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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanztomographiegeräts mit einem Gradientensystem
und einem Hochfrequenzsystem, die unter anderem zur Ortscodierung
dienen.
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Die
Magnetresonanztomographie ist eine bekannte Technik zur Gewinnung
von Bildern eines Körperinneren
eines Untersuchungsobjekts. Dabei werden in einem Magnetresonanztomographiegerät einem
statischen Grundmagnetfeld schnell geschaltete Gradientenfelder überlagert,
die von einem Gradientensystem erzeugt werden. Ferner umfaßt das Magnetresonanztomographiegerät ein Hochfrequenzsystem,
das zur Auslösung
von Magnetresonanzsignalen Hochfrequenzsignale in das Untersuchungsobjekt
einstrahlt und die erzeugten Magnetresonanzsignale aufnimmt, auf
deren Basis Bilddatensätze
erstellt werden. Dabei werden das Gradientensystem und gegebenenfalls
das Hochfrequenzsystem unter anderem so eingestellt, daß sie eine Ortscodierung
innerhalb des Untersuchungsobjekts bewirken.
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Als
funktionelle Bildgebung werden in der Medizin grundsätzlich alle
Verfahren bezeichnet, die eine wiederholte Abtastung einer Struktur
von Organen und Geweben dazu nutzen, um zeitlich sich ändernde
Prozesse, wie physiologische Funktionen oder pathologische Vorgänge, abzubilden.
Im engeren Sinne versteht man in der Magnetresonanztomographie darunter
Meßmethoden,
die es ermöglichen,
die an einer bestimmten motorischen, sensorischen oder kognitiven
Aufgabe beteiligten Hirnareale eines Patienten zu identifizieren und
abzubilden. Dazu werden beispielsweise alle zwei bis vier Sekunden
dreidimensionale Bilddatensätze
des Hirns, beispielsweise mittels einem Echoplanarverfahren, aufgenommen.
Echoplanarverfahren haben dabei den Vorteil, daß die Bilddatensatzaufnahme
mit we niger als 100 ms, die für
einen einzelnen dreidimensionalen Bilddatensatz benötigt werden,
sehr schnell sind.
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Dabei
beinhaltet ein Bilddatensatz eine Anzahl von Bildpunkten, die bei
entsprechender Anordnung in einem gitterartigen Raster ein Bild
erzeugen. Ein Bildpunkt ist dabei beispielsweise durch einen Wert
auf einer Grauskala sowie durch seine Koordinaten, d.h. seine Anordnung
innerhalb des Bildes gekennzeichnet. Für ein zweidimensionales Bild
werden die Werte der Bildpunkte beispielsweise in einer zweidimensionalen
Matrix abgelegt, die einen zweidimensionalen Bilddatensatz bildet.
Dabei bestimmt die Anordnung innerhalb der Matrix die Koordinaten
der Bildpunkte im Bild. Entsprechendes gilt für einen dreidimensionalen Bilddatensatz.
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Nachdem
im Rahmen einer funktionellen Magnetresonanztomographie viele Bilddatensätze mit übereinstimmenden
Ortscodierungen zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommen worden
sind, sind zur Bildung sogenannter Aktivierungsbilder Bilddatensätze voneinander
zu subtrahieren, d.h. zur Identifikation von aktiven Hirnbereichen
miteinander auf Signaldifferenzen hin zu vergleichen. Dabei führen bereits
geringste Bewegungen des Hirns während
des gesamten Aufnahmezeitraums zu unerwünschten Signaldifferenzen,
die die gesuchte Hirnaktivierung überdecken.
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Zum
Ausfiltern vorgenannter unerwünschter
Signaldifferenzen wird deswegen zunächst eine sogenannte retrospektive
Bewegungskorrektur der Bilddatensätze durchgeführt, die
ein Erfassen von Lageveränderungen
infolge von Bewegungen voraussetzt. Ein Verfahren dazu basiert beispielsweise
auf den Annahmen, daß Bewegungen
nur zwischen den Aufnahmen einzelner kompletter Bilddatensätze auftreten
und daß das Hirn
als starrer Körper
angesehen werden kann. Ferner wird eine beliebige Starrkörperbewegung
im dreidimensionalen Raum mittels sechs Bewegungsparametern beschrieben,
wobei drei Parameter Translationen und drei Parameter Rotationen
kennzeichnen.
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Vorgenannte
Parameter werden beispielsweise in einem Spaltenvektor q → notiert.
Die Werte aller Bildpunkte oder ausgewählter Bildpunkte eines ersten
Bilddatensatzes und eines zweiten Bilddatensatzes, der dem ersten
zeitlich nachfolgend erzeugt worden ist, werden in einer übereinstimmenden
Reihenfolge in einem ersten Spaltenvektor x → und einem zweiten Spaltenvektor y → notiert.
Zur Ermittlung einer Lageveränderung
zwischen den Aufnahmezeitpunkten des ersten und des zweiten Bilddatensatzes,
d.h. zur Bestimmung der Bewegungsparameter wird nachfolgende Gleichung,
die auf einer Taylor-Entwicklung 1. Ordnung basiert, beispielsweise
durch ein iteratives Verfahren gelöst:
Vorgenannte
Gleichung beinhaltet dabei eine Jacobische Funktionalmatrix, die
je Zeile partielle Ableitungen der Elemente des Spaltenvektors x → nach
dem sechs Bewegungsparametern beinhaltet. Zur genaueren Beschreibung
vorgenannten Verfahrens zur Ermittlung von Lageveränderungen
aus Bilddatensätzen
wird beispielsweise auf das Buch von R.S.J. Frackowiak et al., "Human Brain Function", Academic Press,
1997, insbesondere Kapitel 3, Seiten 43-58 verwiesen. Ferner ist
vorgenanntes Verfahren im Wesentlichen auch in der
DE 198 26 994 C1 beschrieben,
wobei zu vorgenannter Gleichung lediglich eine Größe ε(r) dazuaddiert
ist, die eine Störung
darstellt und deren Erwartungs- und Mittelwert vorzugsweise gleich
Null ist.
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Des
weiteren wird zur genaueren Beschreibung der Vorgehensweise bei
einer funktionellen Magnetresonanztomographie mit einer retrospektiven
Bewegungskorrektur von Bilddatensätzen, die zeitlich nach einem abgeschlossenen
Aufnehmen aller Bilddatensätze
der funktionellen Magnetresonanztomographie stattfindet, auf den
Artikel von U. Klose et al. „Funktionel le
Bildgebung mit der Magnetresonanztomographie", elektromedica 67 (1999) Heft 1, Seiten
27-36, hingewiesen.
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Eine
Vielzahl von Verfahren zur retroperspektiven Bewegungskorrektur
geht davon aus, daß sich
bei einem optimalen Zurückdrehen
bzw. Zurückverschieben
der Bilddatensätze
hinsichtlich eines Referenz-Bilddatensatzes alle unerwünschten
Signaldifferenzen infolge von Bewegungen beheben lassen. Dabei wird
häufig
außer
Acht gelassen, daß durch
ein bloßes
geometrisches Verschieben bzw. Drehen der Bilddatensätze nicht
alle durch Bewegungen verursachten, unerwünschten Signaldifferenzen ausfilterbar
sind. Ursächlich
dafür ist,
daß nach
einer Lageveränderung
des Hirns auf bestimmte Volumenbereiche des Hirns gegenüber ihrer Ausgangslage
bei unveränder ter
Ortscodierung Gradienten- und Hochfrequenzfelder anders wirken und
sich damit Anrege-, Resonanz- und Relaxationseigenschaften der Volumenbereiche ändern. Dadurch
wird das Signalverhalten dieser Volumenbereiche nicht nur für einen
unmittelbar nachfolgend aufgenommenen Bilddatensatz, sondern nachhaltig
auch für
weitere aufzunehmende Bilddatensätze
verändert.
Wird ein betrachteter Volumenbereich während der gesamten funktionellen
Magnetresonanztomographie mehrfach lageverändert, so wirkt jede Lageveränderung
als Signalveränderung
mehr oder weniger bis in den zuletzt aufgenommenen Bilddatensatz
hinein.
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Hinsichtlich
letztgenannter Signalveränderung
sind beispielsweise bei einer schichtweisen Aufnahme von dreidimensionalen
Bilddatensätzen
insbesondere diejenigen Lageveränderungen
kritisch, bei denen die besagten Schichten nicht nur innerhalb der
von ihnen aufgespannten Ebenen gedreht oder verschoben werden. Vorgenanntes
ist beispielsweise in dem Artikel von K.J. Friston et al., "Movement-Related
Effects in fMRI Time-Series",
Magnetic Resonance in Medicine 35 (1996), Seiten 396 bis 355 näher beschrieben.
Im vorgenannten Artikel ist zudem ein Näherungsverfahren vorgeschlagen,
mit dem im Nachgang an das Erzeugen von Bilddatensätzen im
Rahmen einer funktionellen Magnetresonanztomographie auch letztgenannte,
bewegungsverursachte Signaldifferenzen aus Bilddatensätzen ausfilterbar
sind. Mit vorgenanntem Näherungsverfahren
sind jedoch nur sehr eingeschränkte
Korrekturen möglich.
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Ein
anderer Ansatz zur Vermeidung aller unerwünschter, bewegungsverursachter
Signaldifferenzen besteht darin, im Rahmen einer prospektiven Bewegungskorrektur
nicht im Nachgang alle Bilddatensätze zu korrigieren, sondern
während
des Ablaufs einer funktionellen Magnetresonanztomographie von Bilddatensatz zu
Bilddatensatz eventuelle Lageveränderungen
des Hirns zu erfassen und die Ortscodierung während des Ablaufs entsprechend
anzupassen.
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Dazu
werden in einer Ausführung
Lageveränderungen
des Kopfes optisch erfaßt,
indem beispielsweise am Kopf optische Reflektoren angebracht sind,
die von einem optischen Erfassungssystem hinsichtlich ihrer Position überwacht
werden. Näheres
ist dazu beispielsweise in dem Artikel von H. Eviatar et al., "Real Time Head Motion
Correction for Functional MRI",
Proc. of ISMRM 7 (1999), Seite 269 erläutert. Bei vorgenannter Vorrichtung
zur Erfassung von Lageveränderungen
ist unter anderem nachteilig, daß ein separates Erfassungssystem
notwendig ist. Darüber
hinaus werden eigentlich Lageveränderungen
der Kopfhaut erfaßt,
die nicht zwangsläufig
mit Lageveränderungen
des Hirns einhergehen. Man stelle sich dazu beispielsweise ein Runzeln
der Stirn vor.
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Bei
einer anderen Ausführung
der prospektiven Bewegungskorrektur werden Lageveränderungen durch
orbitale Navigatorechos erfaßt.
Dabei ist ein orbitales Navigatorecho ein Magnetresonanzsignal,
das durch einen kreisförmigen
k-Raumpfad gekennzeichnet ist und von einer speziellen Navigatorsequenz
erzeugt wird. Anhand von orbitalen Navigatorechos, die zu unterschiedlichen
Zeitpunkten erzeugt werden, sind Lageveränderungen ermittelbar. Dazu
wird beispielsweise vor jedem Erzeugen eines Bilddatensatzes die
Navigatorsequenz ausgeführt
und ein Navigatorecho aufgenommen, welches zur Bewegungskorrektur
mit einem Referenznavigatorecho verglichen wird. Vorgenanntes ist
beispielsweise in dem Artikel von H.A. Ward et al., "Real-Time Prospective
Correction of Complex Multiplanar Motion in fMRI", Proc. of ISMRM 7 (1999), Seite 270 näher beschrieben.
Bei einer Erfassung von Lageveränderungen
durch orbitale Navigatorechos sind zwar keine zusätzlichen
Vorrichtungen an einem Magnetresonanztomographiegerät vorzusehen,
dafür ist
die Genauigkeit, mit der Lageveränderungen
erfaßt
werden, vergleichsweise schlecht. Des weiteren führt jede Navigatorsequenz zusätzlich zu
einer bildgebenden Sequenz zu Anregungen, die durch Sättigungseffekte
Störung bewirken.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten
Art zu schaffen, das vorgenannte Nachteile des Standes der Technik
vermindert.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Gemäß dem Anspruch
1 beinhaltet das erfindungsgemäße Verfahren
zum Betrieb eines Magnetresonanztomographiegeräts mit einem Gradientensystem
und einem Hochfrequenzsystem, die unter anderem zur Ortscodierung
dienen, folgende Merkmale:
- – Ein abzubildender Bereich
eines Untersuchungsobjekts wird in einem Abbildungsvolumen des Geräts gelagert,
- – in
einer zeitlichen Abfolge werden Bilddatensätze wenigstens von Teilen des
abzubildenden Bereichs erzeugt,
- – durch
einen Vergleich wenigstens eines ersten mit einem zweiten Bilddatensatz,
die zeitlich aufeinanderfolgend erzeugt worden sind, wird eine Lageveränderung
wenigstens eines Teils des abzubildenden Bereichs bezüglich des
Abbildungsvolumens ermittelt, und
- – für wenigstens
einen Bilddatensatz, der den verglichenen Bilddatensätzen zeitlich
nachfolgend erzeugt wird, wird eine Ortscodierung entsprechend der
ermittelten Lageveränderung
angepaßt.
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Dadurch,
daß beispielsweise
im Rahmen einer funktionellen Magnetresonanztomographie jeder erzeugte
Bilddatensatz mit einem Referenz-Bilddatensatz verglichen wird,
sind Lageveränderungen
mit hoher Genauigkeit ermittelbar und eine Ortscodierung im Rahmen
einer prospektiven Bewegungskorrektur von Bilddatensatz zu Bilddatensatz
entsprechend anpaßbar.
Dabei sind Lageveränderungen
infolge einer Translationsbewegung hinunter bis ca. 40 μm und infolge
einer Rotationsbewegung bis ca. 0,05° ermittelbar. Darüber hinaus
sind zum Durchführen
des Verfahrens am Magnetresonanztomographiegerät keine zusätzlichen Vorrichtungen vorzusehen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das bereits eingangs erläuterte Verfahren
zur Ermittlung von Lageveränderungen
aus Bilddatensätzen
auf Basis einer Taylor-Entwicklung 1. Ordnung eingesetzt.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch ein Magnetresonanztomographiegerät,
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2 ein
Ablaufdiagramm für
eine funktionelle Magnetresonanztomographie mit prospektiver Bewegungskorrektur
in einer ersten Ausführung,
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3 ein
Ablaufdiagramm für
eine funktionelle Magnetresonanztomographie mit einer prospektiven Bewegungskorrektur
in einer zweiten Ausführung
und
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4 ein
Ablaufdiagramm zum Erzeugen eines einzelnen mehrschichtigen Bilddatensatzes
mit eingeschleifter Bewegungskorrektur.
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1 zeigt
einen Längsschnitt
durch ein Magnetresonanztomographiegerät 1. Das Gerät 1 umfaßt eine
verfahrbare Lagerungsvorrichtung 2, auf der ein Patient 7 gelagert
ist. Der Kopf als abzubildender Bereich des Patienten 7 ist
dabei innerhalb eines Abbildungsvolumens 6 des Geräts 1 positioniert.
Das Gerät 1 beinhaltet
ferner ein Gradientenspulensystem 3, das mit einer gesteuerten
Stromversorgungsvorrichtung 4 verbunden ist, so daß unter
anderem zum Zwecke einer Ortscodierung Ströme im Gradientenspulensystem 3 steuerbar
sind. Ferner umfaßt
das Gerät
ein Hochfrequenzsystem, von welchem beispielhaft lediglich eine
Hochfrequenzantenne 5 dargestellt ist. Die von der Hochfrequenzantenne 5 in
den Patienten 7 eingestrahlten Hochfrequenzsignale zur
Auslösung
von Magnetresonanzsignalen können
ebenfalls unter anderem eine ortscodierende Wirkung aufweisen.
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2 zeigt
als ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein Ablaufdiagramm für eine funktionelle Magnetresonanztomographie
mit prospektiver Bewegungskorrektur. In einem ersten Schritt 11 wird
ein Referenz-Bilddatensatz B_Ref erzeugt. Dabei handelt es sich
beispielsweise um einen dreidimensionalen Bilddatensatz eines Hirns
eines Patienten, der beispielsweise mit einem Echoplanarverfahren
erzeugt wird. Bei der funktionellen Magnetresonanztomographie werden
in einer zeitlichen Abfolge mehrere Bilddatensätze des Hirns erzeugt. Zu einer
Zeit 0 s beginnt in einem Schritt 12a ein Erzeugen eines
dreidimensionalen Bilddatensatzes B_N, das zur Zeit 1,8
s abgeschlossen ist. An den Schritt 12a schließt sich
im Schritt 13 ein Datentransfer an, während dem beispielsweise ein
Datenaustausch zwischen verschiedenen Rechnereinheiten eines Magnetresonanztomographiegeräts stattfindet.
Im anschließenden
Schritt 14 findet ein Erkennen einer Lageveränderung
statt. Dabei wird der Bilddatensatz B_N mit dem Referenz-Bilddatensatz B_Ref
verglichen, beispielsweise mit dem bereits eingangs beschriebenen
Verfahren zur Ermittlung von Lageveränderungen aus Bilddatensätzen. Für den Fall,
daß zwischen
dem Referenz-Bilddatensatz B_Ref und dem Bilddatensatz B_N eine
Lageveränderung
des Hirns, beispielsweise verursacht durch eine Bewegung des Patienten,
stattgefunden hat, so wird diese Lageveränderung im Schritt 14 hoch
genau ermittelt. Vor dem Erzeugen eines weiteren Bilddatensatzes
B_N+1, beginnend bei der Zeit 4 s in einem Schritt 12b,
führt die
im Schritt 14 ermittelte Lageveränderung in einem Schritt 16 zu
einer entsprechenden Anpassung der Ortscodierung. Ferner kann in
einem Schritt 15 die im Schritt 14 ermittelte
Lageveränderung
dazu genutzt werden, den Bilddatensatz B_N im Sinne einer feinen,
retroperspektiven Bewegungskorrektur zu bearbeiten. Dazu sind beispielsweise
bekannte Interpolationsverfahren wie eine lineare Interpolation
oder eine Fourier-Interpolation einsetzbar. Die Fourier-Interpolation
ist beispielsweise in dem Aufsatz von W.F. Eddy et al., "Improved Image Registration
by Using Fourier Interpolation",
Magnetic Resonance in Medicine 36 (1996), Seiten 923-931, näher beschrieben.
Dabei hat eine Analyse klinischer Bilddatensätze gezeigt, daß in vielen
Fällen
vorgenannte Feinkorrektur verzichtbar ist, weil in der Regel die
Lageveränderungen
von Bilddatensatz zu Bilddatensatz kleiner als 50 μm sind. Wird
im Schritt 14 keine Lageveränderung ermittelt, so ist ein
Anpassen der Ortscodierung im Schritt 16 ebenso wie eine
Feinkorrektur im Schritt 15 nicht notwendig.
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3 zeigt
als ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein Ablaufdiagramm für eine funktionelle Magnetresonanztomographie
mit einer prospektiven Bewegungskorrektur. Im Rahmen einer funktionellen
Magnetresonanztomographie wird in einem ersten Schritt 21 ein
Referenz-Bilddatensatz D_Ref erzeugt. Dabei handelt es sich beispielsweise
um einen dreidimensionalen Bilddatensatz eines Hirns eines Patienten, der
sich seinerseits aus einer bestimmten Anzahl zweidimensionaler Bilddatensätzen von
Schichten No.1 bis No.n zusammensetzt. Dabei ist eine der vorgenannten
Schichten eine ausgewählte
Mittelschicht, die vorzugsweise einen zentralen Bereich des Gehirn
repräsentiert.
In einem weiteren Schritt 22a wird ein Bilddatensatz D_N
des Hirns erzeugt. Dazu wird zuerst ein zweidimensionaler Bilddatensatz
besagter Mittelschicht erzeugt. Dieser wird in einem Schritt 23a mit
dem zweidimensionalen Referenz-Bilddatensatz der Mittelschicht,
beispielsweise unter Zuhilfenahme des eingangs beschriebenen Verfahrens
auf Lageveränderungen
hin verglichen. In einer anderen Ausführung wird mit dem dreidimensionalen
Referenz-Bilddatensatz
D_Ref unter Zuhilfenahme eines sogenannten Slice-into-Volume-Mapping-Verfahrens
verglichen, so daß beliebige
Lageveränderungen
im dreidimensionalen Raum ermittelbar sind. Zur genaueren Beschreibung
eines Slice-into-Volume-Mapping-Verfahrens
wird beispielsweise auf den Artikel von B. Kim et al., "Motion Correction
in fMRI via Registration of Individual Slices Into an Anatomical
Volume", Magnetic
Resonance in Medicine 41 (1999), Seiten 964-972, verwiesen. Im Falle
einer ermittelten Lageveränderung
wird in einem Schritt 24a für die weiteren zweidimensionalen
Bilddatensätze
der übrigen
Schichten die Ortscodierung entsprechend angepaßt. Werden im Schritt 23a keine
Lageveränderungen
ermittelt, so werden die übrigen
Schichten des Bilddatensatzes D_N mit einer gegenüber dem
Referenz-Bilddatensatz D_Ref unveränderten Ortscodierung erzeugt.
In einem bestimmten Zeittakt der funktionellen Magnetresonanztomographie
wird in einem Schritt 22b ein weiterer Bilddatensatz erzeugt.
Dabei wird entsprechend dem Bilddatensatz B_N verfahren.
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Vorgenannte
Ausführungsbeispiele
für eine
funktionelle Magnetresonanztomographie zur Detektion von aktiven
Bereichen eines Hirns sind entsprechend auf Applikationen mit anderen
funktionellen Aufgaben, wie Diffusionscodierung und Perfusionsmessung, übertragbar.
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4 zeigt
als ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein Ablaufdiagramm zum Erzeugen eines einzelnen dreidimensionalen
Bilddatensatzes mit eingeschleifter prospektiver Bewegungskorrektur.
Dabei ist beispielsweise ein einzelner dreidimensionaler Bilddatensatz
von einem Hirn eines Patienten schichtweise zu erzeugen. In einem
ersten Schritt 31 wird beispielsweise ein zweidimensionaler
Referenz-Bilddatensatz einer ausgewählten Mittelschicht, vorzugsweise
einen zentralen Bereich des Hirns beinhaltend, erzeugt. In weiteren
Schritten 32a bis 32d werden zum Erzeugen des
dreidimensionalen Bilddatensatzes die Schichten No.1 bis No.4 als
zweidimensionale Bilddatensätze
abgebildet. In einem weiteren Schritt 33a wird wiederum
ein zweidimensionaler Bilddatensatz besagter Mittelschicht erzeugt,
der in einem Schritt 34a mit dem Referenz-Bilddatensatz
der Mittelschicht zur Erfassung einer Lageveränderung verglichen wird. Dazu
wird beispielsweise das eingangs beschriebene Verfahren zur Ermittlung
von Lageveränderungen
aus Bilddatensätzen
benutzt. Im Falle, daß im
Schritt 34a eine Lageveränderung ermittelt wird, erfolgt
in einem Schritt 35a eine entsprechende Anpassung einer
Ortscodierung, bevor in den Schritten 32e bis 32h weitere
Schichten No.5 bis No.8 als zweidimensionale Bilddatensätze bewegungskorrigiert
aufgenommen werden. Dem Schritt 32h folgt im Schritt 33b wiederum
eine Aufnahme eines zweidimensionalen Bilddatensatzes besagter Mittelschicht.
Mit dem im Schritt 33b erzeugten Bilddatensatz wird in
den Schritten 34b und 35b analog zu vorausgehend
erläuterten
Schritten 34a und 35a verfahren usw. Durch vorgenanntes
Verfahren wird erreicht, daß beispielsweise durch
Bewegungen des Patienten verursachte Lageveränderungen des Hirns während der
Aufnahme des dreidimensionalen Bilddatensatzes erkannt werden und
nicht zu Bildverzerrungen führen.