ELITE NETZWERK BAYERN

English  Sprachen Icon  |  Gebärdensprache  |  Leichte Sprache  |  Kontakt


Forschungsarbeit

Compressed Sensing in der funktionellen
kardialen Magnetresonanztomographie

Von Dr. Tobias Wech (12.03.2014)

Die bildgebenden Verfahren verkörpern eine zentrale Säule der Lebenswissenschaften. Während die nichtinvasive und damit zerstörungsfreie Darstellung des Aufbaus und der Funktion von Lebewesen eine wesentliche Rolle in der heutigen Forschung spielt, ist die bildgebende Diagnostik mittlerweile auch in der angewandten Medizin unerlässlich. 

Bei der klinischen Untersuchung der Herzfunktion hat sich die Magnetresonanztomographie (MRT) aufgrund der hohen Reproduzierbarkeit und einer geringen Variabilität als Referenzstandard etabliert. Auch in der präklinischen Forschung ermöglicht die MRT eine ausgezeichnete Charakterisierung der kardialen Funktion und damit eine exzellente Analyse modellierter Krankheitsbilder. Dazu wird eine zeitliche Abfolge von Schnittbildern des Herzens akquiriert, welche die Erkennung von Herzwandbewegungsstörungen oder auch die Bestimmung charakteristischer Parameter wie z.B. das Volumen des linken Ventrikels in Systole und Diastole mit hoher Genauigkeit erlauben.

Blamowska: Abb. 1[Bildunterschrift / Subline]: Abb. A: Klinische funktionelle Herzbildgebung. Die Abbildung zeigt zehn vollständig akquirierte Einzelschichtbilder im Kurzachsenschnitt für die systolischen Herzphase. Die Aufnahme erfordert zehn Atemstopps des Patienten.

Für eine optimale Ausnutzung des großen Potentials dieser Modalität besteht jedoch weiterhin  der Bedarf einer Weiterentwicklung der zugrundeliegenden Aufnahmetechniken: Die klinische Herz-MRT stellt ein aufwendiges Verfahren mit vergleichsweiser langer Messzeit dar. Sie ist daher nicht ohne Weiteres bei jedem Krankheitsbild durchführbar und zudem mit hohen Untersuchungskosten verbunden. In der präklinischen Kleintier-Bildgebung müssen zum Erreichen der dort notwendigen höheren Orts- und Zeitauflösung ebenfalls lange Aufnahmezeiten in Kauf genommen werden, so dass eine schnellere Bildgebung essentiell für eine routinemäßige Verwendung ist.

Neben einer Verbesserung der Tomographen-Hardware und der Optimierung von Bildgebungssequenzen, besitzen informationstheoretische Ansätze das Potential zur Beschleunigung der MR-Datenakquisition. Im Fokus dieser Dissertation lag die Untersuchung der von Donoho und Candès im Jahre 2006 vorgestellten Compressed-Sensing-Theorie hinsichtlich einer Anwendung in der funktionellen kardialen Magnetresonanztomographie.

Die Informationstheorie gibt klassisch eine feste Datenmenge/Abtastrate vor, die für eine gewisse Bildqualität (Auflösung, Bildgröße etc.) aufgenommen werden muss. Das dem Compressed-Sensing zugrunde liegende Prinzip ermöglicht eine Unterwanderung dieser festen Schranke, indem zusätzliches Wissen über das abzubildende Objekt in die Bildrekonstruktion eingebracht wird. Ist diese Information bereits vor der Messung bekannt („Vorwissen“), reicht eine unterabgetastete und mitunter stark beschleunigte Messung aus, um ein fehlerfreies Bild zu rekonstruieren.

In der funktionellen kardialen MR-Bildgebung repräsentiert die hohe zeitliche Redundanz der üblicherweise akquirierten Information ein solches Vorwissen. In anderen Worten weist die gemessene Bilderserie lediglich im Bereich des Herzens eine Dynamik auf. Sämtliche ebenfalls dargestellten umliegenden Organe wie beispielsweise die Lunge oder die Leber sind statisch und daher von Bild zu Bild identisch kodiert. In der angefertigten Arbeit wurden Methoden entwickelt, die diese Gegebenheit für eine deutliche Beschleunigung der funktionellen Herzbildgebung ausnutzen. 

Dazu wurden einerseits dedizierte MR-Pulsprogramme für unterabgetastete Signalakquisitionen am Tomographen entworfen und optimiert. Andererseits wurden auf der Bildrekonstruktionsseite Compressed-Sensing-Algorithmen entwickelt, die eine hybride Berechnung von MRT-Bildern aus einem reduzierten Datensatz und dem Vorwissen der Redundanz in der zeitlichen Dimension ermöglichen.

Da diese Algorithmen jedoch grundlegende Prinzipien der klassischen MR-Bildgebung außer Kraft setzen, war für eine objektive Beurteilung der erzielten Bildqualität außerdem die Entwicklung neuartiger Qualitätsmaße erforderlich. Hierzu wurde ein Verfahren entwickelt,  mit welchem die unterschiedlichen Anwendungen auf die maximal mögliche Beschleunigung (d.h. ohne Beeinträchtigung der diagnostischen Aussagekraft) untersucht wurden. In der klinischen funktionellen Herzbildgebung konnte dabei eine mehr als zehnfache Beschleunigung erzielt werden: Üblicherweise wurden in der klinischen Routine bisher 10-15 Einzelschichten für eine vollständige Herzabdeckung aufgenommen, wobei jede dieser Schichten einen Atemstopp von etwa 10-12 Sekunden durch den Patienten erfordert. Mit der durch Compressed-Sensing beschleunigten Aufnahme ist die gesamte Untersuchung nun in nur einem Atemstopp realisierbar, was den Patientenkomfort erheblich steigert.

[Bildunterschrift / Subline]: Abb. B: Zehnfach beschleunigte Messung mit Hilfe von Compressed Sensing. Es ist kaum ein Unterschied zur Aufnahme in a) zu erkennen. Um einen objektiven Vergleich zu ermöglichen, wurden die Daten aus a) retrospektiv unterabgetastet. Die Messung ist jedoch in nur einem Atemstopp durchführbar.

In der präklinischen Kleintierbildgebung konnte zunächst durch alleiniges Anwenden von Compressed-Sensing eine dreifache Beschleunigung der Messung erreicht werden. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde durch eine Kombination von Compressed Sensing mit der bereits länger etablierten Technik der Parallelen Bildgebung eine bis zu sechsfache Verkürzung der Messzeit erreicht. Die Beschleunigung ermöglicht beispielsweise die Durchführung multimodaler Messungen am gleichen Tier und verringert damit die Anzahl der für eine Studie notwendigen Tiere.

Insgesamt verhalfen die entwickelten Methoden der funktionellen kardialen MR-Bildgebung zu einer deutlichen Verbesserung ihrer Effizienz - sowohl in der klinischen als auch präklinischen Anwendung. Es ist möglich, bei dieser sehr zeitkritischen Untersuchung die Datenakquisition auf das notwendigste Maß zu reduzieren, indem die bereits vor einer Messung über das zu messende Objekt bekannte Information in die Rekonstruktion miteinbezogen wird.


Wissenschaftlicher Werdegang
  • 2004-2010
  • Studium der Physik mit Diplomarbeit: „Rekonstruktionstechniken mit Vorwissen in der funktionellen dynamischen Herzbildgebung“, Betreuer: Prof. Dr. Peter Jakob, Lehrstuhl für Experimentelle Physik 5, Julius-Maximilians-Universität, Würzburg
  • 2010-2012
  • Promotion an der Graduiertenschule der Lebenswissenschaften mit Dissertation: „Compressed Sensing in der funktionellen kardialen Magnetresonanz-tomographie“, Betreuer: Prof. Dr. Herbert Köstler, Institut für Röntgendiagnostik, Julius-Maximilia

Publikationen (Auszug)
  • * Wech T, Gutberlet M, Greiser A, Stab D, Ritter CO, Beer M, Hahn D, Köstler H. High-resolution functional cardiac MR imaging using density-weighted real-time acquisition and a combination of compressed sensing and parallel imaging for image reconstruction
  • * Wech T, Lemke A, Medway D, Stork LA, Lygate CA, Neubauer S, Köstler H, Schneider JE. Accelerating cine-MR imaging in mouse hearts using compressed sensing. J Magn Reson Imaging 2011;34(5):1072-1079
  • * Wech T, Stab D, Budich JC, Fischer A, Tran-Gia J, Hahn D, Köstler H. Resolution evaluation of MR images reconstructed by iterative thresholding algorithms for compressed sensing. Med Phys 2012;39(7):4328-4338.