erfindungsgemäß ist in einer ersten Alternative vorgesehen, dass der Zeitpunkt des Absenkens des die weiche Gehimmasse aufweisenden Kopfes so gewählt wird, dass der Kopf während oder nach dem ersten Feldgradienten wieder in die Ruhelage abgesenkt ist, wobei der Kopf und die Gehimmasse nach dem Absenken mit dem zweiten Feldgradienten beaufschlagt werden. According to the invention, it is provided in a first alternative that the time of lowering of the soft Gehimmasse head having been selected so that the head is lowered during or after the first field gradient back to the rest position, the head and the Gehimmass after lowering with the second field gradients are applied.
Alternativ ist erfindungsgemäß in einer zweiten Alternative vorgesehen, dass der Zeitpunkt des Absenkens des die weiche Gehirnmasse aufweisenden Kopfes so gewählt wird, dass der Kopf vor dem ersten Feldgradienten wieder in die Ruhelage abgesenkt ist, wobei der Kopf und die weiche Gehirnmasse nach dem Absenken mit dem ersten und zweiten Feldgradienten beaufschlagt werden. Alternatively, it is provided according to the invention in a second alternative that the time of lowering the head having the soft brain mass is selected so that the head is lowered back to the rest position before the first field gradient, wherein the head and the soft brain mass after lowering with the first and second field gradients are applied.
Bei einem Absenken des Kopfes nach dem 180°-Puls gemäß der ersten Alternative sind gegenüber der zweiten Alternative andere Eigenschaften messbar.
Bevorzugt wird neben der weichen Gehirnmasse eines menschlichen Gehirns auch der Kopf mit einer definierten, zu jedem Zeitpunkt in allen sechs Freiheitsgraden bekannten und/oder erfassten Bewegung unter Erzeugung einer Beschleunigung bei gleichzeitiger Anwendung eines bildgebenden Kernspi ntomograph ieverfahrens bewegt wird. Für die Synchronisierung wird bevorzugt zumindest ein Behältnis, insbesondere zumindest ein Rohr, verwendet wird, mittels dem gemessene Bilder der weichen biologischen Materie, insbesondere der weichen Gehirnmasse, synchronisiert werden. Dadurch ist es möglich, dass das Behältnis als Phasennormal wirkt und den Phasennullpunkt für die zu untersuchende Schicht vorgibt. Zweckmäßig ist es gemäß Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems, wenn das Positionierungselement zumindest eine Auflage und zumindest einen Halbring aufweist und dass das Bewegungselement zumindest eine Schale aufweist, wobei auf der Schale die weiche biologische Materie formstabil fixierbar ist. When the head is lowered after the 180 ° pulse according to the first alternative, other properties are measurable than the second alternative. Preferably, in addition to the soft brain mass of a human brain, the head is also moved with a defined movement known and / or detected at all times in all six degrees of freedom to generate an acceleration with the simultaneous use of an imaging nuclear spin tomography method. For the synchronization, preferably at least one container, in particular at least one tube, is used, by means of which the measured images of the soft biological matter, in particular the soft brain mass, are synchronized. This makes it possible that the container acts as a phase standard and the phase zero point for the layer to be examined pretends. It is expedient according to the development of the system according to the invention if the positioning element has at least one support and at least one half-ring and that the movement element has at least one shell, wherein the soft biological matter can be fixed in a dimensionally stable manner on the shell.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schale mit Hilfe des Halbrings in dem System bewegbar, wobei die Schale bewegbar an dem Halbring angeordnet ist. In an advantageous embodiment, the shell is movable by means of the half-ring in the system, wherein the shell is movably arranged on the half-ring.
Während der Messung muss die weiche biologische Materie, beispielsweise der menschliche Kopf mit dem weichen Gehirn, in dem System im Koordinatensystem des Mangctresonanztomographcn fixiert sein/festgelegt sein, so dass kein weiterer Freiheitsgrad in Bewegungsrichtung entsteht und eine reine vertikale Führung parallel zu der Bewegungsrichtung möglich ist. Dabei muss die feste Fixierung somit so positioniert sein, dass diese zu den (Resonanz-) Magneten positionsfest ist, jedoch aber dennoch auch für die Absenkbewegung beweglich ist. During the measurement, the soft biological matter, for example, the human brain with the soft brain, must be fixed in the system in the coordinate system of the magnetic resonance tomograph, so that no further degree of freedom arises in the direction of movement and pure vertical guidance parallel to the direction of movement is possible , The fixed fixation must thus be positioned so that it is fixed in position to the (resonance) magnet, but is still movable for the lowering movement.
Mittels der Schale ist es möglich, den Kopf des Menschen so zu positionieren, dass dieser, beispielsweise durch Anordnung der Nasenspitze, mittig innerhalb der Vorrichtung oder der Messeinrichtung angeordnet ist. Des Weiteren ist es möglich, den Kopf so in einer solchen Schale zu fixieren, dass keine Drehung des Kopfes während des freien Falles im Rahmen der Bewegung entsteht. Ferner lässt sich der Kopf so in der Schale positionieren, dass nach der Bewegung des Kopfes dieser in der Schale still liegen bleibt. By means of the shell, it is possible to position the head of the person so that it is arranged centrally, for example by arranging the tip of the nose, inside the device or the measuring device. Furthermore, it is possible to fix the head in such a shell that no rotation of the head during free fall occurs in the context of the movement. Furthermore, the head can be positioned in the shell so that after movement of the head, it remains in the shell.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zumindest in Bewegungsrichtung des Bewegungselementes zumindest ein Feldgradient, vorzugsweise zwei Feldgradienten, geschaltet. Dadurch ist eine Darstellung der viskoelastischen Eigenschaften des Gehirns gemäß der Erfindung möglich.
Von Vorteil ist es für die Weiterbildung der Erfindung, wenn die Hebe- und Senkvorrichtung eine Pneumatik aufweist, mittels der das Bewegungselement, vorzugsweise die Schale, anheb- und absenkbar ist. Dadurch ist eine kontinuierliche Bewegung möglich, die ferner linearer und ohne Unterbrechung durchführbar ist. Bevorzugt ist die Pneumatik von Druck auf Vakuum geschaltet, so dass ein freier Fall der weichen biologischen Materie von der angehobenen Position, bei der Druck in der Pneumatik vorliegt, zur Ruhelage möglich ist. In a further advantageous embodiment, at least one field gradient, preferably two field gradients, is connected at least in the direction of movement of the movement element. Thereby, a representation of the viscoelastic properties of the brain according to the invention is possible. It is advantageous for the development of the invention, when the lifting and lowering device has a pneumatic, by means of which the moving element, preferably the shell, can be raised and lowered. Thereby, a continuous movement is possible, which is further linear and can be carried out without interruption. Preferably, the pneumatic is switched from pressure to vacuum, so that a free fall of the soft biological matter from the raised position, in which there is pressure in the pneumatic, to the rest position is possible.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist dabei die Schale eine Masse von etwa 10 % des Kopfgewichtes (beinhaltend auch die Gehinimasse) eines Menschen auf. In a further advantageous embodiment, the shell has a mass of about 10% of the head weight (including the Gehinimasse) of a human.
Vorteilhaft und zweckmäßig für das erfindungsgemäße System ist femer, wenn das Bewegungselement, vorzugsweise die Schale, zwischen 0,5 mm und 4 mm, vorzugsweise zwischen 1 mm und 3 mm, anheb- und absenkbar ist. Es ist möglich einen Klappmechanismus oder eine lineare Bewegungseinrichtung zu verwenden. Advantageous and expedient for the system according to the invention is furthermore when the moving element, preferably the shell, between 0.5 mm and 4 mm, preferably between 1 mm and 3 mm, can be raised and lowered. It is possible to use a folding mechanism or a linear movement device.
Für die konstruktive Ausgestaltung des Systems ist es hierbei besonders vorteilhaft und zweckmäßig, wenn die Auflage und der Halbring aus Polyoxymethyl en bestehen. Des Weiteren ist es für die konstruktive Ausgestaltung des Systems besonders vorteilhaft und zweckmäßig, wenn die Schale zumindest ein Aramid aufweist. For the structural design of the system, it is particularly advantageous and expedient if the support and the half-ring consist of polyoxymethyl s. Furthermore, it is particularly advantageous and expedient for the structural design of the system if the shell has at least one aramid.
Vorteilhaft ist dadurch, dass die Hebe- und Senkvorrichtung folglich leicht, jedoch steif ausgeführt ist, da Polyoxymethylen und Aramid verwendet werden. It is advantageous in that the lifting and lowering device is therefore made lightweight, but stiff, since polyoxymethylene and aramid are used.
Zweckmäßig ist es gemäß Weiterbildung der Erfindung, wenn das System eine Bewegungsmesseinrichtung, insbesondere eine optische Überwachung, aufweist, mittels der dieIt is useful according to the invention, when the system comprises a movement measuring device, in particular an optical monitoring, by means of which
Bewegung der Hebe- und Senkvorrichtung meßbar ist. Movement of the lifting and lowering device is measurable.
Für die konstruktive Ausgestaltung des Systems ist es dabei besonders vorteilhaft, wenn die optische Überwachung zumindest eine Leuchtdiode, vorzugsweise drei Leuchtdioden, zumindest einen Lichtleiter, vorzugsweise drei Lichtleiter, und zumindest einen Lichtdetektor, vorzugsweise zumindest eine Photodiode, insbesondere drei Photodioden, aufweist. For the structural design of the system, it is particularly advantageous if the optical monitoring has at least one light-emitting diode, preferably three light-emitting diodes, at least one light guide, preferably three light guides, and at least one light detector, preferably at least one photodiode, in particular three photodiodes.
Zweckmäßig ist es gemäß Weiterbildung der Erfindung, wenn das System eine Messeinheit zur Messung der Eigenschaften der weichen biologischen Materie, insbesondere der weichen Gehirnmasse des Gehirns, aufweist, so dass mittels der Bewegung der weichen biologischen Materie in der Vorrichtung die Eigenschaften der weichen biologischen Materie in vivo meßbar und darstellbar sind.
Mittels der Messeinrichtung lassen sich somit Eigenschaften der weichen biologischen Materie, insbesondere des menschlichen Gehirns, einfach und schnell darstellen. Die Messeinheit umfasst dabei bevorzugt zumindest eine HF-Antenne oder zumindest ein Steuersignal aus dem Steuerrechner des MRT, zumindest eine Leuclitdiode, zumindest einen Lichtleiter und zumindest einen Lichtdeketor, vorzugsweise zumindest eine Photodiode. It is useful according to the invention, when the system has a measuring unit for measuring the properties of the soft biological matter, in particular the soft brain mass of the brain, so that by means of the movement of the soft biological matter in the device, the properties of the soft biological matter in In vivo are measurable and representable. Thus, properties of the soft biological matter, in particular of the human brain, can be displayed simply and quickly by means of the measuring device. The measuring unit preferably comprises at least one RF antenna or at least one control signal from the control computer of the MRT, at least one Leuclit diode, at least one light guide and at least one Lichtdeketor, preferably at least one photodiode.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das System zumindest ein Behältnis, insbesondere zumindest ein Rohr, mit einem signalerzeugenden Inhalt, vorzugsweise mit einem Wasserstoffinhalt, insbesondere mit Hydrogel, aufweisend Wasser und Agar, oder vorzugsweise mit Glaswolle oder Wolle, auf, wobei mittels des Behältnisses und deren Füllung das Phasennormal für die darzustellende Schicht der weichen biologischen Materie bestimmbar ist. Ein signalerzeugender Inhalt erzeugt während der Messung ein Signal. Ein Wasserstoffinhalt ist ein Inhalt, der aufgrund des Wasserstoffsanteils ein Signal erzeugt. In a further advantageous embodiment, the system comprises at least one container, in particular at least one tube, with a signal-generating content, preferably with a hydrogen content, in particular hydrogel, comprising water and agar, or preferably with glass wool or wool, wherein by means of the container and the filling of which is the phase normal for the displayed layer of soft biological matter can be determined. A signal generating content generates a signal during the measurement. A hydrogen content is a content that generates a signal due to the hydrogen content.
In einer weiteren, vorteilliaften Ausgestaltung weist das Agar eine Agar-Konzentration von 4 g Agar / 1 Liter Wasser bis 6 g Agar / 1 Liter Wasser, vorzugsweise 5 g Agar/ 1 Liter Wasser, auf. Mittels des Behältnisses und der vorhergehenden beschriebenen Konzentration ist es möglich, die ermittelnden Messdaten und die dazugehörigen Bilder miteinander zu vergleichen. Das Behältnis dient dabei als Phasennullpunkt jeder zu untersuchenden Schicht der weichen biologischen Materie. In another embodiment, the agar has an agar concentration of 4 g of agar / 1 liter of water to 6 g of agar / 1 liter of water, preferably 5 g of agar / 1 liter of water. By means of the container and the previously described concentration, it is possible to compare the ascertaining measured data and the associated images with each other. The container serves as the phase zero of each layer of soft biological matter to be examined.
Zweckmäßig ist es gemäß Weiterbildung der Erfindung, wenn das System in Leistungsverbindung und/oder Wirkverbindung mit einer Unterdruck und/oder Überdruck bereitstellenden Pneumatik und/oder Bewegungsmeßeinrichtung, insbesondere optischen Elementen, und/oder elektrischen Bauteilen steht und/oder bringbar ist. It is expedient according to the invention, when the system is in power connection and / or operative connection with a negative pressure and / or pressure-providing pneumatic and / or Bewegungsmeßeinrichtung, in particular optical elements, and / or electrical components and / or brought.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. The invention will be explained in more detail by way of example with reference to drawings.
Es zeigen Fig. 1 einen schematischen Ausschnitt einer erfmdungsgemäßen Vorrichtung und ein erfindungsgemäßes Verfahren, 1 shows a schematic section of a device according to the invention and a method according to the invention,
Fig. 2 ein Prinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Detail, 2 shows a principle of the device according to the invention and of a method according to the invention in detail,
Fig. 3 eine Strukturaufnahme und zwei Phasenbilder, Fig. 4 das Prinzip des Kontrastes im Phasenbild,
Fig. 5 einen Übersiclitsplan eines erfindungsgemäßen Systems, Fig. 6.1 ein Übersichtsbild zur emspinresonanz, Fig. 6.2 ein Übersichtsbild zur Drehung des Magentisierangsvektors, Fig. 6.3 eine Spin-Echo Darstellung, Fig. 6.4 eine Sehiehtanregung als Graphik, Fig. 6.5 eine Spin-Echo-Sequenz, 3 shows a structural image and two phase images, FIG. 4 shows the principle of the contrast in the phase image, FIG. 6 shows an overview image for the rotation of the magentization vector, FIG. 6.3 shows a spin-echo representation, FIG. 6.4 shows a visual stimulus as a graphic, FIG. 6.5 shows a spin echo sequence,
Fig. 6.6 ein vereinfachtes Schema einer bewegungssentitiven EPI-Sequenz, Fig. 6.7 mehrere Rheologische Modelle, FIG. 6.6 shows a simplified scheme of a motion-sensitive EPI sequence, FIG. 6.7 shows several rheological models, FIG.
Fig. 7.1 ein Prinzip einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Detail, 7.1 shows a principle of a device according to the invention and of a method according to the invention in detail,
Fig. 7.2 ein alternatives Prinzip einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Detail, FIG. 7.2 shows an alternative principle of a device according to the invention and a method according to the invention in detail, FIG.
Fig. 8.1 eine Auflage und ein Halbring gemäß der Erfindung, 8.1 a support and a half ring according to the invention,
Fig. 8.2 eine Auflage, ein Halbring und eine Schale gemäß der Erfindung, Fig. 8.3 Phasennormale in einem erfindungsgemäßen System, FIG. 8.2 shows a support, a half-ring and a shell according to the invention, FIG. 8.3 shows phase normals in a system according to the invention, FIG.
Fig. 9.1 ein Phasenbild ohne Bewegung, FIG. 9.1 shows a phase image without movement, FIG.
Fig. 9.2 ein Phasenbild mit Bewegung, 9.2 a phase diagram with movement,
Fig. 9.3 eine Grauwertdarstellung, FIG. 9.3 shows a gray scale representation,
Fig. 9.4 ein Amplitudenbild, Fig. 9.5 ein Phasenbild zur Schicht von Fig. 9.4, 9.4 an amplitude image, FIG. 9.5 a phase image to the layer from FIG. 9.4, FIG.
Fig. 9.6 Vergleich des Grauwertverlaufs, Fig. 9.6 Comparison of the gray value curve,
Fig. 9.7 Darstellung verzerrter Phasennormale, Fig. 9.7 Representation of distorted phase standards,
Fig. 9.8 Darstellung nicht verzerrter Phasennormale, Fig. 9.8 representation of undistorted phase normal,
Fig. 9.9 Darstellung von vier Phasennormaien,
Fig. 10 eine Auflage, ein Halbring und eine Schale gemäß der Erfindung, Fig. 9.9 Representation of four phase norma, 10 shows a support, a half-ring and a shell according to the invention,
Fig. 11 Auflage, Halbring und Schale in mehreren Ansichten, 11 edition, half ring and shell in several views,
Fig. 12 Auflage, Halbring und Schale in weiterer Ansicht und Fig. 12 edition, half ring and shell in another view and
Fig. 13 Auflage und Halbring in weiterer Ansicht. Für das nötige Verständnis des erfindungsgemäßen Systems und Verfahrens werden nachfolgend neben der Erfindung auch kurz die theoretischen Grundlagen der Kernspintomographie und deren Bildgebung erläutert sowie unter anderem die relevanten Eigenschaften der Magnetresonanztomographie dargestellt, für die es erfindungsgemäß hier notwendig ist, Bewegungen zu messen. Dabei werden auch die elastischen Eigenschaften des Gehirns dargestellt. Mit Bezug auf obige Ausführungen werden auch zwei verschiedene Methoden weiter vorgestellt, die in der Lage sind, viskoelastische Eigenschaften des menschlichen Gehirns zu beschreiben. Fig. 13 edition and half ring in another view. For the necessary understanding of the system and method according to the invention, in addition to the invention, the theoretical fundamentals of magnetic resonance imaging and their imaging are briefly explained below, as well as the relevant properties of magnetic resonance tomography, for which it is necessary according to the invention to measure movements. It also shows the elastic properties of the brain. With reference to the above, two different methods are further presented that are capable of describing viscoelastic properties of the human brain.
Im Rahmen der Figurenbeschreibung wird ferner im Detail die Verfahren und das zugehörige System gemäß der Erfindung vorgestellt, die eine neue Kontrastdarstellung der viskoelastischen Eigenschaften des Gehirns ermöglichen. Des Weiteren wird in der Figurenbeschreibung der Aufbau der Erfindung detailliert beschrieben und die Erstellung eines Phasennormals vorgestellt.The description of the figures further describes in detail the methods and the associated system according to the invention which enable a new contrast representation of the viscoelastic properties of the brain. Furthermore, in the figure description, the structure of the invention is described in detail and presented the creation of a phase standard.
Daneben werden grundlegende Phasenbilder, die bei den erfindiingsgemäßen Messungen erzeugt werden, beschrieben. Ferner werden die Möglichkeiten der Methode beschrieben. In addition, basic phase images generated in the measurements according to the invention are described. Furthermore, the possibilities of the method are described.
Zunächst werden die aus dem Stand der Technik bekannten Bauteile eines Magentresonanztomographen allgemein dargestellt. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass ein Magentresonanztomograph beispielsweise einen Vakuumbehälter, ein Kälteschild, ein Kaltkopf, einen Kompressor, eine supraleitende Schimspule, eine supraleitende Feldspule, ein Eisenshirns, einen Gradientenspulensatz, einen Durch lührungsfiltcr, eine HF-Spule, eine Lokalspule, eine Sende-Empfangs- Weiche und eine Patientenliege aufweist. Die Gradientenspulen dienen dabei zur Schichtauswahl und Ortskodierung. First, the known from the prior art components of a magnetic resonance tomograph are generally shown. It is known from the prior art that a magnetic resonance tomograph comprises, for example, a vacuum container, a cold shield, a cold head, a compressor, a superconducting shim coil, a superconducting field coil, an iron brain, a gradient coil set, a transmission filter, an RF coil, a local coil, has a transceiver and a patient bed. The gradient coils are used for slice selection and spatial encoding.
Mittels eines solchen MRT kann man Schnitt- oder Schichtbilder des menschlichen (oder tierischen) Körpers erzeugen. By means of such an MRI, one can produce sectional or slice images of the human (or animal) body.
Dazu wird eine Sequenz verwendet, die eine Kombination aus Hochfrequenzimpulsen und magenetischen Gradientenfeldern ist, wobei die Sequenzen vielfach in jeder Sekunde in vorgegebener Reihenfolge ein- und ausgeschaltet werden. Das Senden und Empfangen der
Hochfrequenzimpulse erfolgt beispielsweise mittels Spulen, beispielsweise einer Kopfspule. Das angewendete Prinzip basiert dabei beispielsweise auf der Spinecho-Sequenz, For this purpose, a sequence is used, which is a combination of high-frequency pulses and gastric gradient fields, the sequences being switched on and off many times in a predetermined order every second. Sending and receiving the High-frequency pulses, for example, by means of coils, such as a head coil. The applied principle is based for example on the spin echo sequence,
Zu Beginn wird dabei ein 90°-Puls mitteis des MRT ausgesendet, wodurch die durch das MRT erzeugte Magnetisierung um 90° quer zum äußeren Magnetfeld ausgelenkt wird. Die Magnetisierung beginnt um die ursprüngliche Achse zu kreisen. At the beginning, a 90 ° pulse is emitted by means of the MRT, whereby the magnetization generated by the MRT is deflected by 90 ° transversely to the external magnetic field. The magnetization begins to revolve around the original axis.
Das dabei entstehende Hochfrequenzsignal kann außerhalb des Körpers gemessen werden. The resulting high-frequency signal can be measured outside the body.
Diese nimmt exponentiell ab, weil die Protonenspins dephasieren und sich zunehmend destruktiv überlagern. Die Zeit, nach der 63 % des Signals zerfallen sind, nennt man T2 -Re 1 axat ionsze i tThis decreases exponentially, because the proton spins dephase and overlap increasingly destructively. The time after which 63% of the signal has decayed is called T2 -Re 1 axat ionsze i t
(Spin-Spin-Relaxation). Durch einen geeigneten 180°-Rephasierungs-Hochfrequenzimpuls kann man bewirken, dass ein Teil der Dephasierung zum Zeitpunkt der Messung wieder rückgängig gemacht wird, so dass wieder mehr Spins in der gleichen Phase sind. (Spin-spin relaxation). By means of a suitable 180 ° rephasing RF pulse, one can cause part of the dephasing to be undone at the time of the measurement, so that more spins are again in the same phase.
Abhängig von den Sequenz-Parametern kann das Signal darüber hinaus auch von der sogenannten Tl -Relaxationszeit (Spin-Gitter-Relaxation) abhängen, die ein Maß für die Geschwindigkeit ist, mit der sich die ursprüngliche Längsausrichtung der Spins zum äußeren Magnetfeld wieder einstellt. In addition, depending on the sequence parameters, the signal may also depend on the so-called Tl relaxation time (spin-lattice relaxation), which is a measure of the rate at which the original longitudinal orientation of the spins reverts to the external magnetic field.
Tl- und T2-Zeitpunkte gemäß vorhergehenden Ausführungen sind auch beispielsweise in derTl and T2 times according to previous embodiments are also in the example
PCT/EP2007/010002 (WO 2008/067905 AI) beschrieben. PCT / EP2007 / 010002 (WO 2008/067905 Al).
Eine MRT-U ntersuchung umfasst im Allgemeinen stets Tl- und T2-gewichtete Bildserien in mindestens zwei räumlichen Ebenen. An MRI examination generally always includes Tl- and T2-weighted image series in at least two spatial planes.
Um die Signale den einzelnen Volumenelementen (Voxeln) zuordnen zu können, wird mit linear ortsabhängigen Magnetfeldern (Gradientenfeldern) eine Ortskodierung erzeugt. Dabei wird ausgenutzt, dass für ein bestimmtes Teilchen die Larmorfrequenz von der magnetischen Flussdichte abhängt (je stärker der Feldanteil senkrecht zur Richtung des Teilchendrehimpulses, desto höher die Larmorfrequenz). In einer Meßspule wird durch die rotierende Transversalmagentisierung eine Wechselspannung induziert, deren Frequenz die Lamorfrequenz ist. In order to be able to assign the signals to the individual volume elements (voxels), a spatial coding is generated using linearly spatially dependent magnetic fields (gradient fields). It is exploited that for a given particle, the Larmor frequency depends on the magnetic flux density (the stronger the field component perpendicular to the direction of the particle rotation pulse, the higher the Larmor frequency). In a measuring coil, an alternating voltage is induced by the rotating Transversalmagentisierung whose frequency is the Lamorfrequenz.
Die Gradienten zusammen bewirken also eine Kodierung des Signals in drei Raumebenen.
Das empfangene Signal, beispielsweise mittels einer Spule im MRT, gehört zu einer bestimmten Schicht des Körpers und enthält eine Kombination aus Frequenz- und Phasenkodierung, die der Computer mit einer Fourier-Transformation in ein zweidimensionales Bild umrechnen kann. The gradients together thus cause a coding of the signal in three spatial levels. The received signal, for example by means of a coil in the MRI, belongs to a specific layer of the body and contains a combination of frequency and phase coding, which the computer can convert into a two-dimensional image with a Fourier transformation.
Vorhergehende Ausführungen zum MRT und dem Verfahren sind aus dem Stand der Technik oder beispielsweise aus der PCT/EP2007/010002 bekannt und werden nachfolgend gegebenenfalls noch im Detail erläutert. Previous versions of the MRT and the method are known from the prior art or, for example, from PCT / EP2007 / 010002 and will be explained in detail below if necessary.
Zunächst wird für ein grundlegendes Verständnis die Erfindung kurz dargestellt. First, for a basic understanding, the invention will be briefly described.
Wie in der Fig. 1 im Teilbild a) dargestellt ist, kann das Gehirn G im harten Schädelknochen als stark gedämpfter harmonischer Oszillator aufgefasst werden, wobei jedes Segment oder jedes betrachtete und definierte Volumenteil(chen) des Gehirns G modellgemäß als eine inerte Masse (dargestellt durch einen Quader) verstanden werden kann, die mit einer elastischen Feder 1 (elastic spring) und einem Dämpfer 2 (darnper) gekoppelt ist. Wenn die harte Kopfschale des Kopfes K abrupt beschleunigt oder abrupt abgebremst wird, erfährt das Gehirn G bzw. die Gehirnmasse eine Beschleunigung oder Verzögerung, die sich aber gegenüber der harten Kopfschale verzögert oder unterschiedlich ausbildet. Insbesondere schwingt das Gehirn G bzw. die Gehimmasse noch nach, bis es zur Ruhe kommt. Hierbei hängen die Geschwindigkeit V der Gehimbewegung und die Zeit bis der Ruhezustand wieder erreicht ist, von der Federkonstanten (elastische Feder 1) und der Dämpfung 2 ab, wie dies durch das Teilbild c) in der Fig. 1 dargestellt ist. Im Rahmen eines bildgebenden Magnetresonanztomographieverfahrens wird zunächst der Kopf K der natürlichen Bewegungsmöglichkeit folgend um eine Distanz d (Teilbild a) der Fig. 1) mithiife einer pneumatisch betätigbaren Kopfauflegevorrichtung 6 angehoben, wobei die Position mithiife einer schnellen optischen Messvorrichtung, die vorzugsweise an der Kopfauflagevorrichtung 6 angeordnet ist, angezeigt wird. Nach Erreichen der in der Teilfigur a) der Fig. 1 dargestellten oberen Start- und Ruheposition wird der Kopf K um die Distanz d beim Ausführungsbeispiel nach unten in die waagerechte Position, wie sie im Teilbild b) der Fig. 1 dargestellt ist, im Sinne eines Fallenlassens um diese kleine Distanz d schnell bewegt. Gleichzeitig läuft bei dieser Bewegung aber auch das bildgebende Verfahren des Magnetresonanztomographiegerätes, in dessen bi ldaii thchmendem Teil der Kopf K zu diesem Zeitpunkt angeordnet und platziert ist. As shown in FIG. 1 in the partial image a), the brain G in the hard cranial bone can be regarded as a strongly damped harmonic oscillator, each segment or each considered and defined volume part (brain) of the brain G being represented as an inert mass (model) by a cuboid), which is coupled with an elastic spring 1 (elastic spring) and a damper 2 (darnper). When the hard head shell of the head K abruptly accelerates or decelerates abruptly, the brain G or the brain mass experiences an acceleration or deceleration, which, however, is delayed or differently formed with respect to the hard head shell. In particular, the brain continues to vibrate G or the immune system until it settles down. In this case, the speed V of Gehimbewegung and the time until the idle state is reached, depend on the spring constant (elastic spring 1) and the damping 2, as shown by the partial image c) in Fig. 1. In the context of an imaging magnetic resonance tomography method, the head K is first raised by a distance d (partial image a) of FIG. 1) by means of a pneumatically actuated head laying device 6, wherein the position is determined by a fast optical measuring device, preferably on the head support device 6 is arranged, is displayed. After reaching the upper start and rest position shown in the sub-figure a) of Fig. 1, the head K by the distance d in the embodiment down to the horizontal position, as shown in the partial image b) of Fig. 1, in the sense dropping rapidly by this small distance d. At the same time, however, the imaging process of the magnetic resonance tomography apparatus, in whose bi-loading part the head K is arranged and placed at this time, also runs during this movement.
Die „Fallzeit" und der „Fallwinkel" bzw. die „Fallhöhe" sind einstellbar und werden vorzugweise mit einer diffusionssensitiven/bewegungssensitiven, Einzelschuss- (single shot) EPI
(eefao planar imaging) Sequenz des laufenden Magnetresonanztomographie-Verfahrens synchronisiert. Die Bewegung des Gehirns G oder des jeweiligen betrachteten Gehimsegmentes oder -Volumenteils wird während des Anliegens und Vorhandenseins der diffusionssensitiven/bewegungssensitiven Sequenz/ Aufnahmesequenz (Teilbild c) der Fig. 1) als Grauwert in Phasenbilder verschlüsselt dargestellt. The "fall time" and the "fall angle" or "drop height" are adjustable and are preferably provided with a diffusion sensitive / motion sensitive, single shot (EPI) (eefao planar imaging) Synchronized sequence of the current magnetic resonance imaging method. The motion of the brain G or the particular brain segment or volume of matter considered is represented as encrypted gray-scale in phase images during the presence and presence of the diffusion-sensitive / motion-sensitive sequence / acquisition sequence (partial image c) of FIG. 1).
Das erfindungsgemäße Messprinzip wird weiterhin anhand der Fig. 2 erläutert, wobei die Darstellungen im oberen Teilbild (Teilbilder a) bis c)) der Fig. 2 zu den Zeitpunkten ti, t2 und t3 jeweils den Teilbildem a) bis c) der Fig. 1 entsprechen. Dabei zeigt das Messprinzip eine Variante der Messung gemäß der Erfindung. Zum. Zeitpunkt tj gemäß Fig. 2 Teilbild d) befindet sich der Kopf in der oberen Lage und ist um dz = 3 mm angehoben. Zum Zeitpunkt t2 klappt die Vorrichtung nach unten, der Schädelknochen folgt instantan der Bewegung (blaue Kurve 3). Die Abwärtsbewegung des Gehirns erfolgt verzögert (rote Kurve 4). Jedes Element 5 des Gehirns G bewegt sich mit einer anderen Zeitkonstante entsprechend der elastischen Kopplung 1 und Dämpfung 2. Diese verzögerte Bewegung des Gehirns kann mit Hilfe einer bewegungssensitiven Sequenz als Bildkontrast im MRTsystem (Magnetresonanztomographiesystem) dargestellt werden. The measuring principle according to the invention is further explained with reference to FIG. 2, wherein the representations in the upper partial image (partial images a) to c) of FIG. 2 at the times ti, t 2 and t 3 are respectively the partial images a) to c) of FIG 1 correspond. The measuring principle shows a variant of the measurement according to the invention. To the. Time tj according to FIG. 2 sub-picture d), the head is in the upper position and is raised by dz = 3 mm. At time t 2 , the device folds down, the skull bone follows the movement instantaneously (blue curve 3). The downward movement of the brain is delayed (red curve 4). Each element 5 of the brain G moves with a different time constant corresponding to the elastic coupling 1 and damping 2. This delayed movement of the brain can be represented by means of a motion-sensitive sequence as an image contrast in the MRI system (magnetic resonance tomography system).
Nachfolgend wird die Beschleunigung des Kopfes K dargestellt. The acceleration of the head K is shown below.
Eine pneumatisch gesteuerte Vorrichtung wird zur Bewegung des Kopfes in die Kopfspule im Kernspintomographen (MRT, Magnctresonan/.tomographen) eingebaut. Es rnuss darauf geachtet werden, dass die Vorrichtung spielfrei in die Kopfspule eingepasst ist. Die Pneumatik muss derart konstruiert sein, dass die Bewegung des Kopfes nur über großflächige Aktoren erfolgt, um Schwingungen und Deformation der gesamten Vorrichtung zu vermeiden. A pneumatically controlled device is installed for moving the head into the head coil in the magnetic resonance tomograph (MRT, Magnctresonan / .tomographen). It must be ensured that the device is fitted without play in the head coil. The pneumatics must be designed in such a way that the movement of the head takes place only over large-area actuators in order to avoid vibrations and deformation of the entire device.
Der Kopf K ist auf einer exakt der Kopfform angepassten Unterlage der Kopfauflegevorrichtung 6 gemäß Fig. 2 fixiert, die mit einer Bewegungsvorrichtung starr verbunden ist. Der Kopf K ist (gemessen oberhalb des Scheitels) um circa 3 mm angehoben, das Gelenk 7 befindet sich im Bereich der I lalswirbelsäule gemäß Teilbild a) zu Fig. 2. Die Position der Klappvorrichtung wird optisch in Echtzeit gemessen. Zur Messung wird ein moduliertes Lichtsignal über eine Glasfaser an die Messposition geleitet. Dort wird der Strahlquerschnitt über einen trapezförmigen Lichtleiter aufgeweitet. Mit einem identischen Lichtleiter wird das Lichtsignal hinter einem 2 mm breiten Luftspalt wieder aufgefangen und mit einer zweiten Lichtleitfaser in den Kontrollraiim des MRT (Magnetresonanztomographen) geführt. In dem 2 mm breiten Luftspalt
befindet sich eine an der Klappvorrichtung befestigte Kunststoffblende. Das so erzeugte analoge Höhensignal wird optisch erfasst und auf einem Digitaloszilloskop dargestellt. The head K is fixed on an exactly adapted to the shape of the head pad of the head-laying device 6 shown in FIG. 2, which is rigidly connected to a moving device. The head K is raised (measured above the vertex) by approximately 3 mm, the joint 7 is located in the region of the lumbar spine according to partial image a) to FIG. 2. The position of the folding device is measured optically in real time. For the measurement, a modulated light signal is conducted via a glass fiber to the measuring position. There the beam cross-section is widened over a trapezoidal light guide. With an identical light guide, the light signal is caught behind a 2 mm wide air gap and guided with a second optical fiber into the control area of the MRI (magnetic resonance tomograph). In the 2 mm wide air gap There is a plastic panel attached to the folding device. The analog height signal thus generated is optically detected and displayed on a digital oscilloscope.
Die Bewegung der Klappvorrichtung der Kopfaullegevorrichtung 6 erfolgt über schnell schaltbare, elektrodynamische Pneumatikventile. Über Drosselventile können die Zeitkonstanten für das Anheben und Absenken des Kopfes individuell eingestellt werden. The movement of the folding device of the head-elevating device 6 takes place via rapidly switchable, electrodynamic pneumatic valves. Via throttle valves, the time constants for raising and lowering the head can be set individually.
Nachfolgend wird die Aufzeichnung der Bewegung beschrieben. The following describes the recording of the movement.
Die Bewegung des Kopfes K wird mit der Aufnahmesequenz des Magnetresonanztomographen oder Kernspintomographen synchronisiert. Der Zeitpunkt des Absenkens ist einstellbar (Genauigkeit 0,5 ms), die untere Ruheposition (Zeitpunkt t2)- muss vor dem 90°-Puls 8a bei diesem Ausführungsheispiel erreicht sein. The movement of the head K is synchronized with the acquisition sequence of the magnetic resonance tomograph or nuclear magnetic resonance tomograph. The time of lowering is adjustable (accuracy 0.5 ms), the lower rest position (time t 2 ) - must be reached before the 90 ° pulse 8a in this Ausführungsheispiel.
Die Bildaufnahme erfolgt mit Hilfe einer bewegungssensitiven Sequenz (z.B. Spin-Echo, EPI, etc.), wobei die beiden vertikalen, bewegungsempfmdlichen, magnetischen Feldgradienten 9a, 9b auf jeden Zeitpunkt t3 innerhalb eines 100 ms breiten Zeitintervalls nach Absenken des Kopfes K eingestellt werden können. Damit ist es möglich, die individuellen Zeitkonstanten jedes Volumenelementes 5 des Gehirns G absolut zu messen. The image is recorded with the help of a motion-sensitive sequence (for example, spin-echo, EPI, etc.), wherein the two vertical bewegungsempfmdlichen, magnetic field gradients 9a, 9b at each time point t 3 within a 100 ms wide time interval after lowering the head K are set can. This makes it possible to measure the individual time constants of each volume element 5 of the brain G absolutely.
Die den Bildkontrast erzeugende Größe Äh bestimmt den Bildkontrast und die Information im Phasenbild. Fig. 4 zeigt die zugrundeliegende Berechnungsformel. Damit ist eine ortsaufgelöste Darstellung des menschlichen Gehirns realisierbar. The image contrast generating quantity Äh determines the image contrast and the information in the phase image. Fig. 4 shows the underlying calculation formula. Thus, a spatially resolved representation of the human brain can be realized.
Nachfolgend wird ein weiteres Anwendungsbeispiel gemäß der Erfindung beschrieben. Die folgenden Messungen wurden an einem 1 ,5 T Kemspintomographen, beispielsweise einem 1 ,5 T Magnetom Avanto Kemspintomographen der Firma Siemens, unter Verwendung einer herkömmlichen Kopfspule durchgeführt. Die Sequenzparameter der verwendeten EPI-Sequenz lauten: TR: 1000 ms, TE: 150 ms, Fett-Sättigung, b-Wert: 100 s/mm, Gradientenlänge: 20 ms, Zeitabstand der Gradienten: 66 ms, Voxelgröße, 1 mm x 1 mm x 5 mm. Die Parameter der Bewegung: Hub des Kopfes K: 3 mm, Erreichen der unteren Position 3 ms vor dem 90°- Puls 8a und 15 ms vor dem ersten bewegungssensitiven Gradienten 9a. Die Messungen wurden an einem 66-jährigen, männlichen, freiwilligen Probanden durchgeführt. Hereinafter, another application example according to the invention will be described. The following measurements were carried out on a 1, 5 T Kemspintomographen, for example, a 1, 5 T Magnetom Avanto Kemspintomographen Siemens, using a conventional head coil. The sequence parameters of the EPI sequence used are: TR: 1000 ms, TE: 150 ms, fat saturation, b value: 100 s / mm, gradient length: 20 ms, time interval of the gradient: 66 ms, voxel size, 1 mm x 1 mm x 5 mm. The parameters of the movement: stroke of the head K: 3 mm, reaching the lower position 3 ms before the 90 ° pulse 8a and 15 ms before the first motion-sensitive gradient 9a. The measurements were carried out on a 66-year-old male volunteer.
Die Abbildungen der Fig. 3 zeigen auf der linken Seite (Teilbild a)) eine transversale Strukturaufnahnie (Amplitudenbild) der untersuchten Transversalebene. In der Mitte (Teilbild b) von Fig. 3) ist ein Phasenbild der gleichen Schicht/Ebene dargestellt, welches ohne vorausgehende Bewegung aufgenommen wurde. Strukturen innerhalb des Kopfes K sind nicht
erkennbar. Die Gehimmasse/das Gehirn G ist aufgrund der nicht erfolgten Bewegung während des Anliegens der bewegungssensitiven Sequenz/Gradienten als homogenes graues Feld dargestellt. Rechts (Teilbild c) von Fig. 3) ist ein Phasenbild mit vorausgehender Bewegung der gleichen Schicht/Ebene des Kopfes K gezeigt. Die dort sichtbaren Strukturen sind auf dem Strukturbild wiedererkennbar. Insbesondere sind dort im rechten Teilbild der Gehirndarstellung dunkel dargestellte Gehirnbereiche erkennbar. Der Kontrast rührt von den durch das erfindungsgemäße Verfahren sichtbar gemachten Unterschieden oder Veränderung der elastischen Eigenschaften der einzelnen Gehirnbereiche her. The images of FIG. 3 on the left side (partial image a)) show a transverse structure image (amplitude image) of the transverse plane examined. In the middle (partial image b) of FIG. 3), a phase image of the same layer / plane is shown, which was recorded without preceding movement. Structures within the head K are not recognizable. The Gehimmasse / brain G is shown as a homogeneous gray field due to the failure to move during the concern of the motion-sensitive sequence / gradient. On the right (partial image c) of FIG. 3), a phase image with preceding movement of the same layer / plane of the head K is shown. The structures visible there are recognizable on the structure picture. In particular, dark areas of the brain are recognizable in the right part of the brain. The contrast stems from the differences or changes in the elastic properties of the individual brain areas made visible by the method according to the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Sichtbarmachung elastischer Eigenschaften des menschlichen Gehirns mittels oder auf Basis einer materialwissenschaftlichen Methode ist somit einfach durchzuführen, nicht invasiv und für den Patienten nicht unkomfortabel. Der sichtbar gemachte Kontrast oder Kontrastunterschied hängt von der Kombination der Elastizität (elastische Feder) und der Däm fungskonstante des jeweiligen Gehirnbereiches ab. The method according to the invention for visualizing elastic properties of the human brain by means of or based on a material science method is thus simple to perform, non-invasive and not uncomfortable for the patient. The visual contrast or contrast difference depends on the combination of elasticity (elastic spring) and the damping constant of the respective brain area.
Zur Ergänzung sei noch angemerkt, dass in Fig. 2 die Kurve 3 die Äbklingkurve bzw. die Absenkkurve des Kopfes K, d.h. der harten Kopfschale, und die Kurve 4 die entsprechende Kurve für das Gehirn G dargestellt ist. Der erste 1 loch req uen/.pul s 8a des MRT legt die jeweilige Messebene/Messschicht (Transversalebene) im Gehirn G fest. Dem 90°-Puls 8a folgt in üblicher Weise ein 180°-Puls 8b. Die Beschleunigung des Kopfes K in Richtung Distanz d kann nicht nur durch ein Verschwenken der Kopfauflage gemäß Figur 2, sondern auch durch ein Verschieben der Kopfauflage erreicht werden. In addition, it should be noted that in Fig. 2, the curve 3 shows the decay curve of the head K, i. the hard head shell, and the curve 4 the corresponding curve for the brain G is shown. The first 1-hole req uen / .pul s 8a of the MRI defines the respective measurement plane / measurement layer (transverse plane) in the brain G. The 90 ° pulse 8a is followed in the usual way by a 180 ° pulse 8b. The acceleration of the head K in the direction of distance d can be achieved not only by pivoting the head rest according to FIG. 2, but also by displacing the head rest.
Nachfolgend eine weitere Kur/beschreibiing des erfindungsgemäßen Systems zur vivo Darstellung. Below is another Kur / beschreibiing the system according to the invention for vivo representation.
Der zu untersuchende Kopf K ruht in einer mechanischen Hebe-/Senkvorrichtung 22 gemäß Fig. 5, die den Kopf K pneumatisch anhebt und absenkt. Die aktuelle Position wird an drei Stellen optisch gemessen. Gesteuert wird die Apparatur durch eine Elektronik, die die Pneumatik synchron zur Aufnahmesequenz schaltet. The head K to be examined rests in a mechanical lifting / lowering device 22 according to FIG. 5, which pneumatically raises and lowers the head K. The current position is optically measured in three places. The device is controlled by an electronic system that switches the pneumatics synchronously to the recording sequence.
Alle Komponenten des Systems zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich im Blockschaltbild gemäß Fig. 5. All components of the system for carrying out a method according to the invention can be found in the block diagram of FIG. 5.
Nachfolgend zunächst eine Beschreibung der Mechanik. Die Mechanik ist derart ausgelegt, dass sie in einer Standard-Kopfspule 39 (Head Matrix Coil; Siemens Medical Solutions) innerhalb eines 1 ,5 T MRT, beispielsweise innerhalb eines Siemens
Magnetom Avanto Tomographen, betrieben werden kann. Mittels einer solchen Kopfspule 39 werden beispielsweise die bildgebenden Sequenzen im MRT empfangen. Below is a description of the mechanics. The mechanics are designed to be used in a standard Head Spool 39 (Siemens Medical Solutions) within a 1.5 T MRT, for example within a Siemens Magnetom Avanto Tomographs, can be operated. By means of such a head coil 39, for example, the imaging sequences are received in the MRT.
Die Mechanik gliedert sich in zwei Teile. The mechanics is divided into two parts.
Der untere, eine Teil besteht aus einer dünnen Auflage 23, welche in die runde Öffnungsform der Kopfspule 39 eingepasst ist. Daran befestigt befindet sich ein Halbring 24, welcher sowohl die Position in longitudinaler Richtung festlegt, als auch Anschlüsse 20a, 20b für die später beschriebene Pneumatik 40 sowie die optische Überwachung 41 beinhaltet. Der Halbring 24 bildet das andere, zweite Teil. Die Mechanik ist beispielhaft in Fig. 5, Fig. 8.1, Fig. 8.2, Fig. 8.3, Fig. 10 bis Fig. 13 dargestellt. Auf der Auflage 23 liegen gemäß Figur 8.1 zwei Gummi-Schläuche 21 a, 21 b auf, welche über die Pneumatikanschlüsse 20a, 20b mit Luft gefüllt oder evakuiert werden können. An beidenThe lower, a part consists of a thin support 23, which is fitted into the round opening shape of the head coil 39. Attached to it is a half-ring 24, which defines both the position in the longitudinal direction, as well as connections 20a, 20b for the later-described pneumatic 40 and the optical monitoring 41 includes. The half ring 24 forms the other, second part. The mechanism is shown by way of example in FIG. 5, FIG. 8.1, FIG. 8.2, FIG. 8.3, FIG. 10 to FIG. On the support 23 are shown in Figure 8.1, two rubber tubes 21 a, 21 b, which can be filled or evacuated via the pneumatic ports 20a, 20b with air. At both
Seiten des Halbrings 24 befinden sich Bohrungen 43 a, 43 b in denen über dieselben Pneumatikanschlüsse 20a, 20b zylindrische Kolben 25a, 25b gehoben und gesenkt werden können. Dieses ist in Figur 12 dargestellt. Der Halbring 24 und die Auflage 23 sind aus Polyoxymethylen (POM) gefertigt (POM ist auch bekannt unter dem Handelsnamen TECAFORM AH natur, Ensinger). Side of the half-ring 24 are bores 43 a, 43 b in which over the same pneumatic ports 20a, 20b cylindrical pistons 25a, 25b can be raised and lowered. This is shown in FIG. The half-ring 24 and the support 23 are made of polyoxymethylene (POM) (POM is also known under the trade name TECAFORM AH natur, Ensinger).
Auf den Schläuchen 21 a, 21b und den Zylindern 25a, 25b aufliegend befindet sich eine Schale 26, auf der der Kopf K positioniert wird. Die Schale 26 wurde in Handarbeit als Sandwichlaminat aus Aramid-verstärktem Kunststoff gefertigt. Das Sandwich besteht aus einer 3 Millimeter dicken Aramid- Wabe (Kevlar®-Wabe), die sich zwischen zwei etwa ein Millimeter dicken Laminaten aus Aramid-Gewebe (Kevlar®-Gewebe; Handelsname Style 284 von ECC) und Epoxydharz (Handelsname Epoxydharz L und Härter L von R&G Faserverbundwerkstoffe GmbH) befindet. Das gesamte Sandwich wurde in einem Arbeitsgang in einer Aluminium-Form hergestellt. Die Schale 26 gemäß Figur 8.2 dient als Auflage für den Kopf K. Dieser wird auf der Schale 26 mithilfe eines (nicht in Figur 8.2 dargestellten) Vakuumkissens (MR(Magentresonanz)-On the tubes 21 a, 21 b and the cylinders 25 a, 25 b lying on a shell 26, on which the head K is positioned. The shell 26 was made by hand as a sandwich laminate of aramid-reinforced plastic. The sandwich consists of a 3-millimeter-thick aramid honeycomb (Kevlar® honeycomb) sandwiched between two approximately one-millimeter-thick laminates of aramid fabric (Kevlar® fabric, trade name Style 284 from ECC) and epoxy resin (trade name Epoxy Resin L and Hardener L from R & G Faserverbundwerkstoffe GmbH) is located. The entire sandwich was produced in one operation in an aluminum mold. The shell 26 according to FIG. 8.2 serves as a support for the head K. The shell 26 is supported on the shell 26 by means of a vacuum pad (not shown in FIG. 8.2) (MR (gastric resonance)).
Standardzubehör; Siemens Medical Solutions) fixiert. Standard accessories; Siemens Medical Solutions).
An den Seiten des Halbrings 24 und im hinteren Bereich der Auflage befinden sich Anschläge 28a, 28b aus POM, die den Hub der Schale 26 einstellbar bis maximal 3 mm begrenzen. Diese Anschläge 28a, 28b sind als Winkel ausgelegt, die über die Auflage ragen. Am Halbring 24 (vordere Anschläge) sind gemäß Figur 8.2 und Figur 12 durch diese Winkel von oben
Nylonschrauben 29a, 29b eingesetzt. Sie bilden den eigentlichen Anschlag, der dadurch einstellbar wird. Der Anschlag an der Auflage (hinterer Anschlag) kann durch verschieden dicke POM-Stüeke eingestellt werden. On the sides of the half ring 24 and in the rear region of the support are stops 28a, 28b made of POM, which limit the stroke of the shell 26 adjustable to a maximum of 3 mm. These stops 28a, 28b are designed as an angle that protrude over the support. On half ring 24 (front stops) are according to Figure 8.2 and Figure 12 through this angle from above Nylon screws 29a, 29b used. They form the actual stop, which is adjustable thereby. The stop on the support (rear stop) can be adjusted by different thickness POM pieces.
Nachfolgend wird die Pneumatik gemäß der Erfindung beschrieben. Die Hebe- und Senkvorrichtung 22 wird pneumatisch angetrieben. Dazu erzeugt gemäß Fig. 5 eine Membranpumpe 1 1 (vacuubrand MZ 2T) in zwei Druckbehältern 12a, 12b einen Überbeziehungsweise Unterdruck (20 kPa bzw. -25 kPa gegenüber dem Umgebungsdruck). Unter- und Überdruck werden über mechanische Druckregelventile 13a, 13b (Eigenbauten) eingestellt und können an zwei Manometern gemäß Fig. 5 abgelesen werden. Druck- und Saugseite sind nach manuell einstellbaren Drosselventilen 15a, 15b über eine gemeinsame Zuleitung 16 an die Hebe-/ Senkvorrichtung 22 angeschlossen. Die Saugseite ist zusätzlich mit eiektro- pneumatischen Schaltventil 14 (Leybold) versehen. Standardmäßig ist dieses Ventil 14 geschlossen, so dass die Hebe-/ Senkvorrichtung 22 unter Druck steht und sich die Schale 26 in der oberen Position befindet. Wird das Schaltventil 14 geöffnet, so wird die Vorrichtung 22 entlüftet und die Schale 26 sinkt ab. The pneumatic system according to the invention will be described below. The lifting and lowering device 22 is pneumatically driven. For this purpose, according to FIG. 5, a membrane pump 1 1 (vacuubrand MZ 2T) in two pressure vessels 12 a, 12 b generates a super-negative pressure (20 kPa or -25 kPa with respect to the ambient pressure). Underpressure and overpressure are set by means of mechanical pressure control valves 13a, 13b (own structures) and can be read on two pressure gauges according to FIG. Pressure and suction side are connected to manually adjustable throttle valves 15a, 15b via a common supply line 16 to the lifting / lowering device 22. The suction side is additionally provided with an electromotive switching valve 14 (Leybold). By default, this valve 14 is closed, so that the lifting / lowering device 22 is under pressure and the shell 26 is in the upper position. If the switching valve 14 is opened, the device 22 is vented and the shell 26 decreases.
Zur Einstellung der Zeitkonstanten des Hebens und Senkens sind Druck- und Saugseite mit manuellen Drosselventilen 15a, 15b ausgestattet. Im Überdruckteil ist ein Überdrackbegrenzer 44 in Form einer Platzfolie eingebaut, der bauartbedingt automatisch bei einem Überdruck von 40 kPa entlüftet. Alle Bauteile im Pneumatik-Kreis 40 gemäß Fig. 5 sind mit Standard Vakuum-Klein-Flansch-For adjusting the time constants of raising and lowering, the pressure and suction sides are equipped with manual throttle valves 15a, 15b. In Überdruckteil a Überdrackbegrenzer 44 is installed in the form of a place sheet, which vented automatically due to design at an overpressure of 40 kPa. All components in the pneumatic circuit 40 according to FIG. 5 are equipped with standard vacuum small flange
Technik verbunden. Technology connected.
In der Luft-Zuleitung zur Hebe- und Senkvorrichtung 22 im MRT-Raum 17, sowie im Kontrollraum 18, sind manuelle Entlüftungsventile 37, 37a in den Pneumatik-Kreislauf eingebaut. Somit kann sowohl vom Bedienungspersonal als auch vom Patienten selbst jederzeit die Pneumatik abgeschaltet werden. In the air supply line to the lifting and lowering device 22 in the MRI room 17, as well as in the control room 18, manual vent valves 37, 37a are installed in the pneumatic circuit. Thus, both the operator and the patient himself at any time the pneumatics are switched off.
Nachfolgend wird die elektrische Ansteuerung beschrieben. The electrical control will be described below.
Die Anregungs-J JF-Signale des MRT 19 werden mit einer HF-Antenne 35 im Tomographen- Raum 17 empfangen. Das Antemiensignal wird verstärkt (EG&G ORTEC Model AN302/ NL) und die FIF-Pulse des MRT werden in einem De!ay-Ί rigger (Delay-Trigger DT 104, Paul Scherrer Institute) detektiert und ein Steuerpuls erzeugt, der über ein elektronisches Relais (Spannungsversorgimg über Triple Power Supply EA-PS 3332-03) das Schaltventil 14 der
Pneumatik synchron zur Aufnahmesequenz öffnet. Antennensignal und Steuersignal werden mit einem Oszilloskop 32 (Tektronix TDS 5034) überprüft. The excitation J JF signals of the MRI 19 are received with an RF antenna 35 in the scanner room 17. The anti-Semitic signal is amplified (EG & G ORTEC Model AN302 / NL) and the MRI's FIF pulses are detected in a De-ay-Trigger (Delay Trigger DT 104, Paul Scherrer Institute) and a control pulse is generated via an electronic relay (Power supply via Triple Power Supply EA-PS 3332-03) the switching valve 14 of Pneumatic opens synchronously to the recording sequence. Antenna signal and control signal are checked with oscilloscope 32 (Tektronix TDS 5034).
Nachfolgend wird die optische Überwachung beschrieben. The optical monitoring will be described below.
Zur zeitlich exakt einstellbaren Synchronisation der Hebe-/ Senkvorrichtung 22 mit der MRT- Sequenz, ist die Mechanik mit einer optischen Anzeige ausgestattet. Dazu wird aus dem Kontrollraum 18 das Licht von drei handelsüblichen Leuchtdioden 30a, 30b, 30c (AVAGO Technologies I ILMP-HG35- I W0DD) mit Hilfe von ummantelten Kunststoff-Lichtleitern 31a, 31b, 31c (Außendurchmesser 2,2 mm, Kerndurchmesser 1 mm) an die Mechanik geleitet. An den vorderen Anschlägen 28a, 28b sind die Lichtleiter zu einem Keil aufgeweitet. Das Licht tritt aus dem Keil aus und wird nach 2 mm von einem zweiten, ebenfalls aufgeweiteten Lichtleiter aufgefangen. In dem Spalt bewegt sich mit der Kopfschale eine Blende, die das ankommende Licht positionsabhängig abblendet. Am hinteren Anschlag tritt das Licht direkt aus dem Lichtleiter aus und wird direkt von einem zweiten Lichtleiter eingefangen. Dieser bewegt sich mit der Kopfschaie 26 vor dem ersten Lichtleiter. Das aufgefangene Licht wird zurück in den Kontrollraum 18 geleitet, das jeweilige Lichtsignal mit einer Photodiode 33a, 33b, 33c (Burr- Brown OPT101) delektiert und auf dem Oszilloskop 32 angezeigt. Dort können Geschwindigkeit und der Hub der Kopfschale 26 zeitlich aufgelöst verfolgt werden. Die Leuchtdioden 30a, 30b, 30c, die Lichtleiter 31 a, 31b, 31 c und die Photodioden 33a, 33b, 33c sind Teil der optischen Überwachung 41. Die Leuchtdioden 30a, 30b, 30c werden mit einem Funktionsgenerator 34 (Voltcraft FG - 506) bei einer Frequenz von 30 kHz betrieben. For timely exactly adjustable synchronization of the lifting / lowering device 22 with the MRT sequence, the mechanism is equipped with an optical display. For this purpose, from the control room 18, the light of three commercially available LEDs 30a, 30b, 30c (AVAGO Technologies I ILMP HG35- I W0DD) using coated plastic optical fibers 31a, 31b, 31c (outer diameter 2.2 mm, core diameter 1 mm ) to the mechanics. At the front stops 28a, 28b, the optical fibers are widened into a wedge. The light emerges from the wedge and is collected after 2 mm by a second, also widened light guide. In the gap, an aperture moves with the head shell, which dimmers the incoming light depending on the position. At the back stop, the light exits directly from the light guide and is captured directly by a second light guide. This moves with the Kopfschaie 26 in front of the first light guide. The collected light is passed back into the control room 18, the respective light signal with a photodiode 33a, 33b, 33c (Burr-Brown OPT101) detected and displayed on the oscilloscope 32. There speed and the stroke of the head shell 26 can be tracked temporally resolved. The light-emitting diodes 30a, 30b, 30c, the light guides 31a, 31b, 31c and the photodiodes 33a, 33b, 33c are part of the optical monitoring 41. The light-emitting diodes 30a, 30b, 30c are connected to a function generator 34 (Voltcraft FG-506). operated at a frequency of 30 kHz.
Nachfolgend werden weitere Details zur verwendeten Magnetresonanztomographie beschrieben. Further details on the magnetic resonance tomography used are described below.
Die Messungen werden an einem MRT 19, hier einem Siemens Magnetom Avanto MRT, mit einer Grandfeldstärke von 1 ,5 Tesla durchgeführt. Zur Bildaufnahme werden eine einfache, diffusionssensitive Spin-Echo-Sequenz (SE) sowie eine diffusionssensitive Echo-Planar- Imaging-Sequenz (EPI) genutzt. The measurements are performed on an MRT 19, here a Siemens Magnetom Avanto MRT, with a grand field strength of 1, 5 Tesla. For image acquisition, a simple, diffusion-sensitive spin-echo sequence (SE) and a diffusion-sensitive echo-planar imaging sequence (EPI) are used.
Nachfolgend werden die relevanten Eigenschaften der Magnetresonanztomographie dargestellt. The relevant properties of magnetic resonance imaging are presented below.
Für die hier vorgestellte Methode ist es notwendig, Bewegungen zu messen. Wie dies mittels MRT erreicht werden kann, wird auch nachfolgend beschrieben. Im letzten Teil wird auf die elastischen Eigenschaften des menschlichen Gehirns eingegangen.
Fig. 6.1 zeigt die Energieaufspaltung durch den ern-Zeeman-Effekt für ein Proton in einem äußeren Magnetfeld. Das magnetische Dipolmoment μ prä/ediert um die Richtung eines statischen, äußeren Magnetfeldes Bo. Die Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen beträgt ΔΕ = γι h B0. Um die Spins in den jeweils anderen Zustand zu überführen, muss diese Energie aufgebracht oder abgeführt werden. For the method presented here, it is necessary to measure movements. How this can be achieved by MRI is also described below. The last part deals with the elastic properties of the human brain. Fig. 6.1 shows the energy split by the ern-Zeeman effect for a proton in an external magnetic field. The magnetic dipole moment μ pre / edit around the direction of a static, external magnetic field Bo. The energy difference between the two states is ΔΕ = γι h B 0 . In order to transfer the spins in the other state, this energy must be applied or removed.
Protonen im Magnetfeld verhalten sich wie quantenmechanische, magnetische Kreisel mit einem magnetischen Moment μ. Sind die Drehimpulsachse des Protons und die Richtung eines externen Magnetfelds Bo nicht parallel, folgt eine Präzessionsbewegung des magnetischen Moments um die Magnetfeldachse mit der Winkelgeschwindigkeit coo = γι Bo, Gleichung (2.1) die auch als Lamorfrequenz bezeichnet wird, γι beschreibt das gyromagnctische Verhältnis, welches für Protonen einen Wert von γι = 42,577 MHz · T 1 hat. Protons in the magnetic field behave like quantum mechanical, magnetic gyros with a magnetic moment μ. If the angular momentum axis of the proton and the direction of an external magnetic field Bo are not parallel, a precession movement of the magnetic moment about the magnetic field axis follows with the angular velocity coo = γι Bo, equation (2.1) which is also called the Lamor frequency, γι describes the gyromagnatic relationship has a value of γι = 42.577 MHz · T 1 for protons.
Die Grandgesetzte der Quantenmechanik fordern eine Quantelung des Drehimpulses I (Vektor) und seiner z-Komponente, so dass mit dem planckschen Wirkungsquantum h und der magnetischen Quantenzahl n i für den Drehimpuls Iz in /.-Richtung gilt The grand laws of quantum mechanics require a quantization of the angular momentum I (vector) and its z-component, so that with the Planck's quantum h and the magnetic quantum number ni for the angular momentum I z in / - direction
Iz = m{ h mit nii = ±1 /2, -I < mj < I. Gleichung (2.2) I z = m { h with nii = ± 1/2, -I <mj <I. Equation (2.2)
In einem äußeren, statischen Magnetfeld Bo (Vektor) = B0 · ez (Vektor) ergeben sich für Protonen mit Spin I = 1/2 zwei Energieniveaus E = + 112 v\ h Bo (Kern-Zeeman-Effekt). Der energetische Abstand der Niveaus, also die Energie, die für Übergänge benötigt wird, ist beschrieben durch ΔΕ = γι h B0 (Fig. 6.1). In an external, static magnetic field Bo (vector) = B 0 · e z (vector), for protons with spin I = 1/2 two energy levels E = + 112 v \ h Bo (core Zeeman effect) result. The energetic distance of the levels, ie the energy needed for transitions, is described by ΔΕ = γι h B 0 (FIG. 6.1).
Elektromagnetische Wellen, die resonant mit der Lamorfrequenz co0 eingestrahlt werden und die Energie E = ho = hcoo · h γι Bo haben, können nun einen Übergang zwischen den beiden Niveaus erzeugen. Electromagnetic waves that are radiated resonantly at the Lamor frequency co 0 and have the energy E = ho = hcoo * h γι Bo can now create a transition between the two levels.
Die Besetzung des oberen und unteren Niveaus im Grundzustand erfolgt nach der Boltzmannstatistik. Wird ein Vielteiichensystem betrachtet, kann man die magnetischen Momente des Spin-Ensembles zu einem Magnetisierungsvektor M zusammenfassen und in die klassische Darstellung übergehen. Das Einstrahlen einer resonanten, elektromagnetischen Welle wird dann genutzt, um den Magnetisierungsvektor spiralförmig aus der /.-Richtung in die x-y- Ebene zu drehen. Die Einstrahldauer τ bestimmt den Winkel der Drehung u - γΒ ι τ in Bezug zur z- Achse mit B ä gleich des durch die EM-Welle induzierten Wechselfeldes (Fig. 6.2). Erreicht α 90°, wird der dazugehörige Puls als 90°-Puls bezeichnet. Ein Puls mit doppelter Stärke ergibt
analog dazu einen 180°-Puls. Der auf die x-y-Ebene projizierte Betrag des Magnetisierungsvektors lässt sich als ein rotierender Dipol auffassen, dessen Signal man mit einer senkrecht dazu angebrachten Antenne messen kann. The occupation of the upper and lower levels in the ground state takes place according to the Boltzmann statistics. If a multi-stakeholder system is considered, one can summarize the magnetic moments of the spin ensemble to a magnetization vector M and go into the classical representation. The irradiation of a resonant, electromagnetic wave is then used to spiral the magnetization vector from the / - direction into the xy plane. The radiation duration τ determines the angle of rotation u - γΒ ι τ with respect to the z-axis with B ä equal to the induced by the EM wave alternating field (Figure 6.2.). Achieved α 90 °, the associated pulse is referred to as a 90 ° pulse. A pulse with twice the strength results analogous to a 180 ° pulse. The amount of magnetization vector projected onto the xy plane can be thought of as a rotating dipole whose signal can be measured with an antenna perpendicular to it.
Durch einen solchen Hochfrequenz-Puls (HF-Puls) wird dem System Energie zugeführt und es befindet sich in einem gestörten, angeregten Energiezustand. Dort gibt es über Spin-Gitter- oder Spin-Spin- Wechselwirkung Energie ab und kehrt in den Grandzustand zurück. Diese Prozesse sind auch als longitudinale und transversale Relaxation bekannt. Sie werden durch die dazugehörigen Zeitkonstanten T) und T2 beschrieben und sind dafür verantwortlich, dass sich das Signal in z- Richtung wieder aufbaut bzw. in der x-y-Ebene zerfallt. Das System kehrt in den Grundzustand zurück. By such a high-frequency pulse (RF pulse) energy is supplied to the system and it is in a disturbed, energized state of energy. There it releases energy via spin-lattice or spin-spin interaction and returns to its grand state. These processes are also known as longitudinal and transverse relaxation. They are described by the associated time constants T) and T 2 and are responsible for the fact that the signal builds up again in the z direction or decays in the xy plane. The system returns to the initial state.
Fig. 6.2 zeigt Drehung des Magnetisierungsvektors M aufgrund des eingestrahlten Bi -FeldesFig. 6.2 shows rotation of the magnetization vector M due to the irradiated Bi field
(Vektor). Nach der Einstrahlzeit τ hat sich die Magnetisierung um α = γΒι τ gedreht. (Vector). After the irradiation time τ, the magnetization has rotated by α = γΒι τ.
Die Kernspinresonanz kann für die medizinische Diagnostik genutzt werden, da sich verschiedene Gewebearten in den Relaxationszeiten Tf und T2 unterscheiden und somit differenziert werden können. Eine ausführliche Beschreibung der Relaxationsprozesse ist aus dem Stand der Technik oder der Literatur bekannt. Nuclear magnetic resonance can be used for medical diagnosis, since different types of tissue differ in the relaxation times Tf and T 2 and can thus be differentiated. A detailed description of the relaxation processes is known in the art or in the literature.
Nachfolgend wird das Echo-Signal beschrieben. The following describes the echo signal.
Fig. 6.3 zeigt im Detail ein Spin-Echo. Der 90°-Puls bewirkt eine Drehung der Gleichgewichtsmagnetisierung aus der z-Richtung in die x-y-Ebene (Schritt A gemäß Fig. 6.3). Die Spins laufen aufgrund von Inhomogenitäten mit unterschiedlichen WinkelgeschwindigkeitenFig. 6.3 shows in detail a spin echo. The 90 ° pulse causes a rotation of the equilibrium magnetization from the z direction into the x-y plane (step A according to FIG. 6.3). The spins run at different angular velocities due to inhomogeneities
(Larmorlrequenzen) auseinander, sie dephasieren (Schritte B, C) und das Signal zerfallt. Der eingestrahlte 180°-Puls nach der Zeit TE/2 dreht die Spins um die x-Achse, so dass sich die schnelleren Spins wieder hinter den langsamen befinden (Schritt D). Die schnelleren Spins holen die langsamen wieder auf (Schritt E). Nach der Zeit ΊΥ; rephasieren die Spins zu dem sogenannten Echo (Schritt F). Die Amplitude des abfallenden Signals nimmt dabei mit der spezifischen Relaxationszeit des untersuchten Probevolumens ab (grüne Kurve 45). (Larmor frequencies) apart, they dephase (steps B, C) and the signal decays. The irradiated 180 ° pulse after time T E / 2 rotates the spins about the x-axis so that the faster spins are again behind the slow ones (step D). The faster spins pick up the slow ones again (step E). After the time ΊΥ; the spins rephase to the so-called echo (step F). The amplitude of the falling signal decreases with the specific relaxation time of the tested sample volume (green curve 45).
Das Auslesen der Signale findet über sogenannte Echos statt. Der tatsächliche Signalabfall findet aufgrund von Magnetfeldinhomogenitäten wesentlich schneller statt als durch die reinen Relaxationsprozesse. Sie führen zu einer beschleunigten Dephasierung der Spins. Dieser Signalabfall wird auch als free induetion decay ( PID) bezeichnet. Durch Erzeugen eines Echo- Signals, erreicht man einen Signalabfall unabhängig von den Inhomogenitäten. Der Prozess ist in Fig. 6.3 erklärt.
Es lässt sich also feststellen, dass die zu Anfangs in die x-y-Ebene gedrehten Spins (Schritt A) präzidieren aufgrund von Inhomogenitäten mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten (Larmorfrcquenz.cn) und dephasieren (Schritte B, C). Durch Einstrahlen eines 1 8()°-Pu!scs werden die Spins um die x- Achse um 180° gedreht, wodurch die schnelleren Spins nun hinter den langsameren sind (Schritt D) und wieder aufholen (Schritt E). Dadurch rephasieren die Spins und liefern ein messbares Signal, was Echo genannt wird (Schritt F). Der Signalabfall des Echo- Maximums findet somit nur durch die tatsächlichen Relaxationen statt (grüne Kurve 45). Über diese kann nun die Relaxationszeit bestimmt werden. The reading of the signals takes place via so-called echoes. The actual signal decay occurs much faster due to magnetic field inhomogeneities than the pure relaxation processes. They lead to an accelerated dephasing of the spins. This signal drop is also referred to as free induction decay (PID). By generating an echo signal, one achieves a signal decay independent of the inhomogeneities. The process is explained in Fig. 6.3. It can thus be seen that the spins initially rotated into the xy plane (step A) precede because of inhomogeneities with different angular velocities (Larmorfrcquenz.cn) and dephasing (steps B, C). By injecting a 1 8 () ° pulse, the spins are rotated 180 ° about the x axis, causing the faster spins to be behind the slower ones (step D) and catching up again (step E). This rephases the spins and provides a measurable signal, called an echo (step F). The signal drop of the echo maximum thus takes place only by the actual relaxation (green curve 45). These can now be used to determine the relaxation time.
Nachfolgend werden Gradienten und die Ortskodierung beschrieben. Um die Kemspinresonanz für die Medizin als Bildgebungsverfahren nutzen zu können, muss das gemessene Signal räumlich aufgelöst, einzelnen kleinen Regionen, sogenannten Voxeln, zuzuordnen sein. Dies geschieht über geschicktes Schalten von Magnetfeldgradienten, die dem statischen Bo-Feid überlagert werden. Wie anfangs erklärt, hängt die Lamorfrequenz von der Stärke des Magnetfeldes ab (Gleichung 2.1). Ein Gradient sorgt nun für eine Variation der Feldstärke entlang einer Achse, wodurch eine ortsabhängige Lamorfrequenz entsteht. Gradients and spatial encoding are described below. In order to be able to use nuclear magnetic resonance for medical purposes as an imaging method, the measured signal must be spatially resolved and assigned to individual small regions, so-called voxels. This is done by clever switching of magnetic field gradients, which are superimposed on the static Bo-Feid. As explained at the beginning, the Lamor frequency depends on the strength of the magnetic field (equation 2.1). A gradient now causes a variation of the field strength along an axis, whereby a location-dependent Lamor frequency arises.
Nachfolgend wird die Schichtanregung beschrieben. The layer excitation is described below.
Der Gradient Gz = eBz / dz sorgt für eine Zunahme der Feldstärke in /.-Richtung und verschiebt somit die Lamorfrequenz in jeder z- Ebene über coo = γι (Bö + Gz · z). Gleichung (2.3) Fig. 6.4 zeigt eine Schichtanregung. Der z Gradient in /.-Richtung regt eine dünne Schicht an, in der die Bedingung ω0 = (ÖL erfüllt ist. The gradient Gz = eBz / dz causes an increase of the field strength in the / direction and thus shifts the Lamor frequency in each z plane over coo = γι (Bo + Gz · z). Equation (2.3) Fig. 6.4 shows a layer excitation. The z gradient in / - direction excites a thin layer in which the condition ω 0 = (oil is satisfied.
Da ein Übergang zwischen den Energieniveaus nur stattfindet, wenn ein Hochfrequenzfeld eingestrahlt wird, das mit der nun ortsabhängigen Lamorfrequenz der Spins übereinstimmt, regt der 90°-PuIs also nur die Schicht an, in der die Bedingung ω0 = CÖL erfüllt ist (Fig. 6.4). Die Breite der Schicht hängt von der Stärke des Gradienten und der Bandbreite des Hochfrequenzpulses ab. Since a transition between the energy levels takes place only when a high-frequency field is irradiated, which coincides with the now location-dependent Lamorfrequenz the spins, the 90 ° -PuIs so only the layer in which the condition ω 0 = CÖL is satisfied (Fig. 6.4). The width of the layer depends on the strength of the gradient and the bandwidth of the radio-frequency pulse.
Nachfolgend wird die Phasenkodierung beschrieben. The phase coding will be described below.
Für die Kodierung in die y-Richtung wird ein Gradient Gy = <3By/öy für eine bestimmte Zeit Ty angelegt. Dieser vergrößert ortsabhängig die Lamorfrequenz CÖL = y(B0 + Gy y), so dass sich eine relative Phasendifferenz ΔΦ = yGy Ty Ay ergibt. Ay beschreibt dabei den Abstand zwischen den
verschiedenen Spin-Ensembies. Wird das Signal einer Schicht mit N verschiedenen, bekannten Gradienten gemessen, kann den N-Zeilen in y-Richtung deren Signalbeitrag zugeordnet werden. For the coding in the y direction, a gradient Gy = <3by / öy is applied for a certain time T y . This increases location-dependent the Lamorfrequenz CÖL = y (B 0 + G y y), so that there is a relative phase difference ΔΦ = yGy Ty Ay. Ay describes the distance between them different spin ensembles. If the signal of a layer with N different, known gradients is measured, the N-lines in the y-direction can be assigned their signal contribution.
Nachfolgend wird die Frequenzkodierung beschrieben. The following describes the frequency encoding.
Während des eigentlichen Auslesens des Signals wird ein dritter Gradient in x-Richtung Gx = cBx / <3x geschaltet. Somit sendet jedes Voxel mit einer anderen Frequenz COL(X) = γ(Β0 + Gx x) abhängig von der x-Position. Bei der Messung entsteht ein Frequenzspektrum, aus dem durch eine Fourier-Transformation den Voxeln in x-Richtung das Signal ihrer Frequenz wieder zugeordnet wird. During the actual readout of the signal, a third gradient is switched in the x-direction Gx = cBx / <3x. Thus, each voxel with a different frequency sends COL (X) = γ (Β 0 + G x x) depending on the x position. The measurement results in a frequency spectrum from which the signal of its frequency is reassigned to the voxels in the x-direction by means of a Fourier transformation.
Nachfolgend werden die Sequenzen beschrieben. The sequences are described below.
Die Schaltung von mehreren HF-Pulsen und Gradienten zur Erzeugung eines Bildes bezeichnet man als Sequenz. Im Folgenden werden zwei Sequenzen vorgestellt, die zur Bildgebung genutzt werden können. The circuit of several RF pulses and gradients for generating an image is called a sequence. In the following two sequences are presented, which can be used for imaging.
Nachfolgend wird die Spin-Echo-Sequenz beschrieben. The spin echo sequence is described below.
In Fig. 6.5 Teilbild a) ist die Schaltung einer Spin-Echo-Sequenz (SE-Sequenz) dargestellt. Mit Einstrahlen des 90°-Pulses findet durch den Ortskodierungsgradienten in /.-Richtung eine Schichtauswahl statt. Da der 180°-Puls auf das gesamte Probevolumen wirkt, wird während dieses ein weiterer Gradient in /.-Richtung zugeschaltet, um den Bereich auf die beim 90°- Puls ausgewählte Schicht zu beschränken. Zwischen dem 90°-Puls und dem 180°-Puls wird der Phasengradient in y-Richtung geschaltet. Für eine Aufnahme mit N Zeilen sind N Durchläufe mit verschiedenen Gradientenstärken notwendig. Während des Auslesens des Echo-Signals findet die Frequenzkodierung statt. Dazu wird ein Gradient in x-Richtung geschaltet. Dieser sorgt für unterschiedliche Frequenzen in jedem Voxel. Mit Hilfe einer Fourier-Analyse können die Signale aus verschiedenen Voxeln anhand ihrer Frequenz ihrer x-Position zugeordnet werden. FIG. 6.5, part a), shows the circuit of a spin echo sequence (SE sequence). Upon irradiation of the 90 ° pulse, a slice selection takes place by the spatial encoding gradient in the / direction. Since the 180 ° pulse acts on the entire sample volume, another gradient in the / direction is switched in during this, in order to restrict the range to the slice selected at the 90 ° pulse. Between the 90 ° pulse and the 180 ° pulse, the phase gradient is switched in the y direction. For a recording with N lines, N passes with different gradient strengths are necessary. During the reading of the echo signal, the frequency coding takes place. To do this, a gradient is switched in x-direction. This provides different frequencies in each voxel. By means of a Fourier analysis, the signals from different voxels can be assigned to their x-position on the basis of their frequency.
Zusammenfassend lässt sich gemäß vorhergehenden Ausführungen feststellen, dass Teilbild a) eine Spin-Echo-Sequenz somit im Detail zeigt, wobei während der 90° - und 180° -Pulse, die die Magnetisierung in die x-y- Ebene klappen bzw. für ein Echo sorgen, ein Gradient in /.-Richtung geschaltet wird, um eine Schicht auszuwählen. Für die Phasenkodierung wird vor dem 180°-Puls ein Gradient in y-Richtung angelegt. Eine Aufnahme mit N Zeilen bedarf N Durchlaufe mit unterschiedlichen Gradienten in y-Richtung. Während des Auslesens des Echo-Signals wird durch einen Gradienten in x-Richtung die Frequenz kodiert.
Teilbild b) zeigt: Um eine Bewegung innerhalb des untersuchten Volumens zu messen, werden symmetrisch um den 180° -Puls angeordnete Gradienten geschaltet, die dadurch eine ortsabhängige Dephasierung erzeugen. Hat eine Bewegung stattgefunden, kann der zweite Gradient die Dephasierung nicht vollständig aufheben, so dass eine Phasenänderung ΔΦ = yGe TB Ah proportional zu der Bewegungen entsteht. GB beschreibt die Gradientenstärke in Bewegungsrichtung, TB deren Einstrahldauer. Ah gibt die durch die Bewegung entstandene Positionsdifferenz an. In summary, it can be stated in accordance with the foregoing that sub-image a) thus shows a spin-echo sequence in detail, during which the magnetization collapses into the xy plane during the 90 ° and 180 ° pulses , a gradient is switched in /.- direction to select a layer. For the phase coding, a gradient in the y-direction is applied before the 180 ° pulse. An image with N lines requires N passes with different gradients in the y-direction. During the reading of the echo signal, the frequency is encoded by a gradient in the x direction. Partial image b) shows: In order to measure a movement within the examined volume, gradients are arranged symmetrically around the 180 ° pulse, which thereby generate a location-dependent dephasing. If a movement has taken place, the second gradient can not completely cancel the dephasing so that a phase change ΔΦ = yGe T B Ah arises proportional to the movements. GB describes the gradient strength in the direction of movement, TB their irradiation duration. Ah indicates the positional difference created by the movement.
Um Bewegungen im Messvolumen zu detektieren, können zwei zusätzliche, sogenannte bewegungssensitive Gradienten in Bewegungsrichtung geschaltet werden (Teilbild b) der Fig. 6.5). Das Prinzip geht auf die Methode der ersten Diffusionsmessungen zurück. Bei einer SE- Sequenz werden diese Gradienten symmetrisch um den 180°-Puls geschaltet. Der erste bewirkt wie die Phasenkodierungsgradienten eine ortsabhängige Phasenänderung entlang einer Achse. Der 180°-Puls dreht die Magnetisierung anschließend in die entgegengesetzte Richtung. Der zweite Gradient mit gleicher Polarität würde die Dephasierung komplett rückgängig machen, wenn sich das untersuchte Volumen nicht bewegt hat. Ändert sich jedoch zwischen den beiden Gradienten der Ort der Spins durch eine Bewegung im untersuchten Probevolumen, wird die Phasenverschiebung durch den zweiten Gradienten nicht vollständig rückgängig gemacht. Die dabei gemessene Phasenänderung Δ (Gleichung 2.4) ist proportional zur Positionsverschiebung Ah = hl - h2. GB beschreibt die Gradientenstärke in Bewegungsrichtung, TB deren Hinstrahldauer. In order to detect movements in the measuring volume, two additional, so-called motion-sensitive gradients can be switched in the direction of movement (partial image b) of FIG. 6.5). The principle is based on the method of the first diffusion measurements. In an SE sequence, these gradients are switched symmetrically around the 180 ° pulse. The first, like the phase encoding gradients, causes a location-dependent phase change along an axis. The 180 ° pulse then rotates the magnetization in the opposite direction. The second gradient with the same polarity would completely reverse the dephasing if the examined volume did not move. If, however, the location of the spins changes between the two gradients due to a movement in the examined sample volume, the phase shift is not completely reversed by the second gradient. The measured phase change Δ (equation 2.4) is proportional to the position shift Ah = hl - h2. GB describes the gradient strength in the direction of movement, TB its duration.
ΔΦ = yGn TB hi - yGß XB j. Gleichung (2.4) ΔΦ = yGn TB hi - yG β XB j. Equation (2.4)
Den so gemessenen und räumlich zugeordneten Signalamplituden und Phasenlagen werden anschließend Grauwerte zugewiesen, so dass aus den Amplituden ein Schnittbild erzeugt werden kann (Amplitudenbild), auf dem die Strukturen des untersuchten Volumens zu sehen sind. Aus den Phasen kann ein Schnittbild (Phasenbild) erzeugt werden, in dem die Bewegungen sichtbar gemacht werden. Gray values are then assigned to the signal amplitudes and phase positions thus measured and spatially assigned, so that a sectional image (amplitude image) can be generated from the amplitudes, on which the structures of the examined volume can be seen. From the phases, a sectional image (phase image) can be generated, in which the movements are made visible.
Nachfolgend wird die EPI-Sequenz beschrieben. The EPI sequence is described below.
Die echo planar imaging-Sequenz (EPI-Sequenz) ist eine der schnellsten Pulssequenzen, die in einem MRT zur Verfügung stehen und ist in Fig. 6.6 dargestellt. Sie unterscheidet sich hauptsächlich bei der Echoerzeugung von einer Spin-Echo-Sequenz. Dabei greift sie nicht auf einen 1 80°-Puls zurück, um die Spins zu rephasieren, sondern arbeitet mit Gradientenechos. Über einen Frequenzkodierungsgradienten in x-Richtung werden die Spins zuerst dephasiert,
Prephasierung genannt, um diese anschließend durch einen Gradienten in umgekehrter Richtung wieder zu rephasieren und somit das gewünschte Echo zu erzeugen. Durch die doppelte Einstrahldauer dieses Gradienten dient die zweite Hälfte wieder zur Prephasierung für einen weiteren Phasenkodierschritt. Mit zwischengeschalteten Phasenkodierungsgradienten in y- Richtung kann somit ein komplettes, 2-dimensionales Bild aus einer einmaligen Anregung erzeugt werden, da es zu einer ganzen Serie von Echos kommt. The echo planar imaging (EPI) sequence is one of the fastest pulse sequences available on an MRI and is shown in Figure 6.6. It differs mainly in the echo generation of a spin-echo sequence. She does not rely on a 1 80 ° pulse to rephase the spins, but works with gradient echoes. Via a frequency-encoding gradient in the x-direction, the spins are first dephased, Prephasing called, then rephasing this by a gradient in the opposite direction and thus to produce the desired echo. Due to the double irradiation time of this gradient, the second half again serves for prephasing for a further phase encoding step. With interposed phase encoding gradients in the y direction, a complete, 2-dimensional image can thus be generated from a single excitation, since a whole series of echoes occurs.
Fig. 6.6 zeigt im Detail ein vereinfachtes Schema einer bewegungssensitiven EPI-Sequenz. Bei der EPI-Sequenz werden die Spins durch Gradienten in x-Richtung erst pre- und anschließend rephasiert, um ein Echo zu erzeugen. Ein zwischengeschalteter Phasenkodierungsgradient in y- Richtung sorgt für die vollständige Erzeugung eines zweidimensionalen Bildes. Für die Bewegungssensitivität wird wie bei der SE-Sequenz ein 180° -Puls eingestrahlt, um den symmetrisch verteilt zwei Gradienten in Bewegungsrichtung liegen. Fig. 6.6 shows in detail a simplified scheme of a motion-sensitive EPI sequence. In the case of the EPI sequence, the spins are first pre-pregraded by gradients in the x direction and then rephased in order to produce an echo. An intermediate phase encoding gradient in the y direction provides for the complete generation of a two-dimensional image. As in the case of the SE sequence, a 180 ° pulse is radiated for the movement sensitivity around which symmetrically distributed two gradients lie in the direction of movement.
Um auch diese Sequenz bewegungssensitiv zu machen, wird vor der Pre- und Rephasierung auch hier wie bei der SE-Sequenz ein 180°-Puls mit den beiden symmetrisch um ihn liegenden Gradienten in Bewegungsrichtung eingestrahlt. In order to make this sequence sensitive to movement as well, a 180 ° pulse with the two gradients lying symmetrically around it is irradiated in the direction of movement before the pre- and rephasing, as in the SE sequence.
Wasser, das in Fettgewebe eingeschlossen ist, hat eine andere Lamorfrequenz, was als chemische Verschiebung bezeichnet wird. Dadurch kommt es bei der Bildgebung zu unerwünschten Strukturverschiebungen. Um diese zu vermeiden, da die chemische Verschiebung bei Fettgewebe zu große Auswirkungen hat, wird das Fettgewebe vor der eigentlichen Messung gesättigt. Die genaue Funktionsweise der Fettsättigung ist aus dem Stand der Technik oder der Fachliteratur bekannt. Water trapped in adipose tissue has a different Lamor frequency, which is called chemical shift. This leads to undesirable structural shifts in the imaging. To avoid this, since the chemical shift in fatty tissue has too great an effect, the fatty tissue is saturated before the actual measurement. The exact operation of fat saturation is known in the art or in the literature.
Nachfolgend werden die elastischen Eigenschaften des Gehirns beschrieben The following describes the elastic properties of the brain
Bei dem Gewebe des Gehirns handelt es sich um eine Substanz, die sowohl elastische Eigenschaften eines Festkörpers als auch viskose Eigenschaften einer Flüssigkeit aufweist. Sie wird als viskoelastisch bezeichnet und kann durch verschiedene Modelle beschrieben werden. Die Wissenschaft des Verhaltens elastischer, viskoser und plastischer Körper wird Rheologie genannt. The tissue of the brain is a substance that has both elastic properties of a solid and viscous properties of a liquid. It is called viscoelastic and can be described by different models. The science of the behavior of elastic, viscous and plastic bodies is called rheology.
Rein elastische Eigenschaften werden durch den Elastizitäts-Modul beschrieben. Der E-Modul ist über das Flookesche Gesetz definiert als E = σ / ε, also als Proportionalitätskonstante zwischen Spannung σ und Dehnung ε. Daraus ergibt sich ein Zusammenhang zwischen wirkender Kraft und Längenänderung über F oc E · AL.
In der Rheologie wird elastisches Verhalten durch eine Feder dargestellt (Fig. 6.7, Teilbild a)). Pure elastic properties are described by the elastic modulus. The modulus of elasticity is defined by the Flookesche law as E = σ / ε, ie as a proportionality constant between stress σ and strain ε. This results in a relationship between acting force and change in length over F oc E · AL. In rheology, elastic behavior is represented by a spring (FIG. 6.7, partial image a)).
Die viskosen Eigenschaften werden in der Rheologie durch ein Dämpfungsglied (Fig. 6.7 Teilbild a)) beschrieben. Die Dämpfung erfolgt aufgrund der Zähflüssigkeit des Fluids. The viscous properties are described in rheology by an attenuator (FIG. 6.7, partial image a)). The damping is due to the viscosity of the fluid.
Unbekannte Systeme, wie sie im Gehirn vorliegen, können formal durch Kombinationen von Federn und Dämpfern beschrieben und beliebig genau angenähert werden (Fig. 6.7 Teilbild b)). Dadurch werden sowohl die elastischen als auch viskosen Eigenschaften des Systems charakterisierbar. Unknown systems, such as those found in the brain, can be formally described by combinations of springs and dampers and approximated as arbitrarily as desired (Fig. 6.7, partial image b)). This characterizes both the elastic and viscous properties of the system.
In Fig. 6.7 sind einige Rheologische Modelle dargestellt. In Fig. 6.7 some rheological models are shown.
Zu Teilbild a) der Fig. 6.7: Feder und Dämpfer stellen gemäß vorhergehenden Ausführungen Grundelemente in der Rheologie dar und beschreiben elastisches und viskoses Verhalten. To part of a) of Fig. 6.7: spring and damper are in accordance with previous explanations basic elements in the rheology and describe elastic and viscous behavior.
Zu Teilbild b) der Fig. 6.7: Unbekannte Systeme weisen meist mehr als nur ein Verhalten auf.To sub-image b) of Fig. 6.7: Unknown systems usually have more than one behavior.
Durch Kombinationen von Federn und Dämpfern können komplexere Eigenschaften, wie sie z.B. im Gehirn vorliegen, beliebig genau angenähert und somit charakterisiert werden. Dargestellt sind in Fig. 6.7 Teilbild b) grundlegende Kombinationen aus der Rheologie, das heißt einfache Standardmodelle der Rheologie. By combinations of springs and dampers, more complex properties, such as e.g. present in the brain, approximated as closely as possible and thus characterized. Shown in FIG. 6.7 is partial image b) basic combinations of rheology, ie simple standard models of rheology.
Die bekannten Methoden Rheologische Messungen und Magnet-Resonanz-Elastographie wurden vorhergehend schon im allgemeinen Teil im Detail beschrieben. The known methods rheological measurements and magnetic resonance elastography were previously described in detail in the general section.
Nachfolgend werden folglich die erfindungsgemäße Methode und die zugehörigen Systeme im Detail dargestellt. In Fig. 7.1 Teilbild a) ist das Prinzip der erfindungsgemäßen Methode schematisch dargestellt und noch weiter ausgeführt. Innerhalb der Empfangsspule eines MRT wird der Kopf K um einige Millimeter angehoben (obere Position). In diesem Zustand befinden sich das Gehirn G und der Schädelknochen in einem Gleichgewicht. Anschließend wird der Kopf K fallengelassen (untere Position). Dadurch kommt es zu einer Störung des Kräftegleichgewichts, viskoelastisch gelagerte Gewebestrukturen im Gehirn G bewegen sich relativ zum Schädelknochen. Trifft der harte Schädelknochen wieder unten auf, kommt er viel schneller zur Ruhe als der weiche Kern, das Gehirn G. Dieses kriecht abhängig von den viskoelastischen Eigenschaften nach. Dabei kann verschiedenartiges Gewebe unterschiedliches Verhalten aufweisen, welches durch die Messung der Bewegung mittels des MRT aufgezeichnet wird.
Fig. 7.1 Teilbild b) zeigt den zeitlichen Ablauf. Zum Zeitpunkt U ist der Kopf K angehoben und in einem Gleichgewichtszustand. Dann wird er fallen gelassen, wobei der harte Schädelknochen (blau, Kurve 3) zuerst aufkommt und sich relativ schnell wieder in Ruhe befindet (t2). Die weichen Hirnregionen folgen der Bewegung verzögert, abhängig von deren viskoelastischen Eigenschaften, verzögert, während synchron eine bewegungssensitive Sequenz gestartet wird. Diese stellt, abhängig vom Zeitpunkt der zusätzlichen Gradienten in Bewegungsrichtung (t3), unterschiedliches Verhalten verschiedener Gewebestrukturen in einem Phasenbild dar (grüne Kurve 10 und rote Kurve 4). Subsequently, the method according to the invention and the associated systems are consequently presented in detail. In Fig. 7.1 partial image a), the principle of the method according to the invention is shown schematically and further elaborated. Within the receiving coil of an MRI, the head K is raised by a few millimeters (upper position). In this condition, the brain G and the skull bone are in balance. Subsequently, the head K is dropped (lower position). This results in a disruption of the balance of forces, viscoelastic stored tissue structures in the brain G move relative to the skull bone. If the hard skull bones down again, it settles much faster than the soft core, the brain G. This creeps depending on the viscoelastic properties. In this case, different types of tissue can exhibit different behavior, which is recorded by the measurement of the movement by means of the MRI. Fig. 7.1 sub-picture b) shows the timing. At time U, the head K is raised and in an equilibrium state. Then it is dropped, with the hard skull bone (blue, curve 3) coming up first and resting relatively quickly (t 2 ). The soft brain regions follow the delayed motion, depending on their viscoelastic properties, delayed while synchronously initiating a motion-sensitive sequence. This represents, depending on the time of the additional gradients in the direction of movement (t 3 ), different behavior of different tissue structures in a phase image (green curve 10 and red curve 4).
Zusammenfassend lässt sich also feststellen, dass Fig. 7.1 somit im Detail das Prinzip der MR- Rheologie zeigt, wobei zu Anfang einer Messung gemäß vorhergehenden Ausführungen sich der Kopf angehoben in einem Gleichgewichtszustand befindet. Anschließend wird der Kopf fallen gelassen, wobei sich der Schädelknochen nach dem Auftreffen wegen seiner Härte und der damit verbundenen Dämpfung wieder relativ schnell in Ruhe befindet. Gewebesegmente mit unterschiedlichen, viskoelastischen Eigenschaften, dargestellt durch zwei unterschiedliche Federn und Dämpfer, folgen der Fallbewegung mit unterschiedlichem Absenkverhalten. In summary, it can thus be stated that FIG. 7.1 thus shows in detail the principle of MR rheology, wherein at the beginning of a measurement according to the preceding embodiments, the head raised is in an equilibrium state. Subsequently, the head is dropped, whereby the skull bone is again relatively quiet after striking because of its hardness and the associated damping. Tissue segments with different viscoelastic properties, represented by two different springs and dampers, follow the fall movement with different lowering behavior.
Teilbild b) zeigt somit gemäß vorhergehenden Ausführungen die Darstellung des zeitlichen Ablaufs. Der sich in einem Gleichgewichtszustand (ti) befindliche, angehobene Kopf K wird aus geringer Höhe (Distanz d) fallen gelassen (t2), wobei der harte Schädelknochen zuerst aufkommt und sich relativ schnell wieder in Ruhelage befindet (blaue Kurve, 3). Dazu verzögert wird eine bewegungssensitive Sequenz (z.B. EPI-Sequenz) gestartet, die die Bewegung Ah der Gewebesegmente während dieser Zeitspanne in einem Phasenbild sichtbar macht. Unterschiedliche, viskoelastische Eigenschaften (rote Kurve 4 / grüne Kurve 10) können somit erkannt werden. Zum Zeitpunkt (t3) werden die dafür nötigen, zusätzlichen Gradienten in Bewegungsrichtung geschaltet. Eine alternative Vorgehens weise der Methode ist in der Fig. 7.2 dargestellt, die in iliren oberen Teilbildern a) und b) die Fig. 7.1 wiedergibt, weshalb insofern auf die vorhergehende Beschreibung zur Fig. 7.1 verwiesen wird. Partial image b) thus shows the representation of the time sequence according to the preceding statements. The raised head K, which is in an equilibrium state (ti), is dropped from a small height (distance d) (t 2 ), the hard skull bone coming up first and resting relatively quickly (blue curve, 3). Delayed a motion-sensitive sequence (eg EPI sequence) is started, which makes the movement Ah of the tissue segments during this period in a phase image visible. Different, viscoelastic properties (red curve 4 / green curve 10) can thus be recognized. At time (t 3 ), the necessary additional gradients are switched in the direction of movement. An alternative approach, the method method is shown in FIG. 7.2, which reproduces in Fig. 7.1, upper partial images a) and b), which is why in this respect reference is made to the preceding description for Fig. 7.1.
Im Teilbild c) der Fig. 7.2 ist nun die alternative Vorgehensweise beschrieben, wobei in der Fig. 7.2 angegebene Bezugszeichen sich auf die gleichen Kurven oder Elemente beziehen, wie sie in der Beschreibung zur Fig. 7.1 angegeben sind, sofern die Bezugszeichen identisch sind.
Wie zur Fig. 7.1 vorhergehend beschrieben, besteht das Prinzip der„MR-Rheologie" darin, eine Relaxationsbewegung des Gehirns G, ausgelöst durch einen Fall aus geringer Höhe, aufzuzeichnen mittels bewegungsempfindlicher Magnetresonanztomographie MR. The alternative procedure is now described in sub-diagram c) of FIG. 7.2, wherein reference numerals indicated in FIG. 7.2 relate to the same curves or elements as are given in the description for FIG. 7.1, provided the reference numerals are identical. As previously described with reference to FIG. 7.1, the principle of "MR rheology" is to record a relaxation movement of the brain G, triggered by a case of low altitude, by means of motion-sensitive magnetic resonance tomography MR.
Bei der alternativen Vorgehensweise gemäß Fig. 7.2 wird der Kopf K mit der im Zusammenhang mit den Fig. 10 bis 13 beschriebenen Apparatur oder Vorrichtung pneumatisch angehoben und zeitgesteuert abgesenkt. Der harte Schädel K folgt der Bewegung instantan, das Gehini G wird eine gewisse Zeit nachkriechen. In the alternative procedure according to FIG. 7.2, the head K is pneumatically lifted and lowered in a time-controlled manner by means of the apparatus or device described in connection with FIGS. 10 to 13. The hard skull K follows the movement instantaneously, the Gehini G will crawl for a while.
Bei der Vorgehensweise gemäß Fig. 7.1 wird der Zeitpunkt des Absenkens derart gewählt, dass der Schädel zeitlich vor dem 9()°-Anregungspuls der MR-Sequenz (Magnetresonanz-Sequenz) in der unteren Position (Zeitpunkt t2, mittleres Teilbild des Teilbildes a) der Fig. 7.1 und Kurve 3 in Fig. 7.1 b) (Teilbild b) der Fig. 7.1)) angekommen ist. Die nachfolgenden bewegungsempfindlichen Gradienten zeichnen dann unterschiedliches Relaxationsverhalten des Gehirns G auf. Es tritt somit eine Ortskodierung durch die Gradienten auf, die in Beziehung zur untersuchten Schicht/Ebene des Gehirns steht. Mit dem so gewählten Fallzeitpunkt wird der letzte Teil der Relaxationskurve untersucht. D.h. es wird die Fragestellung „wie endet die Bewegung" beleuchtet. Dabei kann mittels der beiden in Figur 7.1 dargestellten vertikalen magenetischen Geldgradienten die Höhendifferenz zwischen den beiden Gradienten Pulsen jedes Volumenelementes als Bildkontrast dargestellt werden. Die räumliche Auflösung ist bestimmt durch die räumliche Auflösung des Kernspintomographen, beispielsweise 1 ,5 mm Auflösung. Dabei ist ein gemessener Grauwert die Höhendifferenz zwischen den beiden Magnetfeldgradienten. Ein konstanter Grauwert bedeutet, dass sich das Gehirn zwischen den beiden Magentfeldgradienten nicht bewegt. In the procedure according to FIG. 7.1, the time of lowering is selected such that the cranium is timed before the 9 () ° excitation pulse of the MR sequence (magnetic resonance sequence) in the lower position (time t 2 , middle partial image of the partial image a ) of FIG. 7.1 and curve 3 in FIG. 7.1b) (partial image b) of FIG. 7.1)). The subsequent movement-sensitive gradients then record different relaxation behavior of the brain G. Thus, a spatial encoding occurs through the gradients related to the examined slice / plane of the brain. With the chosen fall time the last part of the relaxation curve is examined. In this case, the question of "how does the movement end" is illuminated, in which the height difference between the two gradient pulses of each volume element can be represented as image contrast by means of the two vertical gradient financial gradients shown in Figure 7.1 The spatial resolution is determined by the spatial resolution of the magnetic resonance tomograph , for example, 1, 5 mm resolution, where a measured gray value is the height difference between the two magnetic field gradients, and a constant gray value means that the brain does not move between the two magenta field gradients.
Bei der Vorgehensweise gemäß Fig. 7.2 wird nun der Fallzeitpunkt derart gewählt, dass der Absenkpunkt erst nach dem 1 80°-Puls 8b und nach dem ersten Gradienten 9a stattfindet (Abfall der Kurve 3 in Teilbild c) der Fig. 7.2). Damit wird zwar die gleiche Relaxationskurve untersucht, das heißt es wird betrachtet, wie das Gehirn G auf den Fall reagiert und sich von „oben" nach „unten" bewegt, jedoch wird nun der Anfang der Bewegung („wie startet die Bewegung") beobachtet. Damit lassen sich andere Eigenschaften abbilden, als mit der Vorgehensweise gemäß Fig. 7.1 . Weiterhin sind aber die elastischen Eigenschaften des Gehirns meßbar und darstellbar. Ferner wird die Synchronisation verbessert. Der meßtechnische Vorteil bei Untersuchung zu Beginn freien Falles ist, dass die Messungen relativ unabhängig von den mechanischen Schwingungen im Tomographen und vor allem von der Patientenliege sind.
Mitteis des Ausführungsbeispiels nach Fig. 7.2 ist es somit möglich, unmittelbar die Beschleunigung des Gehirns am Beginn des freien Falls aufzunehmen bzw. in diese reinzuschauen. In the procedure according to FIG. 7.2, the fall time is selected such that the lowering point takes place only after the 1 80 ° pulse 8b and after the first gradient 9a (drop of the curve 3 in partial image c) of FIG. 7.2). This examines the same relaxation curve, that is, it looks at how the brain G reacts to the fall and moves from "above" to "below", but now the beginning of the movement ("how does the movement start") is observed In addition, the elastic properties of the brain can be measured and represented, and the synchronization is improved. <br/><br/> The technical advantage of the examination at the beginning of free fall is that the measurements are relative are independent of the mechanical vibrations in the tomograph and especially of the patient bed. Mitteis the embodiment of FIG. 7.2, it is thus possible to directly absorb the acceleration of the brain at the beginning of the free fall or to look into this.
Femer sind in den Fig. 7.1 und Fig. 7.2 eine weitere Feder Γ, ein weiterer Dämpfer 2' und ein weiteres Element 5' an anderer Stelle im Kopf K dargestellt. Furthermore, another spring Γ, a further damper 2 ' and a further element 5 ' are shown elsewhere in the head K in FIGS. 7.1 and 7.2.
Des Weiteren erfolgt das Absenken des Kopfes gemäß Fig. 7.1 und Fig. 7.2 bevorzugt mittels einer Hubbewegung um die Distanz d. Furthermore, the lowering of the head according to FIG. 7.1 and FIG. 7.2 preferably takes place by means of a stroke movement by the distance d.
Mittels der Verfahren dargestellt in Fig. 7.1 und Fig. 7.2 ist der innere Spannungszustand innerhalb von Schädelknochen darstellbar. Nachfolgend wird der Aufbau des erfindungsgemäßen Systems gemäß vorhergehendenBy means of the method illustrated in FIG. 7.1 and FIG. 7.2, the internal stress state can be represented within cranial bones. Hereinafter, the structure of the system according to the invention according to the preceding
Ausführungen mit Bezug auf die Variante in den Fig. 7.1 und 7.2 beschrieben. Embodiments described with reference to the variant in Figs. 7.1 and 7.2.
Um die im vorhergehenden Kapitel vorgestellte Messmethode technisch zu realisieren, bedarf es mehrerer Bauteile, die im Folgenden einzeln beschrieben werden. Dazu gehört insbesondere eine passende Mechanik, auf der der Kopf aufliegen kann und die es ermöglicht, einen Hebe- und Senkvorgang des Kopfes kontrolliert im MRT, auszuführen. Die Bewegung wird pneumatisch erzeugt, anliegender Überdruck entspricht dabei der oberen Position, Unterdruck entsprechend der unteren. Durch Drosselventile kann die genaue Bewegungsform in beide Richtungen eingestellt werden. In order to technically realize the measuring method presented in the previous chapter, several components are required, which are described individually below. This includes in particular a suitable mechanism on which the head can rest and which makes it possible to perform a lifting and lowering of the head controlled in the MRI. The movement is generated pneumatically, applied overpressure corresponds to the upper position, negative pressure corresponding to the lower. Through throttle valves, the exact shape of movement can be adjusted in both directions.
Nachfolgend wird zunächst die Pneumatik beschrieben. Über- und Unterdrück werden von einer Membranpumpe 1 1 (vaeuubrand MZ 2T) gemäß Fig. 5 bereitgestellt. Über daran angeschlossene Kunststoffschläuche werden zwei Vorratsbehälter 12a, 12b mit einem Volumen von je circa 15 Liter auf einen Überdruck von 20 kPa bzw. Unterdruck von -25 kPa gegenüber dem Umgebungsdruck gebracht. Über mechanische Druckregelventile 13a, 13b sind die Drücke einstellbar und können an Manometern abgelesen werden. Um die Hebe- und Senkgeschwindigkeit zu steuern, sind Druck- und Saugseite mit Drosselventilen 15a, 15b ausgestattet, die manuell eingestellt werden können. Ein elektro-pneumatisches Schaltventil 14 (Leybold) ermöglicht die Schaltung von Über- auf Unterdrück. Dessen elektrische Steuerung wird nachfolgend erklärt. Druck- und Saugseite verlaufen anschließend über eine gemeinsame Zuleitung (Gummischlauch 16) vom Kontrollraum 18 zum MRT-Raum 17 mit dem MRT 19. Nachfolgend wird die Hebe- und Senkvorrichtung 22 beschrieben.
Ein Y-Splitter im MRT-Raum 17 gemäß Fig. 5 teilt die gemeinsame Zuleitung auf zwei Schläuche 21a, 21b auf, welche an der Hebe- und Senkvorrichtung 22 eingesteckt werden können (Fig. 10, Fig. 12, Fig. 13). Die Vorrichtung ist derart konstruiert, dass sie in der Kopfspule des Tomographen (Head Matrix Coil; Siemens Medical Solutions) exakt platziert werden kann. Subsequently, the pneumatic will be described first. Overpressure and depression are provided by a diaphragm pump 11 (vaeuubrand MZ 2T) according to FIG. 5. About connected plastic hoses two reservoir 12a, 12b are brought with a volume of approximately 15 liters to an overpressure of 20 kPa or negative pressure of -25 kPa compared to the ambient pressure. By mechanical pressure control valves 13a, 13b, the pressures are adjustable and can be read on manometers. To control the lifting and lowering speeds, the pressure and suction sides are equipped with throttle valves 15a, 15b, which can be adjusted manually. An electro-pneumatic switching valve 14 (Leybold) allows switching from positive to negative. Its electrical control will be explained below. The pressure and suction sides then run via a common supply line (rubber hose 16) from the control room 18 to the MRT room 17 with the MRT 19. Hereinafter, the lifting and lowering device 22 will be described. A Y splitter in the MRT room 17 according to FIG. 5 divides the common feed line into two tubes 21a, 21b, which can be plugged into the lifting and lowering device 22 (FIGS. 10, 12, 13). The device is designed so that it can be accurately placed in the head coil of the tomograph (Siemens Medical Solutions).
Ein Teil dieser, im Folgenden als Auflage 23 bezeichnet, dient als Halterung für darin eingelassene Gummi schlauche 21a, 21b, die an die Pneumatik angeschlossen sind. A part of this, hereinafter referred to as a support 23, serves as a holder for recessed rubber hose 21 a, 21 b, which are connected to the pneumatics.
Der andere Teil, im Folgenden als Halbring 24 bezeichnet, ist mit der Auflage 23 verbunden, sorgt für einen sicheren Halt aller Bauteile und beinhaltet, neben der Anschlussmöglichkeit für die von dem Y-Splitter kommenden Schläuche 20a, 20b, noch zwei Kolben 25a, 25b. Diese sind ebenfalls mit der Pneumatik verbunden und in ihnen ist auf der oberen Seite ein Konus eingelassen. The other part, hereinafter referred to as half ring 24 is connected to the support 23, ensures a secure fit of all components and includes, in addition to the possibility to connect for the coming of the Y-splitter tubes 20a, 20b, two pistons 25a, 25b , These are also connected to the pneumatic and in them a cone is embedded on the upper side.
Bei anliegendem Überdruck werden die Gummischläuche 21 a, 21b aufgepumpt und die Kolben 25a, 25b nach oben gedrückt. Dadurch kann eine darauf aufliegende Schale 26 an drei verschiedenen Punkten angehoben werden, bis sie die obere Position erreicht. When applied overpressure, the rubber tubes 21 a, 21 b are inflated and the piston 25 a, 25 b pressed upwards. As a result, a shell 26 resting thereon can be raised at three different points until it reaches the upper position.
Fig. 13 zeigt im Detail eine Auflage 23 und Haibring 24 bestehend aus Polyoxymethylen. Die Auflage 23 ist an die Kopfspule des Tomographen angepasst. Der damit verbundene Halbring 24 dient zur Fixierung der Auflage 23 und beinhaltet die Anschlüsse der Pneumatik. An diese sind zwei Kolben 25a, 25b im Halbring 24 angeschlossen, um den halsnahen Teil der Schale 26 zu führen. Die in die Auflage 23 hineingelassen Gummischläuche 21a, 21b sind an dieselbe Pneumatik angeschlossen und können aufgepumpt und evakuiert werden. FIG. 13 shows in detail a support 23 and a hollow ring 24 consisting of polyoxymethylene. The support 23 is adapted to the head coil of the scanner. The associated half-ring 24 serves to fix the support 23 and includes the connections of the pneumatics. To these two pistons 25a, 25b are connected in the half-ring 24 to guide the neck-near part of the shell 26. The rubber hoses 21a, 21b let into the support 23 are connected to the same pneumatics and can be inflated and evacuated.
Die Schale 26 besteht aus einem Sandwichlaminat aus aramidverstärktem Kunststoff. Dafür wurde eine 3 Millimeter dicke Aramid-Wabe (Kevlar® -Wabe) von ungefähr ein Millimeter dicken Laminaten aus Aramid-Gewebe (Kevlar® -Gewebe) und Epoxydharz umschlossen. Um ihr die nötige Form zu geben, wurde sie in einer passenden Aluminium-Form hergestellt.The shell 26 consists of a sandwich laminate of aramid-reinforced plastic. For this purpose, a 3 mm thick aramid honeycomb (Kevlar® honeycomb) of approximately one millimeter thick laminates of aramid fabric (Kevlar® fabric) and epoxy resin was enclosed. To give it the necessary shape, it was made in a matching aluminum mold.
Die Schale 26 ist zusammen mit der Auflage 23 und dem Halbring 24 in Fig. 10 und Fig. 1 1 sowie Fig. 12 dargestellt. The shell 26 is shown together with the support 23 and the half ring 24 in Fig. 10 and Fig. 1 1 and Fig. 12.
An den Positionen 27a, 27b, an denen sie jeweils über die Kolben 25a, 25b ragt, sind auf der Unterseite Kegel montiert, die in die eingelassenen Konus der Kolben 25a, 25b passen. Dadurch liegt die Schale 26 au den Schläuchen 21 a. 21 b und den Kolben auf. so dass
Rotationsbewegungen und Verwmdungen nahezu ausgeschlossen sind. Des Weiteren beeinflussen diese Materialien die Bildgebung im Tomographen nicht und sind extrem leicht. At the positions 27a, 27b, where it projects beyond the pistons 25a, 25b, cones are mounted on the underside, which fit into the recessed cone of the pistons 25a, 25b. As a result, the shell 26 is located on the tubes 21 a. 21 b and the piston on. so that Rotational movements and Verwmdungen are almost impossible. Furthermore, these materials do not affect tomographic imaging and are extremely lightweight.
Mittels Anschlägen 28a, 28b sind die Fixierelemente 27a, 27b auf den Kolben 25a, 25b gegen ein Abrutschen von den Kolben 25a, 25b und/oder dem Halbring 24 und/oder der Auflage 23 gesichert gehalten. By means of stops 28a, 28b, the fixing elements 27a, 27b are kept secured on the pistons 25a, 25b against slipping off of the pistons 25a, 25b and / or the half-ring 24 and / or the support 23.
Die Umsetzung des Aufbaus mit Hilfe dieser Schale 26 spielt eine wichtige Rolle, da für den freien Fall ein System benötigt wird, was frei von äußeren Einflüssen wie Reibung und Sogkraft ist. Wird nun also die Pneumatik auf Unterdrück geschaltet, werden die Pneumatikanschlüsse 20a, 20b (Schläuche) entleert und die Kolben 25a, 25b nach unten gesogen. Dies passiert schnell genug, so dass die Schale 26 den direkten Kontakt zu diesen Teilen verliert. Somit ist gewährleistet, dass die Schale 26 und der darauf aufliegende Kopf frei fallen können. Der in die Kolben 25a, 25b eingelassene Konus und die an der Schale 26 montierten Kegel stellen sicher, dass sich die Schale 26 nach jedem Fall unten zentriert und sich somit immer an derselben Position befindet. Da sich auch der Kopf beim Aufprall nicht bewegen darf, liegt er auf einem Vakuumkissen (MR-Standardzubehör; Siemens Medical Solutions) auf. Dieses ist mit kleinen Styroporktigeln gefüllt und lässt sich an einem Unterdruckanschluss des Tomographen evakuieren. Dadurch werden die Styroporkugeln zusammengezogen, so dass das Kissen eine passgenaue Verbindung zwischen Kopf und der breiteren Schale 26 bildet. Somit sorgt es für die nötige Stabilität des Kopfes. The implementation of the construction by means of this shell 26 plays an important role, since a system is needed for the free fall, which is free from external influences such as friction and suction force. So now, if the pneumatics switched to suppression, the pneumatic ports 20a, 20b (hoses) are emptied and the piston 25a, 25b sucked down. This happens fast enough so that the shell 26 loses direct contact with these parts. This ensures that the shell 26 and the head resting thereon can fall freely. The cone embedded in the pistons 25a, 25b and the cones mounted on the shell 26 ensure that the shell 26 is centered at the bottom after each fall and thus always at the same position. Since the head must not move during the impact, it rests on a vacuum pad (standard MR accessory, Siemens Medical Solutions). This is filled with small Styrofoam hedgehogs and can be evacuated at a vacuum port of the scanner. As a result, the styrofoam balls are contracted, so that the cushion forms a precisely fitting connection between the head and the wider shell 26. Thus, it provides the necessary stability of the head.
Um den Hub der Schale 26 nach oben zu begrenzen sind seitlich an den Halbring 24 und am kopfseitigen Ende der Auflage 23 Anschläge 28a, 28b gemäß Fig. 10 angebracht. Die beidenIn order to limit the stroke of the shell 26 upwards 23 stops 28a, 28b as shown in FIG. 10 are laterally attached to the half-ring 24 and at the head end of the support. The two
Anschläge 28a, 28b am Halbring 24 sind in Winkelform montiert und ragen dort rechts und links über die Schale 26. Eine daran angebrachte Nylonschraube 29a, 29b ist von oben gegen die Schale 26 geschraubt und beschränkt den Hub somit auf eine einstellbare Höhe. Der Anschlag, der an der Auflage montiert ist, ist ebenfalls winkelförmig. Der Hub wird hier durch verschiedene, festschraubbare Stücke unterschiedlicher Dicke begrenzt. Stops 28a, 28b on the half ring 24 are mounted in angled form and protrude there right and left on the shell 26. An attached nylon screw 29a, 29b is screwed from above against the shell 26 and thus limits the stroke to an adjustable height. The stop, which is mounted on the support, is also angular. The stroke is limited here by different, festschraubbare pieces of different thickness.
Mit Ausnahme der Schale 26 sind sämtliche Bauteile der oben vorgestellten Vorrichtung 22 aus Polyoxymethylen (POM) gefertigt. Dieses erfüllt alle an die Vorrichtung 22 gestellten Anforderungen, insbesondere die, dass es sich im MRT 1 störungsfrei verwenden lässt. With the exception of the shell 26, all components of the device 22 presented above are made of polyoxymethylene (POM). This fulfills all requirements placed on the device 22, in particular that it can be used without interference in the MRI 1.
Fig. 10 zeigt im Detail eine aramidverstärkte Kunstoffschale. Die Aramid-Wabe (Kevlar® - Wabe) und ein Laminat aus Kevlar® -Gewebe und Epoxydharz bilden ein extrem leichtes aber
stabiles, Mangetresonan -taugliches Konstrukt. Auf diesem wird der Kopf mit einem Vakuumkissen fixiert, so dass ungewollte Bewegungen minimiert werden und der Kopf angehoben und abgesenkt werden kann. Fig. 10 shows in detail an aramid reinforced plastic shell. The aramid honeycomb (Kevlar® honeycomb) and a laminate of Kevlar® fabric and epoxy resin form an extremely lightweight but stable, mangetresonan-suitable construct. On this, the head is fixed with a vacuum pad, so that unwanted movements can be minimized and the head can be raised and lowered.
Nachfolgend wird im Detail die optische Überwachung beschrieben. Um die Position der Schale zeitlich zu überwachen besitzt die Hebe- und Senkvorrichtung 22 eine optische Überwachung. Das Licht von drei Leuchtdioden 30a, 30b, 30c wird überThe optical monitoring will be described in detail below. In order to monitor the position of the shell in time, the lifting and lowering device 22 has an optical monitoring. The light from three LEDs 30a, 30b, 30c is over
Lichtleiter 31a, 31b, 31c an die Hebe- und Senkvorrichtung 22 gemäß Fig. 5 geleitet. Jeweils ein Lichtleiter geht an die Anschläge am Halbring 24. Dort werden sie in eine Halterung eingesteckt, deren Ausgang mit einem Plexiglaskeil verbunden ist. Dieser weitet das Lichtsignal auf, so dass eine größere Signalfläche in Hubrichtung erreicht wird. In 2 mm Entfernung befindet sich ein weiterer Keil, der das Licht wieder einfängt. An der Schale 26 ist jedoch eine Blende montiert, die so angebracht ist, dass sie genau zwischen die beiden Keile ragt. Je nach Position der Schale 26 wird dadurch unterschiedlich viel Licht abgeblendet. Am dritten Anschlag werden aus Platzgründen lediglich zwei Lichtleiter aneinander vorbeigeführt. Abhängig von der Lage dieser zueinander, wird mehr oder weniger Licht übertragen. Das in den Keilen bzw. im Lichtleiter aufgefangene Licht wird zurück in den. Kontrollraum geleitet, wo die Signalstärke durch an ein Oszilloskop 32 angeschlossene Photodioden 33a, 33b, 33c sichtbar gemacht wird. Somit kann die Position der Schale 26 an jeder der drei Steilen überwacht werden. Optical fiber 31a, 31b, 31c to the lifting and lowering device 22 shown in FIG. 5 passed. In each case a light guide goes to the stops on the half-ring 24. There, they are plugged into a holder whose output is connected to a Plexiglas wedge. This expands the light signal so that a larger signal area in the stroke direction is achieved. At a distance of 2 mm there is another wedge that recaptures the light. On the shell 26, however, a shutter is mounted, which is mounted so that it protrudes exactly between the two wedges. Depending on the position of the shell 26 is dimmed by different amounts of light. For reasons of space, only two light guides are guided past one another on the third stop. Depending on the position of each other, more or less light is transmitted. The light collected in the wedges or in the light guide is returned to the. Directed control room, where the signal strength is made visible by connected to an oscilloscope 32 photodiodes 33a, 33b, 33c. Thus, the position of the tray 26 can be monitored at each of the three locations.
Die Leuchtdioden 30a bis 30c werden über einen Frequenzgenerator 34 (Voltcraft FG-506) bei einer Frequenz von ca. 30 kHz betrieben. Somit können bei Bedarf, durch ein dem Oszilloskop 32 vorgeschalteten Bandpass, unerwünschte Frequenzen anderer Leuchtquellen herausgefiltert werden. The light-emitting diodes 30a to 30c are operated via a frequency generator 34 (Voltcraft FG-506) at a frequency of approximately 30 kHz. Thus, if necessary, by a Oscilloscope 32 upstream bandpass unwanted frequencies of other light sources can be filtered out.
Diese Positionsüberwachung ermöglicht eine zeitliche Anpassung des Fallvorgangs an eine Aufnahmesequenz, was im nachfolgenden Abschnitt erklärt wird. Nachfolgend wird im Detail zunächst die Elektronik beschrieben. This position monitoring allows a time adjustment of the fall process to a recording sequence, which is explained in the following section. The electronics will be described in detail below.
Die vorhergehend erklärten Sequenzen können in einem zeitlich einstellbaren Abstand TR beliebig oft wiederholt werden. Die zeitlich präzise Steuerung des Schaltventils zur Koordination des Hebe- und Senkvorgangs wird über die hier vorgestellte Elektronik mit den HF- Pulsen des Tomographen synchronisiert. Die HF-Pulse werden gemäß Fig. 5 über eine HF-Antenne 35, welche im MRT-Raum 17 angebracht ist, empfangen und anschließend in einem Verstärker (EG&G ORTEC Model
AN302/NL) verstärkt und in einen Steueipuls umgewandelt. Da der Fallvorgang der Schale in einer Variante vor dem 90°-Puls des Tomographen abgeschlossen sein soll, kann über einen digitalen Delay Generator (BNC Model 7020) eine beliebig lange Verzögerung eingestellt werden, so dass Schale 26 und Kopf K kurz vor dem nächsten 9Ö°-Puis unten auftreffen. Der verzögerte Steuerpuls wird auf ein elektronisches Relais gegeben, welches das Schaltventil 14 öffnet. Die HF-Pulse werden ebenfalls auf dem Oszilloskop 32 sichtbar gemacht werden. Alle diese Elemente/Bauteile sind Bestandteil der„Logik" 36, sofern sie nicht konkret oder explizit in Fig. 5 dargestellt sind. Die Logik 36 ist Teil der elektrischen Bauteile 42. The previously explained sequences can be repeated as often as desired in a time-adjustable distance TR. The timely precise control of the switching valve for coordinating the raising and lowering operation is synchronized with the HF pulses of the tomograph via the electronics presented here. The RF pulses are received as shown in FIG. 5 via an RF antenna 35, which is mounted in the MRT room 17, and then in an amplifier (EG & G ORTEC Model AN302 / NL) and converted into a control pulse. Since the falling process of the shell is to be completed in a variant before the 90 ° pulse of the tomograph, a delay of any length can be set via a digital delay generator (BNC Model 7020) so that shell 26 and head K arrive shortly before the next 9th ° -puis hit down. The delayed control pulse is applied to an electronic relay which opens the switching valve 14. The RF pulses will also be made visible on the oscilloscope 32. All these elements / components are part of the "logic" 36, unless they are specifically or explicitly shown in Fig. 5. The logic 36 is part of the electrical components 42nd
Nachfolgend werden Sicherheitsüberlegungen dargestellt. Die in dem MRT stattfindende Untersuchung ist für den menschlichen Körper ungefährlich. Die auf den Organismus wirkenden Magnetfelder sind unbedenklich. Da der Fall senkrecht zum statischen Magnetfeld stattfindet und die Gradienten erst nach dem freien Fall geschaltet werden, kann es zu keinen Induktionsströmen im Körper kommen. The following are safety considerations. The MRI examination is harmless to the human body. The magnetic fields acting on the organism are harmless. Since the case takes place perpendicular to the static magnetic field and the gradients are switched only after the free fall, there can be no induction currents in the body.
Die auftretenden Belastungen durch den Fall sind für den Kopf K unbedenklich. Es wird angenommen, dass der Kopf K innerhalb eines Bremsweges von 0,5 mm wieder zur Ruhe kommt, woraus sich maximal eine sechsfache Erdbeschleunigung für 25 ms ergibt, die auf den Kopf K wirkt. Diese tritt auch im Alltag auf und stellt aufgrund ihrer extrem kurzen Dauer kein Problem für den menschlichen Körper dar. Sollte der Proband trotzdem ein Unwohlsein verspüren, kann er einen Alarmknopf betätigen, der standardmäßig zu einem MRT gehört und das Personal im Kontrollraum alarmiert. The occurring loads due to the case are harmless for the head K. It is assumed that the head K comes to rest within a braking distance of 0.5 mm, resulting in a maximum of six times the acceleration of gravity for 25 ms, which acts on the head K. This also occurs in everyday life and represents no problem for the human body due to its extremely short duration. Should the subject still feel unwell, he can press an alarm button that belongs to an MRI by default and alerts the staff in the control room.
Darüber hinaus hat der Proband direkten Zugriff auf ein Sicherungsventil 37 in der Pneumtik.In addition, the subject has direct access to a safety valve 37 in the pneumatics.
Durch das Herausziehen eines Stopfens in dem Y-Splitter kann der Proband jederzeit die Luftzufuhr zur Hebe- und Senkvorrichtung 22 unterbinden. Die verbauten Anschläge 28a, 28b sind zudem so ausgelegt, dass sie dem maximalen, in dem Pneumatikkreislauf herrschenden Überdruck standhalten und somit die maximale Hubhöhe begrenzen. By pulling out a plug in the Y-splitter, the subject can at any time prevent the supply of air to the lifting and lowering device 22. The built-in stops 28a, 28b are also designed so that they withstand the maximum, prevailing in the pneumatic circuit pressure and thus limit the maximum lifting height.
Von den verwendeten Kunststoffen geht keine Gefahr aus. Die zur optischen Überwachung verbauten Leuchtdioden (LEDs) 30a, 30b, 30c haben nur eine geringe Leistung und sind somit absolut ungefährlich, zudem sich diese außerhalb des Sichtbereiches des Probanden befinden. The plastics used pose no danger. The light-emitting diodes (LEDs) 30a, 30b, 30c installed for optical monitoring have only a low power and are thus absolutely harmless, moreover they are located outside the field of vision of the subject.
Schäden bei den Probanden sind somit ausgeschlossen, so dass die vorgestellte Methode bedenkenlos zur frühzeitigen Diagnose verwendet werden könnte. Damage to the subjects is therefore excluded, so that the presented method could safely be used for early diagnosis.
Nachfolgend wird das Phasennormal beschrieben.
Da die Phasenlage nur innerhalb eines Bildes konsistent ist, können somit zwei Bilder nicht von vornherein miteinander verglichen werden. Man kann also nicht sagen, welche Phasenlage zu welcher Bewegung gehört. Um Bilder direkt miteinander vergleichen zu können, braucht man einen Punkt, der sich nachweislich während der Sequenz nicht bewegt hat, um auf ihn normieren zu können. The phase standard will be described below. Since the phase position is consistent only within one image, two images can not be compared with each other from the outset. So you can not say which phase belongs to which movement. In order to be able to compare images directly with one another, one needs a point that has demonstrably not moved during the sequence in order to be able to normalize to it.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde dafür ein sogenanntes Phasennormal hergestellt, dessen Erstellung und Aufbau nachfolgend kurz erläutert werden soll. In the context of the present invention, a so-called phase standard has been produced for this purpose, whose construction and construction will be briefly explained below.
Um einen solchen Phasennullpunkt in jeder zu untersuchenden Schicht zu haben, wird ein PVC- Rohr 38a, 38b von ca. (circa) 15 cm Länge und 1,5 nun Durchmesser gemäß Fig. 8.3 benutzt, das längs neben dem Kopf befestigt wird. Um darin den Signalgeber Wasser so zu binden, dass innerhalb des Röhrchens keine Strömungen auftreten, wurden zwei Ansätze verfolgt. In order to have such a phase zero point in each layer to be examined, a PVC pipe 38a, 38b of about (about) 15 cm in length and 1.5 mm in diameter as shown in figure 8.3 is used, which is fastened longitudinally next to the head. In order to bind the signal generator water so that no flows occur within the tube, two approaches were followed.
Der erste beinhaltet die Verwendung eines Hydrogels aus Wasser und Agar, welches auch als Geliermittel bekannt ist. Der dazu notwendige Kochprozess ist aus dem Stand der Technik bekannt. The first involves the use of a hydrogel of water and agar, which is also known as a gelling agent. The necessary cooking process is known from the prior art.
Beim zweiten Ansatz wurde das Rohr mit Glaswolle bzw. (beziehungsweise) Watte gefüllt, um Wasserbewegungen im Inneren zu unterbinden. In the second approach, the tube was filled with glass wool or (or) cotton wool to prevent internal water movement.
Um die Rohre 38a, 38b zu verschließen, wurden passende Stopfen gefertigt, die mit einer versenkbaren Schraube versehen sind. Dadurch lassen sich die Rohre ohne Lufteinschlüsse bis zum Rand füllen. Zur Befestigung des Rohres in der Kopfspule 39 wurde eine Halterung 40a, 40b gebaut, die sich von innen an der Spule 39 montieren lässt. Dabei handelt es sich um ein U- förmiges POM-Stüek. Auf einer Seite wurde das Stück so konstruiert, dass sich das Rohr 38a, 38b dort einklemmen lässt. Auf der anderen Seite mit der U-förmigen Öffnung befinden sich mehrere Löcher, in denen eine Gewindestange diesen Teil des U-Stücks zusammen zieht und somit an der Kopispule festklemmt (Fig. 8.3). Somit ist die Position des Rohres variabel und kann möglichst nah an den Kopf geklemmt werden. In order to close the tubes 38a, 38b, fitting plugs were provided, which are provided with a retractable screw. This allows the pipes to be filled to the brim without air inclusions. To mount the tube in the head coil 39, a holder 40 a, 40 b was built, which can be mounted from the inside to the coil 39. This is a U-shaped POM piece. On one side, the piece was designed so that the tube 38a, 38b can be pinched there. On the other side with the U-shaped opening are several holes in which a threaded rod pulls this part of the U-piece together and thus clamps on the Kopispule (Fig. 8.3). Thus, the position of the tube is variable and can be clamped as close to the head.
Fig. 8.3 zeigt im Detail geklemmte Phasennormale A, B in der Kopfspule 39. PVC-Rohre 38a, 38b mit Phasennormalen sind in eine U- form ige Halterung 40a, 40b geklemmt. Diese kann an der Spule 39 festgeklemmt und in beliebige, kopfnahe Positionen gebracht werden. Bei den Messungen ist der Kopf K in etwa auf der Position, auf der sich die eingelegte Flasche befindet. Fig. 8.3 shows in detail clamped phase normal A, B in the head coil 39. PVC pipes 38a, 38b with phase standards are clamped in a U-shaped holder 40a, 40b. This can be clamped to the coil 39 and placed in any positions close to the head. In the measurements, the head K is approximately at the position where the inserted bottle is located.
Nachfolgend werden die Messungen und die Ergebnisse dargestellt.
Dazu werden Messungen vorgestellt, die mit der eingeführten Methode erzielt wurden. Diese geben einen qualitativen Einblick in die Möglichkeiten zur Erzeugung eines neuen Kontrastes durch das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße System. The measurements and the results are shown below. For this purpose measurements are presented, which were achieved with the introduced method. These give a qualitative insight into the possibilities for generating a new contrast by the method according to the invention and the system according to the invention.
Nachfolgend wird zunächst der neuartige Kontrast dargestellt. Die simpelste Einordnung des mit der MR-Rheologie möglichen Kontrastes, zeigt sich in einem Vergleich eines Bildes mit vorausgehender Bewegung und einem Bild ohne Bewegung. Subsequently, the novel contrast is first displayed. The simplest classification of the contrast possible with MR rheology is shown in a comparison of an image with a preceding movement and a picture without movement.
Ein Phasenbild ohne Bewegung ist in Fig. 9.1 dargestellt. Das Rauschen außerhalb des Kopfes soll nicht weiter betrachtet werden. Wie zu erkennen, ist der Phasenwinkel aufgrund des ungleichmäßigen Feldes innerhalb des Kopfes nicht ganz homogen. Der Einfluss dieser Feldinhomogenität auf dem Phasenbild mit Bewegung kann entfernt werden, indem das Phasenbild ohne Bewegung von dem mit Bewegung abgezogen wird. Die Bearbeitung von Phasenbildern ist mit einem selbstgeschriebenen Programm möglich (Autor Marcus Radicke). A phase image without movement is shown in Fig. 9.1. The noise outside the head should not be considered further. As can be seen, the phase angle is not quite homogeneous due to the uneven field within the head. The influence of this field inhomogeneity on the phase image with motion can be removed by subtracting the phase image without movement from that with motion. The editing of phase images is possible with a self-written program (author Marcus Radicke).
Ein solches, bearbeitetes Differenzbild ist in Fig. 9.2 zu sehen. Neben der Erstellung des Differenzbildes der beiden Bilder (mit und ohne Bewegung) wurde zudem der Phasenwinkel derart verdreht, dass im Bild kein direkter Übergang von weiß auf schwarz zu sehen ist. Diese treten auf, weil Phasenwinkel größer als 359° wieder bei 0° beginnen und einen dementsprechenden Grauwert zugeweisen bekommen. Das Bild mit Bewegung wurde bei einer Fallhöhe von einem Millimeter an einem männlichen Probanden im Alter von 27 Jahren mit einer bewegungssensitiven EPI-Sequenz erstellt. Die Sequenzparameter sind: TR: 2500 ms; TE: 150 ms; b-Wert: 250; Gradientenlänge: 20 ms; Zeit zwischen erstem und zweiten Gradienten: 60 ms, Voxelgröße 2x2x5 mm. Such a processed differential image can be seen in Fig. 9.2. In addition to the creation of the difference image of the two images (with and without movement), the phase angle was also rotated in such a way that there is no direct transition from white to black in the image. These occur because phase angles greater than 359 ° start again at 0 ° and receive a corresponding gray value. The image with motion was created at a fall height of one millimeter on a male subject aged 27 years with a motion sensitive EPI sequence. The sequence parameters are: TR: 2500 ms; TE: 150 ms; b value: 250; Gradient length: 20 ms; Time between first and second gradient: 60 ms, voxel size 2x2x5 mm.
Fig. 9.1 zeigt somit im Detail ein Phasenbild ohne Bewegung. Ohne Bewegung ist fast kein Kontrast vorhanden. Der nicht ganz homogene Grauverlauf ist in geringen Magnetfeldinhomogenitäten gemäß vorhergehenden Ausführungen begründet. Fig. 9.2 zeigt somit im Detail ein Phasenbild mit Bewegung. Das um den inhomogenen Verlauf reduzierte Phasenbild zeigt deutlich unterschiedliches Verhalten von inneren und äußeren Gewebestrukturen. Die eingezeichnete gelbe Linie 46 gibt den im Folgenden untersuchten Bereich an. Fig. 9.1 thus shows in detail a phase image without motion. Without movement there is almost no contrast. The not quite homogeneous gray gradient is due to small magnetic field inhomogeneities according to previous explanations. Fig. 9.2 thus shows in detail a phase image with motion. The phase image reduced by the inhomogeneous course clearly shows different behavior of inner and outer tissue structures. The drawn yellow line 46 indicates the area investigated below.
Der Vergleich der beiden Fig. 9.1 und 9.2, die ungefähr auf halber Stirnhöhe aufgenommen wurden, zeigt qualitativ deutliche Unterschiede.
In Fig. 9.2 (Phasenbild mit Bewegung) zeichnen sich Strukturen ab, welche in Fig. 9.1 (Phasenbild ohne Bewegung) nicht zu sehen sind. Es lässt sich deutlich die Trennung der beiden Gehirnhälften erkennen. Zudem ist sichtbar, dass sich das Gewebe im Inneren einer Hälfte anders verhält als Gewebe nahe des Schädelknochens. Um dies weiter zu verdeutlichen wurde ein Graph erstellt, der die Grauwerte auf der horizontal eingezeichneten Linie 46 darstellt (Fig. 9.3). Dazu wurden mit Hilfe eines Programms (Image J, Version 1.46r) über die Funktion "Plot Profile", die Grauwerte entlang der Linie ausgelesen und gegen den Pixel aufgetragen. Große Werte spiegeln dunkle Grauwerte wider, kleine Werte helle. Die beiden Täler links und rechts weisen eine große Differenz zu den Ränder und der Mitte auf. Daran lässt sich besonders gut das unterschiedliche Verhalten von innerem Gewebe des Gehirns zu äußerem Gewebe erkennen. Auf die feineren Strukturen wird nachfolgend eingegangen. The comparison of the two FIGS. 9.1 and 9.2, which were taken approximately at half the frontal height, shows qualitatively distinct differences. In FIG. 9.2 (phase image with movement), structures are distinguished which can not be seen in FIG. 9.1 (phase image without movement). It can be clearly seen the separation of the two halves of the brain. In addition, it can be seen that the tissue inside a half behaves differently than tissue near the skull bone. To further clarify this, a graph has been created which represents the gray levels on the horizontally drawn line 46 (Figure 9.3). With the help of a program (Image J, Version 1.46r) using the "Plot Profile" function, the gray values along the line were read out and plotted against the pixel. Large values reflect dark gray values, small values bright. The two valleys left and right have a large difference to the edges and the center. This is a particularly good illustration of the different behavior of inner brain tissue to outer tissue. The finer structures will be discussed below.
Fig. 9.3 zeigt somit im Detail eine Grauwertdarstellung eines Schnitts in x-Richtung. Es ist gemäß vorhergehenden Ausführungen deutlich die Trennung der beiden Gehirnhälften zu erkennen und das differenzierte Verhalten der inneren Bereiche. Der groben Trennung zwischen Innen und Außen sind noch weitere Information überlagert. Fig. 9.3 thus shows in detail a gray value representation of a section in the x-direction. It can be clearly seen, according to previous statements, the separation of the two halves of the brain and the differentiated behavior of the inner areas. The gross separation between inside and outside are superimposed on more information.
Nachfolgend wird der Vergleich mit einer Strukturaufnahme beschrieben. The comparison with a structure recording will be described below.
Zu jeder Messung in einer Schicht gehört auch eine Strukturaufnahme bzw. ein sogenanntes Amplitudenbild, wie es in Fig. 9.4 dargestellt ist. In diesem lassen sich die inneren Strukturen des menschlichen Gehirns deutlich erkennen. Ein vorhergehend beschriebenes, bearbeitetes Phasenbild, aus derselben Schicht wie das Amplitudenbild, ist in Fig. 9.5 zu sehen. Darin ist eine ortsaufgelöste Darstellung einer jeden untersuchten Sicht erkennbar. Each measurement in a layer also includes a structure recording or a so-called amplitude image, as shown in FIG. 9.4. In this, the internal structures of the human brain can be clearly recognized. A previously described, processed phase image, from the same layer as the amplitude image, can be seen in Fig. 9.5. It shows a spatially resolved representation of each examined view.
Dabei handelt es sich um eine Aufnahme einer 27-jährigen Probandi!) mit folgenden Sequenzparametern: TR: 2500 ms; TE: 150 ms; b-Wert: 200; Gradientenlänge: 20 ms; Zeit zwischen erstem und zweitem Gradienten: 40 ms, Voxeigröße: 2x2x5 mm. Auch hier lässt sich die Trennung der zwei Gehirnhälften und das unterschiedliche Verhalten von Strukturen im Innern und weiter außen erkennen. This is a recording of a 27-year-old probandi!) With the following sequence parameters: TR: 2500 ms; TE: 150 ms; b value: 200; Gradient length: 20 ms; Time between first and second gradient: 40 ms, voxe size: 2x2x5 mm. Again, the separation of the two halves of the brain and the different behavior of structures inside and outside can be seen.
Fig. 9.4 zeigt somit im Detail ein Amplitudenbild einer ausgewählten Schicht. Links-oben in Fig. 9.4 ist ein Phasennormal B zu sehen. Die gelbe Linie 47 zeigt den Bereich, der mit dem Phasenbild verglichen wird.
Fig. 9.5 zeigt somit im Detail ein zur Schicht von Fig. 9.4 gehörendes Phasenbild mit Bewegung. Auch hier ist links-oben das Phasennormal B zu sehen. Die gelbe Linie 48 zeigt den Bereich, der mit dem Amplitudenbild verglichen wird. Fig. 9.4 thus shows in detail an amplitude image of a selected layer. Left-up in Fig. 9.4 a phase normal B can be seen. The yellow line 47 shows the area that is compared with the phase image. Thus, Fig. 9.5 shows in detail a phase image with motion associated with the layer of Fig. 9.4. Here, too, the phase standard B can be seen left-up. The yellow line 48 shows the area that is compared with the amplitude image.
Ein genauer Vergleich der beiden Fig. 9.4 und 9.5 zeigt, dass die Methode in der Lage ist, feinere Strukturen zu untersuchen. A close comparison of both Figs. 9.4 and 9.5 shows that the method is capable of examining finer structures.
In Fig. 9.6 sind die Grauwerte der vertikalen Linie 47, 48 aus Abbildung 9.4 und 9.5 dargestellt. Die Linie 47, 48 liegt über dieselben Pixel und verläuft von oben nach unten. FIG. 9.6 shows the gray values of the vertical lines 47, 48 from FIGS. 9.4 and 9.5. The line 47, 48 lies over the same pixels and runs from top to bottom.
Der Verlauf der Grauwerte wird im Folgenden miteinander verglichen. Dabei kommt es nicht darauf an, ein synchrones Verhalten beider Linien 47, 48 zu finden, sondern festzustellen, ob sich eine Änderung im Amplitudenbild auch im Phasenbild wieder finden lässt. Die Betrachtung der beiden Linien 47, 48 in Fig. 9.6 suggeriert eine Korrelation zwischen Änderungen im Phasenbild und Änderungen im Amplitudenbild. The course of the gray values is compared below. It is not important to find a synchronous behavior of both lines 47, 48, but to determine whether a change in the amplitude image can also be found in the phase image. The consideration of the two lines 47, 48 in Fig. 9.6 suggests a correlation between changes in the phase image and changes in the amplitude image.
Fig. 9.6 zeigt somit im Detail den Vergleich der Grauwertverlaufs des Amplitudenbildes und Phasenbildes entlang einer vertikalen Linie 47, 48. Unten sind die Grauwerte des Amplitudenbildes Ap dargestellt, oben die des Phasenbildes P. Der genaue Wert spielt bei dem Vergleich keine Rolle. Änderungen im Phasenverlauf scheinen mit Änderungen imFig. 9.6 thus shows in detail the comparison of the gray-level course of the amplitude image and phase image along a vertical line 47, 48. The gray values of the amplitude image Ap are shown below, the phase image P above. The exact value plays no role in the comparison. Changes in the phase history seem to change in the
Amplitudenverlauf zu korrelieren. Amplitude curve to correlate.
Nachfolgend werden die Messungen des Phasennormals beschrieben. The measurements of the phase standard are described below.
Das Phasennormals, wie es hier beschrieben vorliegt, ist das Ergebnis mehrerer Versuche und Messungen und wurde über zwei verschiedene Ansätze verfolgt. The phase normal, as described here, is the result of several experiments and measurements and was pursued by two different approaches.
Anfangs verwendete, höhere Konzentrationen von Agar in Wasser führten zu einer starken Verzerrung. Dies ist in Fig. 9.7 dargestellt. Initially used, higher concentrations of agar in water resulted in a strong distortion. This is shown in Fig. 9.7.
In der Mitte befindet sich eine mit einer signalgebenden Flüssigkeit gefüllte Flasche, die für Probemessungen verwendet wird. In den Figuren sind ober- und unterhalb Spiegelungen dieser zu sehen, die hier nicht weiter relevant sind. In beiden Röhrchen befindet sich ein Hydro gel mit einer Agar-Konzentration von 7,5 g Agar/ 1 1 Wasser (7,5 g/1). Die runde Form der Rohre 38a, 38b ist dabei sehr verzerrt zu erkennen. In der Fig. 9.7 nicht zu sehen sind zwei weitere Phasennormale, die mit Glaswolle (stark komprimiert), Wasser und Kupfersulfat gefüllt sind. Diese befinden sich weiter unten neben der Flasche.
Die Positionierung der mit dem Hydrogel gefüllten Rohre 38a, 38b neben der Flasche (Fig. 9.8) zeigt, dass es dort zu keinen Verzerrungen mehr kommt. Diese scheint somit abhängig von der Position in der Kopfspule 39 zu sein. In the middle is a bottle filled with a signaling fluid, which is used for sample measurements. In the figures, above and below reflections of these can be seen, which are not relevant here. Both tubes contain a hydrogel with an agar concentration of 7.5 g agar / 1 l water (7.5 g / l). The round shape of the tubes 38a, 38b is very distorted to recognize. Not to be seen in FIG. 9.7 are two more phase standards filled with glass wool (highly compressed), water and copper sulphate. These are located further down the side of the bottle. The positioning of the hydrogel-filled tubes 38a, 38b adjacent the bottle (Figure 9.8) shows that there are no more distortions there. This thus seems to be dependent on the position in the head coil 39.
In Fig. 9.9 sind vier Phasennormale A, B, C, D zu sehen. Dabei handelt es sich um zwei mit Hydrogel gefüllten Rohre 38a, 38b, bei einer Konzentration von 5 g/1, die unmittelbar neben der Flasche positioniert wurden. Das Rohr (D) links oben ist hingegen mit wenig Glaswolle und reinem Wasser befüilt, das Rohr rechts oben (C) mit wenig Watte und reinem Wasser. Alle vier geben dabei ein deutliches Signal ab und weisen keinerlei Strömung im Inneren auf. Eine leichte Verzerrung hingegen kann bei beiden oberen Röhrchen (C, D) festgestellt werden. In Fig. 9.9 four phase normal A, B, C, D can be seen. These are two hydrogel-filled tubes 38a, 38b, at a concentration of 5 g / l, which were positioned immediately adjacent to the bottle. On the other hand, the tube (D) on the top left is covered with a little glass wool and pure water, the tube top right (C) with little cotton wool and pure water. All four give a clear signal and have no flow inside. A slight distortion, however, can be found in both upper tubes (C, D).
Das Phasennormal B mit der geringen Agar-Konzentration von 5 g/1 ist auch in den Fig. 9.4 und Fig. 9.5 zu sehen. Dabei weisen diese, obwohl sie sich weiter außerhalb befinden, eine wesentlich kleinere Verzerrung auf im Gegensatz zu denen mit einer Konzentration von 7,5 g/1. The phase normal B with the low agar concentration of 5 g / l can also be seen in FIGS. 9.4 and 9.5. In this case, although they are located further out, they have a much smaller distortion, in contrast to those with a concentration of 7.5 g / 1.
Fig. 9.7 zeigt somit im Detail die Darstellung verzerrter Phasennormale C, D. Die Phasennormale C, D sind gemäß vorhergehenden Ausführungen mit Hydrogel aus Agar und Wasser mit einer Agar-Konzentration von 7,5 g/1 gefüllt. Sie weisen starke Verzerrungen auf. Phasennormale, gefüllt mit Wasser, Kupfersulfat und großen Mengen Glaswolle befinden sich unmittelbar neben der Flasche, werden durch die EPI-Sequenz aber nicht abgebildet. In der Mitte befindet sich die Flasche zur Nutzung bei Probeaufnahmen. Fig. 9.7 thus shows in detail the representation of distorted phase normals C, D. The phase normals C, D are filled with agar and water hydrogel with an agar concentration of 7.5 g / l according to previous embodiments. They show strong distortions. Phase normals filled with water, copper sulphate, and large amounts of glass wool are immediately adjacent to the bottle but are not represented by the EPI sequence. In the middle is the bottle for use in test recordings.
Fig. 9.8 zeigt somit im Detail gemäß vorhergehenden Ausführungen eine Darstellung nicht verzerrter Phasennormale A, B. Es wurden die gleichen Phasennormale verwendet wie in Fig. 9.7. In der Position direkt neben der Flasche werden sie nicht verzerrt dargestellt. FIG. 9.8 thus shows a detail of undistorted phase normal A, B in detail according to the preceding embodiments. The same phase standards were used as in FIG. 9.7. In the position next to the bottle they are not distorted.
Fig. 9.9 zeigt somit im Detail gemäß vorhergehenden Ausführungen eine Darstellung von vier Phasennormalen A, B, C, D. Das Rohr oben-links (D) ist mit Wasser und einer geringen Menge an Glaswolle gefüllt, das oben-rechts (C) mit Wasser und einer geringen Menge an Watte. Die beiden Rohre (A, B) neben der Flasche sind mit Hydrogel aus Agar und Wasser mit einer Konzentration von 5 g/1 füllt. In der Mitte befindet sich die bei Probeaufnahmen genutzte Flasche. Fig. 9.9 thus shows in detail in accordance with previous embodiments, a representation of four phase standards A, B, C, D. The tube top-left (D) is filled with water and a small amount of glass wool, the top-right (C) with Water and a small amount of cotton wool. The two tubes (A, B) next to the bottle are filled with hydrogel of agar and water at a concentration of 5 g / l. In the middle is the bottle used during test recordings.
Nachfolgend wird der neuartige Kontrast im Detail beschrieben. The novel contrast is described in detail below.
Die Methode der MR-Rheologie ist im Stande, unterschiedliche elastische Eigenschaften im Gehirn G darzustellen, wie die vorstehenden Messungen deutlich machen. Die erzeugten Phasenbilder und insbesondere deren Grauwertdarstellungen zeigen die Möglichkeiten der R-
Rheologie auf. Das unterschiedliche Verhalten von Gewebe im Inneren einer Hirnhälfte lässt auf unterschiedliche, viskoelastische Eigenschaften dieser Region schließen. Ein direkter Strukturvergleich von einem Amplitudenbild mit dem dazugehörigen Phasenbild zeigt, dass sich auch kleine, innere Strukturen mit der Methode der MR-Rheologie untersuchen lassen. Um quantitative Aussagen über die viskoel astischen Eigenschaften dieser Strukturen treffen zu können, bedarf es zuerst einer Deutung der Grauwerte, um von ihnen auf dieThe method of MR-rheology is able to show different elastic properties in the brain G, as the above measurements make clear. The generated phase images and in particular their gray value representations show the possibilities of Rheology on. The different behavior of tissue inside a hemisphere suggests different viscoelastic properties of this region. A direct structural comparison of an amplitude image with the associated phase image shows that even small, internal structures can be examined using the method of MR rheology. In order to be able to make quantitative statements about the viscoelastic properties of these structures, it is first necessary to interpret the gray values in order to read them
Bewegungsgeschwindigkeit bzw. die Verschiebung des Gewebes zu schließen. Des Weiteren muss überlegt werden, welche rheologischen Modelle für die viskoelastischen Eigenschaften am sinnvollsten angenommen werden können. Die Kombination von einer Feder, zusammen mit einem Dämpfer reicht dafür nicht aus. Für eine genauere Beschreibung muss zudem eine dreidimensionale Betrachtung dieses Problems erfolgen, so dass wesentlich komplexere Modelle nötig sind. To close movement speed or the displacement of the tissue. Furthermore, it has to be considered which rheological models can best be assumed for the viscoelastic properties. The combination of a spring, together with a damper is not enough. For a more detailed description, a three-dimensional view of this problem must be made, so that much more complex models are needed.
Nicht gemäß vorhergehenden Ausführungen dargestellt werden konnte, ist, dass der Verlauf der Phasenwinkel von vielen Parametern der Messungen abhängt. Für quantitative Aussagen muss daher auch überlegt werden, welche TR- und Tj.-Zeiten sinnvoll sind. Die Stärke der bewegungssensitiven Gradienten und der Abstand spielen ebenfalls eine wichtige Rolle. Bei Messungen konnte festgestellt werden, dass einige Kombinationen der Einstellung ein Wackeln der Liege verursachen. Dies wirkt sich negativ auf die Bildgebung aus. Auch die Fallhöhe wirkt sich darauf aus, da ein Fall aus größerer Höhe unweigerlich eine stärkere Bewegung der Liege nach sich zieht. Zudem ändert die Fallhöhe auch die Bewegung des Gehirns G selbst. Je höher diese ist, desto weiter wird sich das Gewebe auslenken. Dadurch stellt sich auch die Frage, wann genau die bewegungssensitiven Gradienten geschaltet werden sollten, um einerseits die Bewegung möglichst früh aufzunehmen, andererseits aber genügend Zeit vergehen zu lassen, damit sich die Schale und der harte Schädelknochen nicht mehr bewegen. Bei all diesen Parametern führen die Werte, die für die Erstellung der Phasenbilder im vorherigen Kapitel genutzt wurden, zu guten Ergebnissen. Deren Variation und genaues Verhalten muss aber noch weiter untersucht werden. It has not been possible to demonstrate according to the preceding statements that the course of the phase angles depends on many parameters of the measurements. Therefore, for quantitative statements it must also be considered which TR and Tj times are meaningful. The strength of the motion-sensitive gradients and the distance also play an important role. During measurements it could be determined that some combinations of the setting cause a wobble of the couch. This has a negative impact on imaging. Also, the fall height affects it, as a case of greater height inevitably pulls a stronger movement of the lounger by itself. In addition, the height of the fall also changes the movement of the brain G itself. The higher this is, the further the tissue will deflect. This also raises the question as to when exactly the motion-sensitive gradients should be switched, on the one hand to absorb the movement as early as possible, but on the other hand enough time to pass, so that the shell and the hard skull bones no longer move. With all these parameters, the values used to create the phase images in the previous chapter give good results. Their variation and exact behavior must be further investigated.
Nachfolgend noch weitere Ausführungen zum Phasennormal Below further information on the phase standard
Wie in allen Hydrogel-Rohren mit deren signalerzeugenden Inhalt zu sehen, ist der Phasenwinkel homogen, so dass Bewegungen im Inneren erfolgreich unterbunden werden. Die verschiedenen Messungen von den Hydrogel-Röhrchen zeigten auch, dass die auftretende Verzerrung zum einen abhängig von der Konzentration des Agars ist. Bei hohen Konzentrationen ist diese stärker, was wahrscheinlich durch die chemische Verschiebung
verursacht wird. Da die Verzerrung aber auch bei Füllungen mit reinem Wasser und Watte bzw. Glaswolle zustande kommt, wenn auch wesentlich geringer, ist dies nicht der einzige Grund dafür. Es konnte festgestellt werden, dass sie auch von der Position in der opfspuie abhängig ist. Feldinhomogenitäten scheinen in Bereichen, die weiter vom Mittelpunkt der Spule entfernt sind, größer zu sein und sorgen somit für eine verzerrte Darstellung. Außerdem ist es möglich, dass die 4-Kanal Spule Probleme bei der Rekonstruktion der Außenbereiche hat. As can be seen in all hydrogel tubes with their signal-generating content, the phase angle is homogeneous, so that movements inside are successfully prevented. The different measurements from the hydrogel tubes also showed that the distortion that occurs depends on the concentration of the agar. At high concentrations it is stronger, probably due to chemical shift is caused. But since the distortion is also in fillings with pure water and cotton wool or glass wool comes about, albeit much lower, this is not the only reason. It was found that it is also dependent on the position in the opfspuie. Field inhomogeneities appear to be larger in areas farther from the center of the coil, thus providing a distorted appearance. In addition, it is possible that the 4-channel coil has problems in the reconstruction of the outdoor areas.
Die Verwendung von Watte oder Glaswolle zur Unterbindung der Strömung stellte ebenfalls eine Möglichkeit für das Phasennormal dar. Die zu anfangs verwendete Beimischung von Kupfersulfat diente eigentlich zur Erhöhung der Signalstärke. Eine zu hohe Kupfersulfatkonzentration und der geringe Anteil an signalgebendem Wasser bei Rohren, die mit stark komprimierter Glaswolle gefüllt waren, führte aber zum gegenläufigen Effekt. Die Signale waren sehr schwach und abhängig von der verwendeten Sequenz (EPI) gar nicht vorhanden. Dies ist dem Kupfersulfat zuzuschreiben, was in der noch zu hoch gewählten Konzentration die Ti-Zeit zu sehr verringerte, so dass bei der Vielzahl der erzeugten Echos der EPI-Sequenz nicht genügend Signal bei den späteren Echos zur Verfügung stand. Die späteren Versuche mit reinem Wasser und einem geringen Teil an Glaswolle oder Watte erzeugten aber ebenfalls ein verwendbares Phasennormal wie der homogene Phasenwinkel in den Phasermormalen zeigt. Allerdings kann hier im Gegensatz zu der Verwendung von Agar nie ganz sichergestellt werden, dass Strömungen vollständig unterbunden sind. Aus allen Messungen stellt sich somit die Verwendung von Agar und Wasser mit einer Konzentration von 5 g/1 als am sinnvollsten heraus, da hier Strömungen zuverlässig unterbunden werden, die Gefahr von Lufteinschlüssen verhältnismäßig gering ist und es tritt nur eine sehr kleine Verzerrung auf. The use of cotton wool or glass wool to prevent the flow was also a possibility for the phase normal. The initially used admixture of copper sulfate actually served to increase the signal strength. An excessively high concentration of copper sulphate and the low level of signaling water in tubes filled with highly compressed glass wool led to the opposite effect. The signals were very weak and did not exist, depending on the sequence used (EPI). This is attributable to the copper sulfate, which at the concentration which was still too high, greatly reduced the Ti time, so that in the large number of echoes produced in the EPI sequence, not enough signal was available in the later echoes. However, the later experiments with pure water and a small amount of glass wool or cotton wool also produced a usable phase standard, as shown by the homogeneous phase angle in the phase standards. However, in contrast to the use of agar, it can never be completely ensured that currents are completely suppressed. From all measurements, the use of agar and water with a concentration of 5 g / 1 turns out to make the most sense, as here currents are reliably prevented, the risk of air bubbles is relatively low and there is only a very small distortion.
Vorhergehend wurde die Methode der R-Rheologie eingeführt und der dazu nötige Aufbau im Detail technisch dokumentiert. Previously, the method of R-rheology was introduced and the necessary structure in detail documented technically.
Die Grenzen anderer Methoden, viskoelastische Eigenschaften im Gehirn zu untersuchen, motivieren eine Methode, in der eine innere Anregung stattfindet. Der vorgestellte Aufbau ermöglicht einen freien Fall von Kopf K und Schale 26 durch deren Trennung von den restlichen Bauteilen. Nach dem Fall stellt die Verwendung von a ra m i d v erstarktem Kunststoff, die gewählte Form der Schale, die daran befestigten Zentrierkegel in den Äußenbereichen und die Benutzung eines Vakuumkissen sicher, dass sich der Kopf nach jedem Fall immer wieder an derselben Stelle befindet. Der Fallprozess ist somit beliebig oft reproduzierbar. Die eingebaute, optische Überwachung ermöglicht eine exakte Positionsüberwachung, so dass über die verwendetet
Elektro-Pneumatik der Hebe- und Senkvorgang gesteuert und beliebig oft wiederholt werden kann. Die damit zeitlich synchronisierten, bewegungssensitve Messungen sind in der Lage, die Bewegung des Gehirns in einem Phasenbild sichtbar zu machen. Bei einer Fallhöhe von einem Millimeter kam bei den Probanden dabei kein Unwohlsein auf. Hingegen zeigen die erstellten Phasenbilder eine deutliche Trennung der beiden Hirnhälften und ein unterschiedliches Verhalten von den Hirnregionen weiter innen und denen weiter außen. Ein Vergleich zwischen einem Amplitudenbild und dem dazugehörigen Phasenbild macht deutlich, dass Änderungen im Phasenbild Änderungen im Amplitudenbild zugeordnet werden können. Dadurch wird aber auch offensichtlich, dass für eine genaue Beschreibung komplexere, Theologische Modelle herangezogen werden müssen. Das hergestellte und getestete Phasennormal kann für weiterführende Auswertungen benutzt werden. Es bietet dabei einen Anhaltspunkt auf den die Phasenlage mehrerer Bilder normiert werden kann. The limitations of other methods to study viscoelastic properties in the brain motivate a method in which an internal stimulus takes place. The proposed construction allows a free fall of the head K and shell 26 by their separation from the remaining components. After the fall, the use of aa midvanced plastic, the chosen shape of the shell, the centering cones fixed to it in the outer areas and the use of a vacuum pad ensure that the head is always in the same place after each fall. The fall process can therefore be reproduced as often as desired. The built-in, optical monitoring allows accurate position monitoring, so that over the used Electro-pneumatics of the lifting and lowering controlled and repeated as often as you like. The temporally synchronized, movement-sensitive measurements are able to visualize the movement of the brain in a phase image. With a fall height of one millimeter, the subjects did not experience any discomfort. On the other hand, the phase images produced show a clear separation of the two halves of the brain and a different behavior from the brain regions further inwards and those further out. A comparison between an amplitude image and the associated phase image makes it clear that changes in the phase image can be assigned to changes in the amplitude image. But this also makes it obvious that more complex, theological models have to be used for a precise description. The prepared and tested phase standard can be used for further evaluations. It offers a clue to the phasing of several images can be normalized.
In weiterführenden Messungen können über das Phasennormal Messungen mit verschiedenen Parametern und verschiedene Schichten miteinander verglichen werden. Zudem ist die Untersuchung des genauen Bewegungsablaufes des Gehirns von dem Zeitpunkt des Auftreffens bis zur erneuten Einstellung des Kräftegleichgewichts im Inneren möglich. Auch gilt es die Auswirkungen der einzustellenden Parameter weiter zu untersuchen und zu überprüfen, ob Einflüsse wie Messungen zu verschiedenen Tageszeiten, vor den Messungen zugeführte Flüssigkeitsmenge oder Unterschiede in Geschlecht und Alter der Probanden eine Rolle spielen. Diesen Fragen wird in einer geplanten Studie bald nachgegangen. Auch sind weitere Verbesserungen im Aufbau geplant. In further measurements, measurements with different parameters and different layers can be compared with each other via the phase standard. In addition, the investigation of the exact movement of the brain from the time of impact until the re-adjustment of the balance of power inside is possible. It is also important to further examine the effects of the parameters to be set and to check whether influences such as measurements at different times of the day, the amount of liquid added before the measurements or differences in the sex and age of the subjects play a role. These questions will be dealt with in a planned study soon. Also, further improvements in the design are planned.
Die Methode bietet damit eine in Zukunft vielversprechende Möglichkeit, viskoelastische Eigenschaften des menschlichen Gehirns in vi vo zu untersuchen.
The method thus offers a promising future possibility to study the viscoelastic properties of the human brain in vivo.
Claims
1. Verfahren zur visuell wahrnehmbaren, bildlichen Darstellung elastischer, insbesondere viskoclastischer, Eigenschaften weicher biologischer Materie, insbesondere eines biologischen Systems, vorzugsweise der weichen Gehimmasse eines menschlichen Gehirns ((.!), 1. A method for visually perceptible, pictorial representation of elastic, in particular viskoclastischer, properties of soft biological matter, in particular a biological system, preferably the soft Gehimmasse a human brain ((!)),
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die weiche biologische Materie mit einer definierten, zu jedem Zeitpunkt in allen sechs Freiheitsgraden bekannten und/oder erfassten Bewegung unter Erzeugung einer Beschleunigung bei gleichzeitiger Anwendung eines bildgebenden Kernspintomographieverfahrens bewegt wird und die Bewegung der weichen biologischen Materie mittels des bildgebenden Kernspintomographieveriahrens in mindestens einer definierten und/oder erfassten Schicht/Ebene des biologischen Systems erfasst wird und eine Bildaufnahme des Kernspintomographieveriahrens mit Hilfe einer bewegungssensitiven Sequenz erfolgt und die Bewegung der weichen biologische Materie mit der bewegungssensitiven Sequenz oder Aufnahmefrequenz synchronisiert wird. that the soft biological matter is moved with a defined motion known and / or detected at all times in all six degrees of freedom to generate acceleration using a magnetic resonance imaging technique, and the movement of the soft biological matter is determined by at least one of the defined magnetic resonance tomography methods or detected slice / plane of the biological system is detected and an image acquisition of the magnetic resonance tomography Veriahrens using a motion-sensitive sequence and the movement of the soft biological matter is synchronized with the motion-sensitive sequence or recording frequency.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mit dem bildgebenden Kernspintomographieverfahren die räumliche Verteilung der elastischen, insbesondere viskoelastischen, Eigenschaften der weichen biologischen Materie im biologischen2. The method according to claim 1, characterized in that with the magnetic resonance imaging method, the spatial distribution of the elastic, in particular viscoelastic properties of the soft biological matter in the biological
System ausgewertet und abgebildet wird. System is evaluated and mapped.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das biologische System ein menschlicher Körper ist. 3. The method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the biological system is a human body.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kopf (K) als Bestandteil des biologischen Systems mit einem darin befmdlichen Gehirn (G) unter Beschleunigung der Gehirn rnasse als der weichen biologischen Materie des biologischen Systems bewegt wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a head (K) is moved as part of the biological system with a therein befmdlichen brain (G) with acceleration of the brain rnasse as the soft biological matter of the biological system.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiche biologische Materie, insbesondere die weiche Gehirnmasse, in vivo bewegt und bildlich dargestellt wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the soft biological matter, in particular the soft brain mass, is moved in vivo and visualized.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung der weichen biologischen Materie, insbesondere der weichen Gehirnmasse, unter Einfluss der Schwerkraft der Erde erfolgt. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the acceleration of the soft biological matter, in particular the soft brain mass, takes place under the influence of gravity of the earth.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiche biologische Materie, insbesondere die weiche Gehimmasse, während der Messung formstabil fixiert oder die äußere Gestalt zu jedem Zeitpunkt der Messung bekannt ist. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the soft biological matter, in particular the soft Gehimmasse, fixed dimensionally stable during the measurement or the outer shape is known at any time of the measurement.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegungssensitive Sequenz zumindest einen 90°-Puls (8a) und zumindest einen 180°- Puls (8b) und zumindest einen Feldgradienten (9a, 9b), vorzugsweise zwei Feldgradienten (9a, 9b), aufweist. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the movement-sensitive sequence at least one 90 ° pulse (8a) and at least one 180 ° pulse (8b) and at least one field gradient (9a, 9b), preferably two field gradients (9a , 9b).
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldgradient (9a, 9b) in Richtung der Bewegung der weichen biologischen Materie geschaltet wird. 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the field gradient (9a, 9b) is switched in the direction of movement of the soft biological matter.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiche biologische Materie, insbesondere die Gehirnmasse, und zumindest ein Teil des biologischen Systems, insbesondere der die Gehirnmasse aufweisende Kopf ( ), vor Erzeugung der Beschleunigung um eine Distanz (d) aus einer Ruheposition in Richtung gegen die Schwerkraft in eine Bewegungsposition angehoben und dort gehalten wird. 10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the soft biological matter, in particular the brain mass, and at least a part of the biological system, in particular of the brain mass having head (16) before generating the acceleration by a distance (d) a rest position is raised in the direction of gravity in a movement position and held there.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (K) um eine Distanz (d) zwischen 0,5 mm und 4 mm, vorzugsweise zwischen 1 mm und 3 mm, angehoben wird. 1 1. A method according to claim 10, characterized in that the head (K) by a distance (d) between 0.5 mm and 4 mm, preferably between 1 mm and 3 mm, is raised.
12. Verfahren nach Ansprach 10 oder Ansprach 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiche biologische Materie im freien Fall der Schwerkraft folgend aus der Bewegungsposition in die Ruheposition bewegt wird, wobei das Gehirn (G) zeitlich verzögert gegenüber dem Kopf (K) diese Ruhelage erreicht. 12. The method according to spoke 10 or spoke 1 1, characterized in that the soft biological matter in the free fall of gravity is moved from the movement position to the rest position, the brain (G) delayed in time relative to the head (K) this rest position reached.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt des Absenkens des die weiche Gehimmasse aufweisenden Kopfes (K) so gewählt wird, dass der Kopf (K) während oder nach dem. ersten Feldgradienten (9a) wieder in die Ruhelage abgesenkt ist, wobei der Kopf (K) und die Gehirnmasse nach dem Absenken mit dem zweiten Feldgradienten (9b) beaufschlagt werden. 13. The method according to claim 12, characterized in that the time of lowering of the soft Gehimmasse having head (K) is selected so that the head (K) during or after the. first field gradient (9a) is lowered back into the rest position, wherein the head (K) and the brain mass after lowering with the second field gradient (9b) are applied.
14. Verfahren nach Ansprach 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt des Absenkens des die weiche Gehirnmasse aufweisenden Kopfes (K) so gewählt wird, dass der Kopf (K) vor dem ersten Feldgradienten (8a) wieder in die Ruhelage abgesenkt ist, wobei der Kopf (K) und die weiche Gehirnmasse nach dem Absenken mit dem ersten und zweiten Feldgradienten (8a, 8b) beaufschlagt werden. 14. The method according to spoke 12, characterized in that the time of lowering of the soft brain mass having head (K) is selected so that the head (K) before the first field gradient (8a) is lowered back to the rest position, wherein the Head (K) and the soft brain mass after lowering with the first and second field gradient (8a, 8b) are applied.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben der weichen Gehirnmasse eines menschlichen Gehirns (G) auch der Kopf (K) mit einer definierten, zu jedem Zeitpunkt in allen sechs Freiheitsgraden bekannten und/oder erfassten Bewegung unter Erzeugung einer Beschleunigung bei gleichzeitiger Anwendung eines bildgebenden Kemspintomographieverfahrens bewegt wird. 15. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in addition to the soft brain mass of a human brain (G) and the head (K) with a defined, at any time in all six degrees of freedom known and / or detected movement to generate an acceleration is moved with the simultaneous use of an imaging Kemspintomographieverfahrens.
16. System zur visuell wahrnehmbaren, bildlichen Darstellung elastischer, insbesondere viskoelastischer, Eigenschaften weicher biologischer Materie, insbesondere eines biologischen Systems, vorzugsweise der weichen Gehirnmasse eines menschlichen Gehirns (G), umfassend einen Magentresonanz.tomographen (MRT, 19) mit einer MRT- Spule (39) und einer die weiche biologische Materie tragenden und in der MRT-Spule (39) anordnenbarcn Vorrichtung, 16. A system for the visually perceptible, pictorial representation of elastic, in particular viscoelastic, properties of soft biological matter, in particular a biological system, preferably the soft brain mass of a human brain (G) comprising a Magentresonanz.tomographen (MRT, 19) with an MRI coil (39) and a device carrying the soft biological matter and disposable in the MRI coil (39),
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Vorrichtung als Hebe- und Senkvorrichtung (22) ausgebildet ist, auf welcher die weiche biologische Materie lagestabil fixierbar und ortsfest in der MRT-Spule (39) positionierbar anordnenbar ist, wobei die Hebe- und Senkvorrichtung (22) ein Positionierungselement, das ortsfest im Koordinatensystem der Ortskodierung des Mangnetresonanztomographen (MRT, 19) anordnenbar ist, und ein Bewegungselement, das unter Ausbildung der Möglichkeit, im freien Fall der Schwerkraft folgen zu können, beweglich an dem Positionierungselement angeordnet ist und auf welchem die weiche biologische Materie anordnenbar ist, umfasst. in that the device is designed as a lifting and lowering device (22) on which the soft biological matter can be fixed in a positionally stable manner and positionably positionable in the MRT coil (39), wherein the lifting and lowering device (22) has a positioning element which is stationary in the coordinate system of the spatial encoding of the manganese resonance tomograph (MRT, 19), and a movement element, which is capable of being able to follow gravity in the free fall, is movably arranged on the positioning element and on which the soft biological matter can be arranged ,
17. System nach Ansprach 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionierungselement zumindest eine Auflage (23) und zumindest einen Halbring (24) aufweist und dass das Bewegungselement zumindest eine Schale (26) aufweist, wobei auf der Schale (26) die weiche biologische Materie formstabil fixierbar ist. 17. System according to spoke 16, characterized in that the positioning element has at least one support (23) and at least one half-ring (24) and that the moving element has at least one shell (26), wherein on the shell (26) the soft biological matter is dimensionally stable fixable.
18. System nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale (26) mit Hille des Halbrings (24) in dem System bewegbar ist, wobei die Schale (26) bewegbar an dem Halbring (24) angeordnet ist. A system according to claim 17, characterized in that the shell (26) is movable in the system with the half-ring (24) at its center, the shell (26) being movably mounted on the half-ring (24).
19. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in Bewegungsrichtung des Bewegungselementes zumindest ein Feldgradient (9a, 9b), vorzugsweise zwei Feldgradienten (9a, 9b), geschaltet ist. 19. System according to one of the preceding claims, characterized in that at least in the direction of movement of the movement element at least one field gradient (9a, 9b), preferably two field gradients (9a, 9b), is connected.
20. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebe- und Senkvorrichtung (22) eine Pneumatik (40) aufweist, mittels der das Bewegungselement, vorzugsweise die Schale (26), anheb- und absenkbar ist. 20. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the lifting and lowering device (22) has a pneumatic (40), by means of which the moving element, preferably the shell (26), can be raised and lowered.
21. System nach Ansprach 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungselement, vorzugsweise die Schale (26), zwischen 0,5 mm und 4 mm, vorzugsweise zwischen 1 mm und 3 mm, anheb- und absenkbar ist. 21. System according to spoke 20, characterized in that the moving element, preferably the shell (26), between 0.5 mm and 4 mm, preferably between 1 mm and 3 mm, can be raised and lowered.
22. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflage (23) und der Halbring (24) aus Polyoxymefhylen bestehen. 22. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the support (23) and the half-ring (24) consist of Polyoxymefhylen.
23. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale (26) zumindest ein Aramid aufweist. 23. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the shell (26) has at least one aramid.
24. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Bewegungsmesseinrichtung, insbesondere eine optische Überwachung (41), aufweist, mittels der die Bewegung der Hebe- und Senkvorrichtung (22) meßbar ist. 24. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the system comprises a movement measuring device, in particular an optical monitoring (41), by means of which the movement of the lifting and lowering device (22) is measurable.
25. System nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Überwachung (41 ) zumindest eine Leuchtdiode, vorzugsweise drei Leuchtdioden (30a, 30b, 30c), zumindest einen Lichtleiter, vorzugsweise drei Lichtleiter (31 a, 31 b, 31 c), und zumindest einen Lichtdetektor, vorzugsweise zumindest eine Photodiode, insbesondere drei Photodioden (33a, 33b, 33c), aufweist. 25. System according to claim 24, characterized in that the optical monitoring device (41) has at least one light-emitting diode, preferably three light-emitting diodes (30a, 30b, 30c), at least one light guide, preferably three light guides (31a, 31b, 31c), and at least one Light detector, preferably at least one photodiode, in particular three photodiodes (33a, 33b, 33c), comprising.
26. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Messeinheit zur Messung der Eigenschaften der weichen biologischen26. System according to one of the preceding claims, characterized in that the system comprises a measuring unit for measuring the properties of soft biological
Materie, insbesondere der weichen Gehirnmasse des Gehirns (G), aufweist, so dass mittels der Bewegung der weichen biologischen Materie in der Vorrichtung dieMatter, in particular the soft brain mass of the brain (G), so that by means of the movement of soft biological matter in the device the
Eigenschaften der weichen biologischen Materie in vivo meßbar und darstellbar sind. Properties of soft biological matter in vivo are measurable and representable.
27. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das27. System according to one of the preceding claims, characterized in that the
System zumindest ein Behältnis, insbesondere zumindest ein Rohr (38 a, 38 b), mit einem signalerzeugenden Inhalt, vorzugsweise mit einem Wasserstoffinhalt, insbesondere mit Hydrogel, aufweisend Wasser und Agar, oder vorzugsweise mit Glaswolle oder Wolle, aufweist, wobei mittels des Behältnisses und deren Füllung das Phasennormai für die darzustellende Schicht der weichen biologischen Materie bestimmbar ist. System having at least one container, in particular at least one tube (38 a, 38 b), with a signal-generating content, preferably with a hydrogen content, in particular hydrogel, comprising water and agar, or preferably with glass wool or wool, wherein means of the container and the filling of which is the phase Normai for the displayed layer of soft biological matter can be determined.
28. System nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Agar eine Agar- Konzentration von 4 g Agar / 1 Liter Wasser bis 6 g Agar / 1 Liter Wasser, vorzugsweise 5 g Agar / 1 Liter Wasser, aufweist. 28. System according to claim 27, characterized in that the agar has an agar concentration of 4 g of agar / 1 liter of water to 6 g of agar / 1 liter of water, preferably 5 g of agar / 1 liter of water.
29. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System in Leistungsverbindung und/oder Wirkverbindung mit einer Unterdrück und/oder Überdruck bereitstellenden Pneumatik (40) und/oder Bewegungsmeßeinrichtung, insbesondere optischen Elementen (30 a, 30 b, 30 c, 31 a, 31 b, 31 c, 32, 33, 34, 41), und/oder elektrischen Bauteilen (42) steht und/oder bringbar ist. 29. System according to one of the preceding claims, characterized in that the system in power connection and / or operative connection with a negative pressure and / or pressure-providing pneumatic (40) and / or movement measuring device, in particular optical elements (30 a, 30 b, 30 c , 31 a, 31 b, 31 c, 32, 33, 34, 41), and / or electrical components (42) is and / or can be brought.
30. Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 16 bis 29 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15. 30. Use of a system according to one of claims 16 to 29 for carrying out the method according to one of claims 1 to 15.
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