Die faszinierende Welt der MR-Pulssequenzen und Bildrekonstruktionsverfahren
Methodik der Magnetresonanztomographie
Die Besonderheit der Magnetresonanztomographie (MR) im Gegensatz zu anderen medizinischen Bildgebungsverfahren liegt in der Vielfalt der möglichen Bildkontraste bzw. der Art und Weise, wie die Informationen über die chemische Zusammensetzung des Gewebes oder seinen physiologischen Zustand im MR-Signal kodiert werden können. Die MR-Bildgebung zielt in der Regel darauf ab, zwei- oder dreidimensionale tomografische Bilder des untersuchten Objekts zu rekonstruieren. MR-Bilder stellen typischerweise einen einzelnen Parameter des zugrunde liegenden Objekts (z.B. die Dichte von Wassermolekülen) mit einer räumlichen Auflösung von etwa 1 mm und mehr dar. Das Hauptziel der MR-Spektroskopie ist die Gewinnung der Information über Objekteigenschaften oder deren chemischen Zusammensetzung, oft ohne oder mit weniger präziser räumlicher Lokalisierung.
MR-Pulssequenzen sind spezielle Programme, die ein bestimmtes MR-Experiment steuern und Hochfrequenzpulse, sowie Gradientenschaltung und Datenerfassungsanweisungen umfassen. Die Zusammensetzung und das Timing der Pulssequenz legen fest, welche Eigenschaften des Objekts oder der PatientInnen im MR-Signal kodiert werden sollen. Spezielle Bildrekonstruktionsverfahren wandeln dann die erfassten Daten in Bilder um. Sowohl die MR-Pulssequenzen als auch die Bildrekonstruktionsalgorithmen bilden den Bereich der MR-Methodik, der seit über drei Jahrzehnten ein aktives Forschungsgebiet ist.
Prototyping von MR-Pulssequenzen mit Pulseq
Die Entwicklung und Verbreitung modernster MR-Akquisitionstechniken erfordert die Implementierung der entsprechenden Pulssequenzen für jeden Scannermodell bzw. jeden Hersteller. Außerdem können die entwickelten Pulssequenzen in der Regel nicht zwischen Scannern desselben Herstellers mit unterschiedlichen Softwareversionen übertragen werden. Die Programmierung von Sequenzen in einer scannerspezifischen Umgebung ist eine schwer zu erlernende Fähigkeit, die eine monatelange, mühsame Ausbildung erfordert. Darüber hinaus ist es selbst für einen ausgebildeten MR-Physiker mit einem erheblichen Aufwand verbunden, eine völlig neue Technik „von Grund auf“ zu implementieren.
Wir entwickeln und betreuen Pulseq, eine herstellerunabhängige Entwicklungsumgebung für Pulssequenzen. Pulseq ermöglicht es, MR-Sequenzen offline in Matlab oder Python zu prototypisieren und sie dann auf dem Scanner mit einer zusätzlichen „Interpreter-Pulssequenz“ auszuführen, die nur einmal kompiliert werden muss.
Pulseq fördert die herstellerübergreifende Zusammenarbeit, Harmonisierung und Reproduzierbarkeit sowie die schnelle Umsetzung von innovativen Forschungsideen. Darüber hinaus ist Pulseq ein hervorragendes Werkzeug für die MR-Ausbildung. Für weitere Informationen besuchen Sie http://pulseq.github.io
MR-Bildkodierung und -Rekonstruktion
Bei der Magnetresonanztomographie ist die räumliche Information des abzubildenden Objektes in den spektralen Eigenschaften der aufgenommenen Signale kodiert. In einfachen Fällen können Bilder aus den k-Raum-Daten durch Anwendung einer inversen Fourier-Transformation rekonstruiert werden. Für viele innovative Anwendungen ist es jedoch vorteilhaft, von der vollständigen k-Raum-Abtastung abzuweichen. In diesem Fall wird die Fourier-Rekonstruktion durch ein generisches numerisches Lösungsverfahren ersetzt, welches in der Lage ist, die Redundanzen des Kodierungsprozesses sowie die statistischen Bildeigenschaften zu berücksichtigen. Die Rekonstruktion von MR-Bildern auf der Grundlage von sog. Compressed Sensing, Datenspärlichkeit, maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz ist ein aktives Forschungsgebiet in unserem Zentrum.
Forschungsgruppen
Andreas Berg | Meyerspeer Gruppe | Schmid Gruppe | Windischberger Gruppe